孫 宏

（渤海石油裝備華油鋼管公司， 河北 青縣062658）

0 前 言

ASTM E8/E8M 《金屬材料標準拉伸試驗方法》 是國際上廣泛應用的拉伸試驗標準之一， 其最新版本為ASTM E8/E8M-16ae1[1]。 經(jīng)過近幾年的修訂， 該標準發(fā)生了較大的變化， 特別是2015 年和2016 年。 2015 年6 月， 美國材料與試驗協(xié)會 （ASTM） 將ASTM E8/E8M-15[2]修訂為ASTM E8/E8M-15a[3]， 此次修訂的變化比較大，主要對拉伸試驗過程中與理想曲線偏離的幾種情況進行了匯總， 增加了附件X5， 這些偏離情況在實驗室拉伸試驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)， 因此有必要針對這些情況進行探討， 并與現(xiàn)有拉伸試驗設備特別是拉伸試驗軟件進行對比分析。 2016 年9月， 美國材料與試驗協(xié)會發(fā)布了ASTM E8/E8M-16[4]的修訂版——ASTM E8/E8M-16a[5]， 此次修訂后該標準也發(fā)生了較大變化， 而最新的ASTM E8/E8M-16ae1 相對ASTM E8/E8M-16a 則僅做了編輯性修訂， 本研究將針對具體條款分析目前的拉伸設備能力及應對措施。

1 ASTM E8/E8M-15a 主要變化內容及應對

1.1 對原標準中7.7 章節(jié)進行了修訂

（1） 增加了 “注30”。 與沒有屈服點伸長（YPE） 的材料相比， 屈服點伸長材料的屈服性能的重復性和復現(xiàn)性更差。 偏置法和負荷下伸長（EUL） 法測屈服強度可能會受到應力-應變曲線與偏移或延伸相交區(qū)域應力波動的嚴重影響， 如圖1 所示。 雖然這些性能會受到試驗機的剛度、校準及試驗速度等變量的影響， 但是對于這些材料而言， 確定上、 下屈服強度 （或者兩者都有）可能更好。 ASTM E8/E8M 中偏置法測得的屈服強度等同于GB/T 228 中的規(guī)定塑性延伸強度，負荷下伸長法測得的屈服強度等同于GB/T 228中的規(guī)定總延伸強度。 該注釋的增加有助于理解屈服強度測量方法的選擇。

圖1 具有屈服點伸長材料的應力-應變曲線

（2） “注31” （原標準為“注30”） 中最后一行進行了更改， 由原來的“推薦使用平均型引伸計” 改為 “適宜使用平均型引伸計”。 為方便安裝引伸計， 一般情況下采用單側引伸計， 這對于對中較好的圓棒拉伸試樣而言足以滿足要求，但對于矩形試樣（如管材類產(chǎn)品） 宜使用平均型引伸計， 即雙引伸計。 該引伸計能夠同時獨立檢測試樣兩側的變形值， 最終變形值為兩者的平均值。 使用平均應變消除了由于試樣彎曲引起的誤差， 也可以克服試樣對中不好的問題， 可確定精確的彈性模量值。

（3） “注33” （原標準為“注32”） 中“在實際操作中， 由于各種原因， 應力-應變曲線直線段部分（圖21 中直線oA） 可能不會通過原點o”之后的內容全部刪除， 增加了附錄X5 中給出非理想狀態(tài)的實例， 同時給出了針對不同非理想狀態(tài)下計算屈服強度的建議方法。

（4） 刪除了“圖22”， 對“圖21” 進行了修訂。 修訂后的 “圖21” 增加了垂直于應變軸的pq 線， 此處可以理解為 “圖21” 與 “圖22” 進行了合并。

