金屬材料力學及工藝性能試驗方法標準總述

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    摘要：介紹了金屬線材力學性能試驗方法《金屬材料室溫拉伸試驗方法》及金屬線材工藝性能實驗方法《金屬線材扭轉試驗方法》、《金屬材料 線材反復彎曲試驗方法》、《金屬材料線材纏繞試驗方法》等國家標準采用國際標準的現狀，并對修訂后標準主要技術內容及變化做簡要說明。
    
    金屬線材力學及工藝性能是考核鋼絲和鋼絲繩產品質量的主要性能指標，而與此有關的試驗方法標準則是鋼絲和鋼絲繩產品生產企業、用戶和第三方公正性質檢機構開展產品質量檢驗工作的重要依據。
    在全國鋼標準化技術委員會力學性能試驗方法分技術委員會的領導下，近幾年有計劃地進行了與金屬線材有關的金屬線材拉伸、扭轉、反復彎曲和纏繞試驗方法標準的制修訂工作，這些標準在制修訂過程中始終堅持貫徹了積極采用等同或等效國際標準的原則，這為我國鋼絲、鋼絲繩生產企業參與國際競爭、產品出口以及檢驗數據的互認均打下了良好的基礎。為使廣大生產企業和用戶了解并執行新的國家標準，在此就有關制修訂前后變化做簡要綜述。
    1、金屬線材力學性能試驗方法標準
    目前，我國金屬拉伸試驗方面的標準很多，其中GB/T228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》是金屬制品行業應用最廣泛，也是最重要的一個試驗方法。GB/T228-2010等效采用ISO6892：1998《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，不但主要技術內容、要求和規定采用國際標準，而且相關術語、性能名稱、符號也采用國際標準，對于國際標準中缺乏具體明確的內容，又結合國內經驗和技術做了進一步細化。本標準是在合并下列3個標準的基礎上修訂的：GB/T228-1987《金屬拉伸試驗方法》、GB/T3076-1982《金屬薄板（帶）拉伸試驗方法》、GB/T6397-1986《金屬拉伸試驗試樣》。修訂后的標準主要技術內容有如下變化。
    1.1引用標準
    為了增加標準之間的協調統一，新標準增加了“引用標準”這一部分內容，所引用的6個國家標準中除GB/T8170-1987外，其余均是等同或等效采用國際標準，國際標準中無數值修約方面的要求，但本標準規定要對試驗結果進行修約，所以引入了相應的數值修約方法標準GB/T8170-1987。
    1.2定義及符號
    為了能與國際通用性接軌，新標準所用相關術語和性能的定義全部采用了ISO6892：1998（E）的規定，這些定義與GB/T228-1997雖無本質的區別，但還是有所不同，特別需要注意的是“伸長”與“延伸”這兩個術語；在新標準中規定拉伸試驗時引伸儀標距上的伸長為“延伸”，試樣標距上的伸長稱為“伸長”；在性能名稱上，原標準中的“屈服點”和“規定非比例伸長應力”、“規定總伸長應力”、“規定殘余伸長應力”中的“應力”均用術語“強度”代替，例如：GB/T228-1987“規定非比例伸長應力”在新標準中改為“規定非比例延伸強度”；另外又增加了“斷裂總伸長率”及“最大力”的定義；相比原標準，新標準定義的內容更加全面。
    新標準中代表性能的符號與原3個拉伸標準也絕大部分不同，如“應力”和“強度”的主符號用“R”取代了“σ”；“伸長率”主符號用“A”取代了“δ”；“斷面收縮率”主符號用“Z”取代了“Ψ”；另外，使用新標準時還應注意斷后伸長率表示符號的變化，新標準中符號“A”僅表示比例系數K=5.65時測得的伸長率，其它比例系數或定標距的試樣，均用下腳注說明。如A11.3表示比例系數為11.3的斷后伸長率；A100表示原始標距為100mm的斷后伸長率；由于這方面變動很大，使用者在使用新標準時應加以注意。
    1.3試樣
    新標準適用于厚度≥0.1mm的板、棒、型、管等金屬材料拉伸性能的測定，對于金屬箔、毛細管、超細絲原則上不包括，但經協議也可參照此標準進行試驗。拉伸試樣的形狀尺寸、分類及制備重新做了調整，在盡量一慚際標準相對應的原則下，保留了國內實用的規定。試樣標距類型在新標準中仍分為比例標距與比例標距兩種，并且規定比例標距不得小于15mm，原標準中規定不得小于25mm；要計算試樣標距，首先應確定比例系數，新標準規定應盡可能采用比例系數為5.65這一系數值，除非最小比例標距的要求不滿足，可以采用較高的值（優先采用11.3的值）或采用比例試樣；非比例標距一般取50mm,100mm或200mm，具體應由相關產品標準規定，線材試樣一般取100mm或200mm的固定標距；對于比例標距，應將原始標距的計算值修約至最接近5的倍數，中間數值向較大一方修約，原始標距的準確度要求為±1%。
    1.4原始橫截面積的測定
