金属材料室温拉伸试验方法标准ISO 2019版中的问题和GB/T 2010版的修订建议

2021-05-12 14:42:19 作者：李和平来源：理化检验物理分册分享至：

2017年5月，测试与评估杂志（Journal of Testing and Evaluation）发表了3篇关于ISO 6892-1：2009 Metallic Materials—Tensile Testing—Part 1: Method of Test At Room Temperature的文章。其中文献[1]根据21个试验室验证试验的结果指出ISO 6892-1：2009推荐方法A的依据条件是不成立的，TENSTAND WP4报告的试验条件是不真实的，标准中附录F的刚度修正公式的推导用了胡克定律。文献[2]作者虽然承认采用正确应力速率的横梁控制方法与应变控制方法的测量结果一致（否定了该文献作者自己在TENSTAND WP4报告的结论），但依然解读方法B是保证弹性段应力速率符合规定应力速率要求的横梁控制方法。同时指出0.00083s-1应力速率的横梁控制方法会造成屈服强度的测量结果偏高。文献[3]指出ISO 6892-1：2009起草人解读的方法B与21个试验室验证的方法5是相同的，是导致ISO 6892-1：2009存在争议的主要原因，并根据已公开的图39的原始数据文件计算证明该标准的起草人不是采用报告的横梁速率1.8 mm·min-1，而是将横梁速率乘以了2.9（刚度修正系数），实际采用的横梁速率为5.2mm·min-1。

为完善GB/T 228.1标准，对金属材料室温拉伸试验方法标准ISO 6892：2019中存在的问题进行了分析，并对GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》提出了几点修订建议。

ISO 6892-1：2019中方法B的标题应是“传统方法”而不是“应力速率控制的试验速率”

ISO 6892-1：2019中的方法B出自于ISO 6892：1998，该拉伸试验方法需要兼顾不同类型的拉伸试验机，包括没有反馈控制功能的液压拉伸机（适用于GB/T 228.1—2010中的10.4.2.1及表3）和有反馈控制功能的各种拉伸试验机（适用于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的规定很明显是横梁位移控制方法而不是应力速率控制方法；GB/T 228.1—2010中的10.4.2.1及表3虽然是应力速率控制方法，但显然不是ISO 6892-1：2019主要起草人解读的弹性段应力速率控制方法，也不是GB/T 228.1—2010宣贯时解读的实时应力速率控制方法（ASTM A370：1997在二十多年前就已经注明有反馈控制功能的拉伸试验机不能采用应力速率控制方法），因此应力速率控制方法是参考文献[4]解读的平均应力速率控制方法。目前有反馈控制功能的拉伸试验机是主流，因此方法B的标题应是“传统方法”，而不应是“应力速率控制的试验速率”。

ISO 6892-1：2019的主要起草人把方法B解读为弹性段应力速率控制方法，实际控制方法却是横梁位移控制方法，控制的横梁速率使弹性段的应力速率接近于想要的设定值，参考文献[5]中的图9、参考文献[6]中的图39和图10、参考文献[1]和[7]报告的方法5及参考文献[4]报告的某试验机公司为GB/T 228.1—2010最后一次审定会代表进行演示试验时采用的都是刚度修正方法，具体做法是采用名义应力速率除以试样的弹性模量，得到名义应变速率，用名义应变速率乘以试样平行长度及60s·min-1和拉伸试验机的刚度修正系数（每台拉伸试验机刚度修正系数不同，通常大于2），得到要设定的横梁位移速率。该方法显然是一种横梁位移控制方法而不是应力速率控制方法，因此称方法B为“应力速率控制”是不合理的。采用该刚度修正的方法解读方法B，虽然可以在速率不影响测量结果的弹性段保持应力速率接近名义应力速率，但是在速率影响测量结果的屈服段，应力速率迅速降低到名义应力速率的几十分之一，与拉伸速率应保证要测量的“感兴趣点”（屈服强度）速率准确的原则不符。因为拉伸试验机的实际横梁速率比名义应变速率大若干倍，而且不同的拉伸试验机横梁速率比名义应变速率大的倍数不同，在不影响测量结果的弹性段修正了速率，而在真正影响测量结果的屈服阶段修错了速率，导致采用刚度修正的横梁速率控制方法测量的屈服强度比应变控制方法测量的高，且不同刚度的拉伸试验机测量结果差异大。

