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金屬材料室溫拉伸試驗方法標準ISO 2019版中的問題和GB/T 2010版的修訂建議

2021-05-12 14:42:19 作者：李和平來源：理化檢驗物理分冊分享至：

2017年5月，測試與評估雜志（Journal of Testing and Evaluation）發表了3篇關于ISO 6892-1：2009 Metallic Materials—Tensile Testing—Part 1: Method of Test At Room Temperature的文章。其中文獻[1]根據21個試驗室驗證試驗的結果指出ISO 6892-1：2009推薦方法A的依據條件是不成立的，TENSTAND WP4報告的試驗條件是不真實的，標準中附錄F的剛度修正公式的推導用了胡克定律。文獻[2]作者雖然承認采用正確應力速率的橫梁控制方法與應變控制方法的測量結果一致（否定了該文獻作者自己在TENSTAND WP4報告的結論），但依然解讀方法B是保證彈性段應力速率符合規定應力速率要求的橫梁控制方法。同時指出0.00083s-1應力速率的橫梁控制方法會造成屈服強度的測量結果偏高。文獻[3]指出ISO 6892-1：2009起草人解讀的方法B與21個試驗室驗證的方法5是相同的，是導致ISO 6892-1：2009存在爭議的主要原因，并根據已公開的圖39的原始數據文件計算證明該標準的起草人不是采用報告的橫梁速率1.8 mm·min-1，而是將橫梁速率乘以了2.9（剛度修正系數），實際采用的橫梁速率為5.2mm·min-1。

為完善GB/T 228.1標準，對金屬材料室溫拉伸試驗方法標準ISO 6892：2019中存在的問題進行了分析，并對GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》提出了幾點修訂建議。

ISO 6892-1：2019中方法B的標題應是“傳統方法”而不是“應力速率控制的試驗速率”

ISO 6892-1：2019中的方法B出自于ISO 6892：1998，該拉伸試驗方法需要兼顧不同類型的拉伸試驗機，包括沒有反饋控制功能的液壓拉伸機（適用于GB/T 228.1—2010中的10.4.2.1及表3）和有反饋控制功能的各種拉伸試驗機（適用于GB/T 228.1—2010中的10.4.2.2~10.4.2.4）。GB/T 228.1—2010中10.4.2.2~10.4.2.4的規定很明顯是橫梁位移控制方法而不是應力速率控制方法；GB/T 228.1—2010中的10.4.2.1及表3雖然是應力速率控制方法，但顯然不是ISO 6892-1：2019主要起草人解讀的彈性段應力速率控制方法，也不是GB/T 228.1—2010宣貫時解讀的實時應力速率控制方法（ASTM A370：1997在二十多年前就已經注明有反饋控制功能的拉伸試驗機不能采用應力速率控制方法），因此應力速率控制方法是參考文獻[4]解讀的平均應力速率控制方法。目前有反饋控制功能的拉伸試驗機是主流，因此方法B的標題應是“傳統方法”，而不應是“應力速率控制的試驗速率”。

ISO 6892-1：2019的主要起草人把方法B解讀為彈性段應力速率控制方法，實際控制方法卻是橫梁位移控制方法，控制的橫梁速率使彈性段的應力速率接近于想要的設定值，參考文獻[5]中的圖9、參考文獻[6]中的圖39和圖10、參考文獻[1]和[7]報告的方法5及參考文獻[4]報告的某試驗機公司為GB/T 228.1—2010最后一次審定會代表進行演示試驗時采用的都是剛度修正方法，具體做法是采用名義應力速率除以試樣的彈性模量，得到名義應變速率，用名義應變速率乘以試樣平行長度及60s·min-1和拉伸試驗機的剛度修正系數（每臺拉伸試驗機剛度修正系數不同，通常大于2），得到要設定的橫梁位移速率。該方法顯然是一種橫梁位移控制方法而不是應力速率控制方法，因此稱方法B為“應力速率控制”是不合理的。采用該剛度修正的方法解讀方法B，雖然可以在速率不影響測量結果的彈性段保持應力速率接近名義應力速率，但是在速率影響測量結果的屈服段，應力速率迅速降低到名義應力速率的幾十分之一，與拉伸速率應保證要測量的“感興趣點”（屈服強度）速率準確的原則不符。因為拉伸試驗機的實際橫梁速率比名義應變速率大若干倍，而且不同的拉伸試驗機橫梁速率比名義應變速率大的倍數不同，在不影響測量結果的彈性段修正了速率，而在真正影響測量結果的屈服階段修錯了速率，導致采用剛度修正的橫梁速率控制方法測量的屈服強度比應變控制方法測量的高，且不同剛度的拉伸試驗機測量結果差異大。