（5） “7.7.2” 條款中負荷下伸長法測定屈服強度的方法 “采用自動或數(shù)字設備確定應力-應變數(shù)據(jù)， 然后分析這個數(shù)據(jù)來確定規(guī)定延伸下的應力值， 或者采用設備規(guī)定延伸下的應力， 從而確定應力值 （注34）” 改為 “分析應力-應變曲線確定規(guī)定延伸下的應力值， 或者采用設備規(guī)定延伸下的應力， 從而確定應力值”。

（6） “注34” 變更為“7.7.2.1” 條款， 此條款內容沒有變化。 由于規(guī)定總延伸強度相比采用偏置法測定的屈服強度（也稱為規(guī)定塑性延伸強度） 更容易實現(xiàn)， 特別是在采用諸如機械式引伸計等不具備繪制應力-應變曲線的條件下， 實踐中可以將這兩種方法進行對比以判斷屈服強度測試結果的準確程度。

（7） “7.7.3” 條款由原來的 “自動圖示法（對于不連續(xù)屈服材料） 獲得應力-應變 （或者力-伸長） 數(shù)據(jù)， 或者采用自動設備建立一個應力-應變 （或者力-伸長） 曲線， 確定上下屈服強度” 變更為 “對于表現(xiàn)出不連續(xù)屈服的材料， 采用應力-應變 （或者力-伸長） 曲線確定上下屈服強度?！?/p>

“7.7.3.1” 條款中由原來的 “記錄不連續(xù)屈服的首次最大應力為上屈服強度， 如圖23 和24所示” 變更為“記錄首次不連續(xù)屈服的最大力對應的應力為上屈服強度， 如圖22 和23 所示， 如果從不連續(xù)屈服開始觀察到多個峰值， 第一個被認為是上屈服強度（見圖23）”。

另外， 刪除了“注36” 和“注37”， 增加了7.7.3.3 “大應變數(shù)據(jù)需要測量可能會出現(xiàn)不連續(xù)屈服材料的屈服點伸長率， 可采用C 級引伸計。當試驗完成后材料并沒有表現(xiàn)出不連續(xù)屈服時，負荷下延伸屈服強度可以使用應力-應變曲線（見負荷下延伸法） 確定”。

1.2 增加了附件X5

（1） 在許多情況下， 應力-應變曲線偏離“圖21” 所示的理想行為。 采用偏置法 （7.7.1）或負荷下伸長法（7.7.2） 計算屈服強度時， 應對這些偏差進行適當?shù)姆治觥?/p>

（2） “圖X5.1” 為理想狀態(tài)下的應力-應變曲線和5 種偏離理想狀態(tài)的曲線。 本附錄提出了當偏離出現(xiàn)時偏置法和負荷下延伸法計算屈服強度的方法。

（3） “圖X5.1a” （本文中圖2） 為理想狀態(tài)曲線， 直線OA 與應力-應變曲線的直線部分重疊，o 點與原點重合。 對于偏置法， mn 平行于oA， 與應變軸相交的距離為x； 對于負荷下延伸法， pq 垂直于應變軸， 與oA 線和應變軸交點距離為y。

圖2 理想狀態(tài)下的應力-應變曲線

（4） “圖X5.1b” （本文中圖3） 為當引伸計夾持到試樣上后， 產(chǎn)生一個負的應變值的情況。 該情況比較常見， 一般情況下， 目前常用的拉伸測試程序可以自動計算出真實原點o′， 然后根據(jù)o′m 或o′p 計算出正確強度值， 但需要注意負應變值不應過大而超過彈性段起點。 如果不能通過拉伸測試程序自動計算， 就需要人工判斷曲線是否正確， 并采用人工方法按照圖3進行修正。

圖3 偏離理想狀態(tài)下的應力-應變曲線一

（5） “圖X5.1c” （本文中圖4） 為引伸計夾持到試樣上， 加載一定力后有滑動的情況。 這種情況可能是引伸計夾持穩(wěn)固造成的， 應力-應變曲線的真實原點o′位于原o 點的右側。 對于打滑不大的情況， 即不超過程序設定的彈性段起點， 目前常用的測試程序可以自動找到真實原點o′， 并得出正確結果， 但需要注意試驗程序的修正是否正確， 負應變值不應過大而超過彈性段起點， 這也可以通過平行線判斷結果是否正確。 如果試驗程序的修正不正確， 則需要人工計算修正， 或者認定無效重新進行試驗。