参考文献[8]中第六章第三节中将方法B解读为另一种横梁位移控制方法，其横梁位移速率按照该文献中的公式（6-26）计算，具体做法是采用名义应力速率除以试样的弹性模量，得到名义应变速率，用名义应变速率乘以试样平行长度和60s·min-1得到要设定的横梁位移速率。该方法也是一种横梁位移控制方法而不是“应力速率控制”方法，所以不应该给方法B贴上“应力速率控制的试验速率”标签。这样解读方法B导致在整个拉伸过程中没有任何阶段的应力速率接近名义应力速率，弹性段应力速率只有名义应力速率的几分之一甚至更低，屈服段应力速率至多只有名义应力速率的几十分之一，且该解读在标准中找不到任何条款作为依据。

ISO 6982-1：2019应推荐横梁位移控制方法而不是应变控制方法

2009版、2016版和2019版ISO 6892-1都推荐采用应变控制方法，但是根据文献[1,6,9-10]可以判断，这样推荐的理由是不真实的。参考文献[5]和参考文献[6]都报告采用横梁位移控制方法的测量结果与采用应变控制方法的不一致，横梁位移控制方法的测量结果偏高，且横梁位移控制方法的测量结果可比性差，刚度差的拉伸试验机测量屈服强度的结果比刚度好的拉伸试验机测量的高。参考文献[9]和参考文献[1]证实了参考文献[5]和参考文献[6]报告的横梁位移控制方法的缺点是不真实的。另外，参考文献[9]和[1]通过重现试验和模拟试验，不仅发现了参考文献[6]提到的横梁位移控制方法的缺点是错误的，而且查明了导致该错误结论的原因是参考文献[6]报告的试验条件不真实，报告横梁位移速率为名义应变速率乘以试样平行长度，而实际上采用的横梁位移速率是名义应变速率乘以试样平行长度后再乘以拉伸试验机的刚度修正系数（刚度好的拉伸试验机刚度修正系数为2.9，刚度差的拉伸试验机刚度修正系数达到14），导致实际的横梁位移速率比报告的位移速率大几倍到十几倍。

参考文献[5]和参考文献[6]的作者在参考文献[2]中也承认采用正确的横梁位移速率测量的屈服强度与应变控制方法测量的一致，可以认为该几位作者间接承认了参考文献[5]和参考文献[6]报告的横梁位移控制方法和应变控制方法测量结果不一致是因为采用的位移速率不正确。

因此推荐的控制方法应是横梁位移控制方法而不是应变控制方法，因为横梁位移控制方法既适用于连续屈服材料也适用于不连续屈服材料，应变控制方法仅适用于连续屈服材料不适用于不连续屈服材料，而待测试样是连续屈服还是不连续屈服并不是测量前能确定的。

2016版和2019版ISO 6892-1都在2009版方法A基础上增加了方法A2，增加A2是希望克服方法A缺乏可操作性的缺点，但是增加A2却显示出推荐方法A的应变控制方法是不合理的，因为方法A2是不进行刚度修正的横梁位移控制方法，在弹性段的应变速率不足方法A的一半，在测量屈服段时的实际应变速率不够名义速率的80%，方法A2显然不符合2009版ISO 6892-1对方法A的要求，而且方法A2是传统方法的下限速率，测量结果明显偏低（根据参考文献[1]和参考文献[9]中21个试验室平行试验数据及参考文献[5]的图9可以看出测量结果偏低）。增加方法A2实际上是对推荐应变控制方法的否定，且在增加方法A2的同时强调推荐应变控制方法也显示出逻辑混乱。

对于GB/T 228.1—2010的修订建议

参考文献[10]对拉伸试验方法标准涉及的一系列争议问题进行了分析论证后对GB/T 228.1提出的具体修订建议主要有：（1）把方法B的标题由“应力速率控制的试验速率”改为“传统方法”；（2）删除关于推荐应变控制和方法A的内容；（3）在标准中增加方法C并作为有反馈控制功能拉伸试验机的推荐使用方法。