參考文獻[8]中第六章第三節中將方法B解讀為另一種橫梁位移控制方法，其橫梁位移速率按照該文獻中的公式（6-26）計算，具體做法是采用名義應力速率除以試樣的彈性模量，得到名義應變速率，用名義應變速率乘以試樣平行長度和60s·min-1得到要設定的橫梁位移速率。該方法也是一種橫梁位移控制方法而不是“應力速率控制”方法，所以不應該給方法B貼上“應力速率控制的試驗速率”標簽。這樣解讀方法B導致在整個拉伸過程中沒有任何階段的應力速率接近名義應力速率，彈性段應力速率只有名義應力速率的幾分之一甚至更低，屈服段應力速率至多只有名義應力速率的幾十分之一，且該解讀在標準中找不到任何條款作為依據。

ISO 6982-1：2019應推薦橫梁位移控制方法而不是應變控制方法

2009版、2016版和2019版ISO 6892-1都推薦采用應變控制方法，但是根據文獻[1,6,9-10]可以判斷，這樣推薦的理由是不真實的。參考文獻[5]和參考文獻[6]都報告采用橫梁位移控制方法的測量結果與采用應變控制方法的不一致，橫梁位移控制方法的測量結果偏高，且橫梁位移控制方法的測量結果可比性差，剛度差的拉伸試驗機測量屈服強度的結果比剛度好的拉伸試驗機測量的高。參考文獻[9]和參考文獻[1]證實了參考文獻[5]和參考文獻[6]報告的橫梁位移控制方法的缺點是不真實的。另外，參考文獻[9]和[1]通過重現試驗和模擬試驗，不僅發現了參考文獻[6]提到的橫梁位移控制方法的缺點是錯誤的，而且查明了導致該錯誤結論的原因是參考文獻[6]報告的試驗條件不真實，報告橫梁位移速率為名義應變速率乘以試樣平行長度，而實際上采用的橫梁位移速率是名義應變速率乘以試樣平行長度后再乘以拉伸試驗機的剛度修正系數（剛度好的拉伸試驗機剛度修正系數為2.9，剛度差的拉伸試驗機剛度修正系數達到14），導致實際的橫梁位移速率比報告的位移速率大幾倍到十幾倍。

參考文獻[5]和參考文獻[6]的作者在參考文獻[2]中也承認采用正確的橫梁位移速率測量的屈服強度與應變控制方法測量的一致，可以認為該幾位作者間接承認了參考文獻[5]和參考文獻[6]報告的橫梁位移控制方法和應變控制方法測量結果不一致是因為采用的位移速率不正確。

因此推薦的控制方法應是橫梁位移控制方法而不是應變控制方法，因為橫梁位移控制方法既適用于連續屈服材料也適用于不連續屈服材料，應變控制方法僅適用于連續屈服材料不適用于不連續屈服材料，而待測試樣是連續屈服還是不連續屈服并不是測量前能確定的。

2016版和2019版ISO 6892-1都在2009版方法A基礎上增加了方法A2，增加A2是希望克服方法A缺乏可操作性的缺點，但是增加A2卻顯示出推薦方法A的應變控制方法是不合理的，因為方法A2是不進行剛度修正的橫梁位移控制方法，在彈性段的應變速率不足方法A的一半，在測量屈服段時的實際應變速率不夠名義速率的80%，方法A2顯然不符合2009版ISO 6892-1對方法A的要求，而且方法A2是傳統方法的下限速率，測量結果明顯偏低（根據參考文獻[1]和參考文獻[9]中21個試驗室平行試驗數據及參考文獻[5]的圖9可以看出測量結果偏低）。增加方法A2實際上是對推薦應變控制方法的否定，且在增加方法A2的同時強調推薦應變控制方法也顯示出邏輯混亂。

對于GB/T 228.1—2010的修訂建議

參考文獻[10]對拉伸試驗方法標準涉及的一系列爭議問題進行了分析論證后對GB/T 228.1提出的具體修訂建議主要有：（1）把方法B的標題由“應力速率控制的試驗速率”改為“傳統方法”；（2）刪除關于推薦應變控制和方法A的內容；（3）在標準中增加方法C并作為有反饋控制功能拉伸試驗機的推薦使用方法。