圖4 偏離理想狀態(tài)下的應力-應變曲線二

（6） “圖X5.1d” （本文中圖5） 為由于試樣不同軸或者存在殘余應力， 當加載一定力后試樣矯直的情況。 當應變的偏離不大的情況下， 測試程序可以自動找到真實原點o′， 并得出正確結果， 但需要注意測試程序的修正是否正確， 負應變值不應過大而超過彈性段起點， 這也可以通過平行線判斷結果是否正確。 如果試驗程序的修正不正確， 則需要人工調整彈性段的起點和終點來重新計算修正。 如果非彈性段過長， 人工計算仍然不能修正， 則認定無效重新進行試驗。

圖5 偏離理想狀態(tài)下的應力-應變曲線三

（7） “圖X5.1e” （本文中圖6） 為當加載一定力后， 試樣滑動干擾引伸計的情況。 對于打滑不大的情況， 即不超過程序設定的彈性段起點， 測試程序可以自動找到真實原點， 并得出正確結果， 但需要注意試驗程序的修正是否正確。如果試驗程序的修正不正確， 則需要人工計算修正， 或者認定無效重新進行試驗。 試驗完成后，應及時分析試樣打滑的原因， 并消除打滑現(xiàn)象。

圖6 偏離理想狀態(tài)下的應力-應變曲線四

（8） “圖X5.1f” （本文中圖7） 為試樣彎曲或者卷曲的情況。 對于彎曲程度不大的情況，即不超過程序設定的彈性段起點， 測試程序可以自動找到真實原點o′， 并計算出正確結果， 但需要注意試驗程序的修正是否正確， 負應變值不應過大而超過彈性段起點， 這也可以通過平行線判斷結果是否正確。 如果試驗程序的修正不正確， 則需要人工計算修正， 或者認定無效重新進行試驗。

圖7 偏離理想狀態(tài)下的應力-應變曲線五

（9） “圖X5.9” 在以上五種非理想狀態(tài)下，應力-應變曲線的直線段部分不再處于原點o 處，取而代之的， 直線o′A 交于應變軸的o′點， 偏置法中， 直線mn 平行于直線o′A， 距離o′點為x； 負荷下延伸法中， 直線pq 線垂直于應變軸，與o′距離為y。

ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5” 給出了理想狀態(tài)及五種非理想狀態(tài)的應力-應變曲線， 這些非理想狀態(tài)曲線反映了實際拉伸試驗過程中時常遇見的幾種異常情況。 對于這些情況的識別及正確處理對于獲得準確的試驗結果非常重要。 需要指出的是， 以上五種非理想狀態(tài)的應力-應變曲線具有明顯的彈性段， 但是， 對于各種原因造成的彈性段不明顯的應力-應變曲線，修正時應謹慎對待。

除了ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5”規(guī)定的這五種情況， 鋼管產(chǎn)品的管體橫向拉伸試樣、 取自熱軋板卷的拉伸試樣（試樣方向與軋制方向不垂直時）， 由于其彎曲狀態(tài)而無法直接進行試驗， 應壓平后再可進行試驗。 由于鋼管制造過程中的包申格效應和加工硬化的綜合影響， 管體橫向試樣的拉伸試驗曲線常常呈現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象， 沒有屈服平臺。 采用板狀試樣時， 試樣的壓平程度或彎曲度會造成拉伸試驗曲線的失真， 試驗結果偏差較大， 特別是Rt0.5分散度大， 而圓棒試樣及管體縱向試樣則較少出現(xiàn)這種情況。 因此， 對橫向板狀試樣應盡可能按標準把試樣的不平度減到最小， 并且把試樣加工盡可能光滑、 平整， 特別是夾持部位， 以保證拉伸過程平穩(wěn)[6]。有研究表明， 試驗的壓平程度或彎曲度不宜小于0.3 mm/50 mm[7]。