前文对方法B的标题和应变控制方法的问题已进行了分析，下文对增加并推荐方法C的理由进一步论述。

在GB/T 228.1—2010最后一次审定会之前，其标准草案中有方法C。方法C是采用5%Lc·min-1（Lc为哑铃型试样的平行长度）速率的横梁位移控制方法，对应的名义应变速率为0.00083s-1，该方法采用了方法B速率范围内中间略微偏下的横梁速率，同时可以满足ISO 6892-1和ASTM A370对拉伸速率的要求。方法C是采用一个约定的速率代替方法B规定的很宽的速率范围，发挥了有反馈控制功能的拉伸试验机可以准确控制拉伸速率的优势，既克服了方法B速率范围宽造成选用不同速率的测量结果可能不一致的缺点，保证了其测量结果与传统方法B的基本一致。又因为方法C是不进行刚度修正的横梁位移控制方法，便于操作，也克服了方法A应变控制方法难以实施和测量结果比传统方法B的显著偏低的缺点。

某试验机公司为GB/T 228.1—2010审定会代表进行演示试验时的试验结果显示，采用60MPa·s-1应力速率测量的屈服强度（138.5MPa）低于采用方法C的测量结果（140.9MPa），于是得出方法C的速率超出了标准上限，即不符合标准的结论，因此主要起草人删除了方法C。

审定会后笔者在参考文献[4]中分析了演示试验的原始数据文件并公开发表了分析结果，发现60MPa·s-1应力速率的拉伸过程不是采用应力反馈控制方法，而是采用横梁位移控制方法，横梁应变速率为0.00062s-1，远远没有达到方法B横梁应变速率的上限0.0025s-1。采用该方法得到的拉伸曲线在弹性段的应力速率约为56MPa·s-1，而在测量屈服段时的应力速率仅有约2MPa·s-1。该方法是刚度修正方法，《理化检验-物理分册》编辑部2012年组织21个试验室验证试验的方法5同样是该种刚度修正方法。指导GB/T 228.1—2010审定会演示试验的专家在参考文献[2]中指出了方法5是完全误导的方法，但演示试验的专家正是用这种完全误导的方法误导了我国标准的审定会代表，删除了方法C。

21个试验室验证试验结果表明，方法C（21个试验室验证试验的方法1）的测量结果恰好在方法B下限速率（验证试验的方法2）和方法B上限速率（验证试验的方法3）的测量结果之间，参考文献[1]中21个试验室验证试验5种方法得到屈服强度测量结果的平均值和标准偏差如图1所示，可知方法C不会超出方法B上限速率的测量结果。图1中M1为方法C的测量结果；M2为方法B下限速率的测量结果；M3为方法B上限速率的测量结果；M4为方法A的测量结果；M5为21台拉伸试验机不分刚度修正系数的测量结果；M5（k<5）是14台刚度修正系数k小于5的拉伸试验机的测量结果；M5（k>5）是7台刚度修正系数大于5的拉伸试验机的测量结果。参考文献[2]指出方法C的测量结果会超出方法B上限速率的测量结果依据的是刚度修正方法，该文献作者也指出该方法是误导性的方法，根据完全误导性的方法得到的结果是不可信的。另外，参考文献[11]也指出方法C的测量结果会超出方法B上限速率的测量结果，判断其依据的除最后一次审定会前演示试验的刚度修正方法的数据之外，可能还有参考文献[8]中图6-8的高刚度夹具屈服强度的测量结果，此测量结果是根据该参考文献解读的方法B测量得到的，而该解读方法在标准中找不到依据，因此同样不可信。根据21个试验室的验证试验结果可知，方法C的测量结果不仅不会超出方法B上限速率的测量结果，而且恰好在方法B下限速率的测量结果和上限速率的测量结果之间。而21个试验室的验证试验是由持不同观点的试验室共同参与的，且每个试验室除提供测量结果之外还提供原始数据文件，各个试验室的测量结果与原始数据文件经分析验证后确认无误。