前文對方法B的標題和應變控制方法的問題已進行了分析，下文對增加并推薦方法C的理由進一步論述。

在GB/T 228.1—2010最后一次審定會之前，其標準草案中有方法C。方法C是采用5%Lc·min-1（Lc為啞鈴型試樣的平行長度）速率的橫梁位移控制方法，對應的名義應變速率為0.00083s-1，該方法采用了方法B速率范圍內中間略微偏下的橫梁速率，同時可以滿足ISO 6892-1和ASTM A370對拉伸速率的要求。方法C是采用一個約定的速率代替方法B規定的很寬的速率范圍，發揮了有反饋控制功能的拉伸試驗機可以準確控制拉伸速率的優勢，既克服了方法B速率范圍寬造成選用不同速率的測量結果可能不一致的缺點，保證了其測量結果與傳統方法B的基本一致。又因為方法C是不進行剛度修正的橫梁位移控制方法，便于操作，也克服了方法A應變控制方法難以實施和測量結果比傳統方法B的顯著偏低的缺點。

某試驗機公司為GB/T 228.1—2010審定會代表進行演示試驗時的試驗結果顯示，采用60MPa·s-1應力速率測量的屈服強度（138.5MPa）低于采用方法C的測量結果（140.9MPa），于是得出方法C的速率超出了標準上限，即不符合標準的結論，因此主要起草人刪除了方法C。

審定會后筆者在參考文獻[4]中分析了演示試驗的原始數據文件并公開發表了分析結果，發現60MPa·s-1應力速率的拉伸過程不是采用應力反饋控制方法，而是采用橫梁位移控制方法，橫梁應變速率為0.00062s-1，遠遠沒有達到方法B橫梁應變速率的上限0.0025s-1。采用該方法得到的拉伸曲線在彈性段的應力速率約為56MPa·s-1，而在測量屈服段時的應力速率僅有約2MPa·s-1。該方法是剛度修正方法，《理化檢驗-物理分冊》編輯部2012年組織21個試驗室驗證試驗的方法5同樣是該種剛度修正方法。指導GB/T 228.1—2010審定會演示試驗的專家在參考文獻[2]中指出了方法5是完全誤導的方法，但演示試驗的專家正是用這種完全誤導的方法誤導了我國標準的審定會代表，刪除了方法C。

21個試驗室驗證試驗結果表明，方法C（21個試驗室驗證試驗的方法1）的測量結果恰好在方法B下限速率（驗證試驗的方法2）和方法B上限速率（驗證試驗的方法3）的測量結果之間，參考文獻[1]中21個試驗室驗證試驗5種方法得到屈服強度測量結果的平均值和標準偏差如圖1所示，可知方法C不會超出方法B上限速率的測量結果。圖1中M1為方法C的測量結果；M2為方法B下限速率的測量結果；M3為方法B上限速率的測量結果；M4為方法A的測量結果；M5為21臺拉伸試驗機不分剛度修正系數的測量結果；M5（k<5）是14臺剛度修正系數k小于5的拉伸試驗機的測量結果；M5（k>5）是7臺剛度修正系數大于5的拉伸試驗機的測量結果。參考文獻[2]指出方法C的測量結果會超出方法B上限速率的測量結果依據的是剛度修正方法，該文獻作者也指出該方法是誤導性的方法，根據完全誤導性的方法得到的結果是不可信的。另外，參考文獻[11]也指出方法C的測量結果會超出方法B上限速率的測量結果，判斷其依據的除最后一次審定會前演示試驗的剛度修正方法的數據之外，可能還有參考文獻[8]中圖6-8的高剛度夾具屈服強度的測量結果，此測量結果是根據該參考文獻解讀的方法B測量得到的，而該解讀方法在標準中找不到依據，因此同樣不可信。根據21個試驗室的驗證試驗結果可知，方法C的測量結果不僅不會超出方法B上限速率的測量結果，而且恰好在方法B下限速率的測量結果和上限速率的測量結果之間。而21個試驗室的驗證試驗是由持不同觀點的試驗室共同參與的，且每個試驗室除提供測量結果之外還提供原始數據文件，各個試驗室的測量結果與原始數據文件經分析驗證后確認無誤。