2 不同版本標準主要內容變化及應對

2.1 ASTM E8/E8M-16

與ASTM E8/E8M-15a 相比， ASTM E8/E8M-16 主要是更正了錯誤和編輯性修改： ①修訂了“圖9”， 變更了尺寸的標注方法， 更正了圖中試樣3 的縮減部分長度標注的錯誤； ②修訂了“圖15”，變更了尺寸的標注方法， 更正了圖中試樣的縮減部分長度標注的錯誤； ③修訂了 “圖17”， 更正了圖中試樣的縮減部分長度標注的錯誤； ④修訂了 “圖19”， 縮減部分長度從 “2 個半長度A”變更為“1 個長度A”。

2.2 ASTM E8/E8M-16a

相對上一版本， ASTM E8/E8M-16a 修訂了條款 “2.1 與5.1”， 增加了新術語 “3.1.7、 7.6.2和“附注15”： ①修訂了“2.1”， 增加了“ASTM E2658 材料試驗機試驗速度校驗的標準操作規(guī)程”； ②修訂了條款 “5.1”， 與條款 “2.1” 的修訂相對應， 條款 “5.1” 的最后增加了 “當需要對試驗機的速度進行校驗時， 除另有規(guī)定外， 應采用標準操作規(guī)程ASTM E2658”； ③增加了條款 “7.6.2” 及其 “附注15”， 條款 “7.6.2” 中其他適用的規(guī)范可能需要校驗試驗機的試驗速度。在這種情況下， 除非另有規(guī)定， 應當依據(jù)方法E2658 對試驗機進行校驗， 至少達到E 級。 “注15” 中某些材料/場合對試驗速度相當敏感， 而另一些則不是。 在通用的拉伸試驗中， 試驗速度的顯著變化常常是可以接受的。 這3 處修訂均涉及ASTM E2658， 相關規(guī)范需要對試驗機的試驗速度進行校驗時， 應對萬能材料試驗機的速度進行校驗或校準， 以符合標準要求， 校驗方法采用ASTM E2658。 由于在實際工作中， 可能事先不知道所試驗材料的試驗速度敏感性， 因此建議對萬能材料試驗機的速度進行校驗或校準。

另外， 新版條款“4.4.3” 術語部分增加了新術語， 即條款“3.1.7” 縮減平行部分， 并在本試驗方法所有章節(jié)中采用 “縮減平行部分” 代替“縮減部分”。 該變更不影響標準的正常使用。

2.3 ASTM E8/E8M-16ae1

與ASTM E8/E8M-16a 相比， ASTM E8/E8M-16ae1 僅做了一處編輯性修正。 修訂了條款“9.1精密度”。 具體為： 將 “CV%R=實驗室間重復性偏差系數(shù)百分數(shù)” 中 “重復性” 替換為 “再現(xiàn)性”。 修改后， 術語變得更加準確。

3 結 論

（1） 從ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-16ae1， 該拉伸試驗方法的技術內容發(fā)生了較大的變化， 同時也修訂了部分編輯性錯誤， 在使用時予以注意。

（2） 特別地， 對于從ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-15a， 修訂后的標準將在實際試驗過程中可能會遇到的五種非理想狀態(tài)試驗進行了匯總， 并提出了要求， 對于拉伸試驗實際操作有很大指導意義。

（3） ASTM E8/E8M-15 新增的五種非理想狀態(tài)試驗， 經(jīng)過對標準進行技術分析后發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)有的設備及常用拉伸試驗軟件可以滿足標準的要求。 如果拉伸試驗軟件不具備相關修正功能， 應先判定是否為正常拉伸過程， 否則應采取人工修正的方式進行修正。