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图1 21个试验室验证试验采用不同方法测量

屈服强度结果的平均值和标准偏差

方法C为横梁位移控制方法，不仅适用于连续屈服材料还适用于不连续屈服材料，不需要在试验之前猜测试样是连续屈服还是不连续屈服，因此是安全可行的试验方法。方法C的速率为方法B的中间偏下的一个推荐值，克服了方法B范围宽造成的测量结果不一致的问题，应推荐该试验方法。

分析与讨论

传统的方法B是在拉伸试验机还没有反馈控制功能时候形成的，没有反馈功能的拉伸试验机很难精确控制拉伸速率，所以规定的速率范围很宽，上限是下限速率的10倍，这样虽然满足了标准可执行性的要求，但是也造成了采用不同速率的测量结果存在偏差的缺点。目前有反馈控制功能的拉伸试验机已成为主流，因为有反馈控制功能的拉伸试验机可以精确控制速率。因此，在标准中增加方法C，可以在不增加试验成本且不降低试验效率的前提下发挥有反馈控制功能拉伸试验机的优点，改善试验结果的再现性，这显然是合理的选择，也是在制定GB/T 228.1—2010时大多数代表的要求，建议在GB/T 228.1新版标准中增加曾被删除的方法C。

理论和实际试验结果都证明弹性段速率不会影响测量结果，屈服段的速率才会影响测量结果。因此，对于有反馈控制功能的拉伸试验机应按照GB/T 228.1—2010中的10.4.2.2~10.4.2.4控制横梁速率比较合理。GB/T 228.1—2010中10.4.2.1把方法B解读为实时应力控制方法或弹性段应力控制方法都是不合理的，且把方法B解读为名义应力速率除以弹性模量作为名义应变速率的横梁控制方法在该标准中找不到任何条款作为依据。因此，GB/T 228.1—2010中10.4.2.1和表3的规定仅适用于没有反馈控制功能的液压试验机，且方法B的标签应是“传统方法”而不应是“应力速率控制的试验速率”。

ISO 6892-1：2019主要起草人发表的报告和文章中关于横梁位移控制方法和方法B的数据图表主要是采用刚度修正方法得到的；GB/T 228.1—2010主要起草人2014年之前发表的文献[8]中所说的刚度修正或柔度修正也是采用弹性段刚度系数修正的方法；21个试验室验证试验的方法5同样采用了弹性段刚度系数修正方法，这种方法得到的结果与ISO 6892-1：2019标准主要起草人发表的报告和文章中的数据和图形一致。新标准中增加的A2方法及“采用不进行刚度修正的横梁位移方法，应变控制方法和横梁位移控制方法测量的拉伸试验结果一致”的新共识都表明刚度修正方法是误导性的方法。采用不进行刚度修正的方法，横梁位移控制方法与应变控制方法的测量结果是一致的。应变控制方法仅适用于连续屈服试样而不适用于不连续屈服试样，可是在试验前一般不能确定试样是连续屈服还是不连续屈服；而横梁位移控制方法既适用于连续屈服试样也适用于不连续屈服试样。所以，拉伸试验标准推荐的应是横梁位移控制方法而不是应变控制方法。

GB/T 228.1—2010中方法A的0.00025s-1速率是传统方法（方法B）的下限速率，0.00007s-1则完全不在传统方法的速率范围内，所以方法A的测量结果会显著低于传统方法，与历史数据不一致，会给数据的使用者造成误导；而方法C的速率在方法B范围内的中间偏下位置，测量结果在方法B上限速率和下限速率的测量结果之间，与历史数据基本一致。因此，标准中应推荐采用横梁位移控制的方法C，而不是应变控制的方法A。

结论

ISO 6892-1：2019仍然存在2009版和2016版标准中存在的两个问题，分别为给方法B贴上“应力速率控制的试验速率”标签和依据不真实的试验条件得到的数据而推荐应变控制方法和方法A。

建议恢复GB/T 228.1—2010草案中的方法C，既可以避免方法B试验结果再现性差的缺点，又可以克服方法A测量结果显著偏低、效率低、可行性差的缺点。同时，把方法B的标签由“应力速率控制的试验速率”改为“传统方法”。

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