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圖1 21個試驗室驗證試驗采用不同方法測量

屈服強度結果的平均值和標準偏差

方法C為橫梁位移控制方法，不僅適用于連續屈服材料還適用于不連續屈服材料，不需要在試驗之前猜測試樣是連續屈服還是不連續屈服，因此是安全可行的試驗方法。方法C的速率為方法B的中間偏下的一個推薦值，克服了方法B范圍寬造成的測量結果不一致的問題，應推薦該試驗方法。

分析與討論

傳統的方法B是在拉伸試驗機還沒有反饋控制功能時候形成的，沒有反饋功能的拉伸試驗機很難精確控制拉伸速率，所以規定的速率范圍很寬，上限是下限速率的10倍，這樣雖然滿足了標準可執行性的要求，但是也造成了采用不同速率的測量結果存在偏差的缺點。目前有反饋控制功能的拉伸試驗機已成為主流，因為有反饋控制功能的拉伸試驗機可以精確控制速率。因此，在標準中增加方法C，可以在不增加試驗成本且不降低試驗效率的前提下發揮有反饋控制功能拉伸試驗機的優點，改善試驗結果的再現性，這顯然是合理的選擇，也是在制定GB/T 228.1—2010時大多數代表的要求，建議在GB/T 228.1新版標準中增加曾被刪除的方法C。

理論和實際試驗結果都證明彈性段速率不會影響測量結果，屈服段的速率才會影響測量結果。因此，對于有反饋控制功能的拉伸試驗機應按照GB/T 228.1—2010中的10.4.2.2~10.4.2.4控制橫梁速率比較合理。GB/T 228.1—2010中10.4.2.1把方法B解讀為實時應力控制方法或彈性段應力控制方法都是不合理的，且把方法B解讀為名義應力速率除以彈性模量作為名義應變速率的橫梁控制方法在該標準中找不到任何條款作為依據。因此，GB/T 228.1—2010中10.4.2.1和表3的規定僅適用于沒有反饋控制功能的液壓試驗機，且方法B的標簽應是“傳統方法”而不應是“應力速率控制的試驗速率”。

ISO 6892-1：2019主要起草人發表的報告和文章中關于橫梁位移控制方法和方法B的數據圖表主要是采用剛度修正方法得到的；GB/T 228.1—2010主要起草人2014年之前發表的文獻[8]中所說的剛度修正或柔度修正也是采用彈性段剛度系數修正的方法；21個試驗室驗證試驗的方法5同樣采用了彈性段剛度系數修正方法，這種方法得到的結果與ISO 6892-1：2019標準主要起草人發表的報告和文章中的數據和圖形一致。新標準中增加的A2方法及“采用不進行剛度修正的橫梁位移方法，應變控制方法和橫梁位移控制方法測量的拉伸試驗結果一致”的新共識都表明剛度修正方法是誤導性的方法。采用不進行剛度修正的方法，橫梁位移控制方法與應變控制方法的測量結果是一致的。應變控制方法僅適用于連續屈服試樣而不適用于不連續屈服試樣，可是在試驗前一般不能確定試樣是連續屈服還是不連續屈服；而橫梁位移控制方法既適用于連續屈服試樣也適用于不連續屈服試樣。所以，拉伸試驗標準推薦的應是橫梁位移控制方法而不是應變控制方法。

GB/T 228.1—2010中方法A的0.00025s-1速率是傳統方法（方法B）的下限速率，0.00007s-1則完全不在傳統方法的速率范圍內，所以方法A的測量結果會顯著低于傳統方法，與歷史數據不一致，會給數據的使用者造成誤導；而方法C的速率在方法B范圍內的中間偏下位置，測量結果在方法B上限速率和下限速率的測量結果之間，與歷史數據基本一致。因此，標準中應推薦采用橫梁位移控制的方法C，而不是應變控制的方法A。

結論

ISO 6892-1：2019仍然存在2009版和2016版標準中存在的兩個問題，分別為給方法B貼上“應力速率控制的試驗速率”標簽和依據不真實的試驗條件得到的數據而推薦應變控制方法和方法A。

建議恢復GB/T 228.1—2010草案中的方法C，既可以避免方法B試驗結果再現性差的缺點，又可以克服方法A測量結果顯著偏低、效率低、可行性差的缺點。同時，把方法B的標簽由“應力速率控制的試驗速率”改為“傳統方法”。

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