    國際標準對橫截面積測量準確度做了規定，對測量的方法和測量的部件等規定不詳細，新標準在采用國際標準時保留了原標準中對這些內容的規定；新標準中增加了橫截面積測量準確度的要求，只要能保證標準規定的準確度要求，不管采和何種類型的量具或儀器都允許；但規定了量具或測量裝置分辨率要求；原始橫截面積計算值至少保留4位有效數字；π值至少取4位有效數字。
    1.5試驗設備的準確度要求及試驗要求
    新標準中規定試驗機準確度應為1級或優于1級；除測定抗拉強度、斷后伸長率等具有較大延伸的性能時，引伸儀準確度不低于2級，測定其它性能時，引伸儀準確度不低于1級。
    新標準在試驗速率方面采用國際標準的規定，與原標準相比變動較大，應力速率上下限比原規定均提高了2倍，這樣調整的原因一方面是避開性能規定的應力速率適用于測定上屈服強度和規定強度的試驗速度。對于抗拉強度測定要求應變速率不超過0.008/s，即相當于夾頭分離速率0.48Le/min；對于不具有應力速率或應變速率控制的試驗機，可調節夾頭分離速率使其等效于規定的應力速率，不改變試驗機的控制直至測定完成。
    1.6拉伸性能的測定
    本標準共定義了12種可測拉伸性能，金屬線材常用的性能有：斷后伸長率（A）、斷裂總伸長率（At）、上屈服強度（ReH）、下屈服強度（ReL）、規定非比例延伸強度（RP）、抗拉強度（Rm）、規定總延伸強度（Rt）和斷面收縮率（Z）。
    1.6.1斷后伸長率（A）與斷裂總伸長率（At）測定
    斷后伸長率的測量一般采用人工的方法，由于拉伸自動化測試系統或裝置的普遍使用，新標準中規定允許采用自動測試系統或裝置測量斷后伸長率。
    斷裂總伸長率的測定使用圖解方法，包括自動測試方法。使用時應注意：引伸儀標距應等于原始標距；斷裂位置在引伸儀標距以內方為有效，但斷裂伸長率大于或等于規定值，不管斷裂位置處于何處均為有效；如以斷裂時的總延伸做為伸長的測量，應扣除彈性伸長部分；用自動方法測量時，可以不在試樣上標記原始標距，但標記出原始標距也仍有用途，一量測試系統出故障，還可人工測定其斷后伸長。
    對一些低延伸材料，如伸長率小于5%的材料，其斷后伸長率用通常的方法很難測到，建議使用新標準在提示的附錄中提供的測量方法，另外也可采用標準中規定的引伸計方法。
    1.6.2上、下屈服強度（ReH、ReL）的測定
    新桌標準中測定此性能的方法不變，可采用圖解方法（包括自動方法）或指針方法，促裁試驗時采用圖解法。新標準中只定義了上屈服強度與下屈服強度兩個性能，未單獨定義“屈服點”這一性能，而是將它劃入了下屈服強度。當材料呈現明顯屈服現象時應區分上下屈服強度，相關產品應明確測定上屈服強度或下屈服強度或兩者，當無規定時，應測定上屈服強度和下屈服強度；當呈現單一屈服狀態時，應測量下屈服強度；當相關產品標準中規定要求測量屈服強度；當相當產品標準中規定要求測量屈服強度，但材料并不呈現明顯屈服狀態，遇此種情況，建議測定規定非比例延伸強度如Rp0.2，并注明“無明顯屈服”；如材料屈服期間力并無下降或保持恒定，而是緩慢增加，只要能分辨出增加，這種狀態應判為無明顯屈服狀態。
    1.6.3規定非比例延伸強度（RP）測定
    在測定方法上，原標準規定了5種方法：常規平行線法、滯后環方法、逐步逼年法、逐級施力方法、夾頭位移方法，新標準刪去了逐級施力方法，原因是此方法效率低，試驗時需要兩三個人配合；由于自動化測量裝置的普及，新標準明確規定可采用自動系統或裝置進行測定。測定時應注意不管在達到規定非比例延伸強度之前是否有高于它的應力出現，均以規定非比例延伸對應的力為規定非比例延伸力。
    1.6.4抗拉強度（Rm）的規定
    抗拉強度是幾乎所有金屬材料必測的性能，新標準規定了兩種測量方法，即圖解方法（包括自動方法）和指針方法。新標準中抗拉強度的定義與原標準有所不同，原標準定義為拉斷過程中最大力對應的應力；本標準定義為試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力所對應的應力；按照本標準，具有明顯屈服現象的金屬材料，抗拉強度取塑性變形強化階段的最高應力，也即屈服階段之后的最大力；無明顯屈服現象的材料，則取試驗過程中最高應力。
    1.6.5規定總延伸強度（Rt）的測定
    標準老人家要用圖解的方法測定Rt，也可使用自動系統或裝置直接進行測量。日常測量中也用人工的方法，兩個配合，從引伸儀讀取達到相應總延伸的力并計算出結果，仲裁試驗時則應采用圖解法。
    1.6.6斷面收縮率（Z）的測定
    斷面收縮率是金屬材料重要的延伸性能，但由于試樣拉斷時形成的最小橫截面積形狀復雜和多樣性，因而標準中僅規定了圓形和矩形試樣的斷面收縮率測量方法，其它形狀的試樣一般不測定此性能。
    1.7測定結果數值的修約及準確度
    為避免在貿易中引起不必要的麻煩和爭議，對測定結果數值按一定的規則進行修約是十分必要的，國際標準中沒有數值修約方面的規定，僅規定斷后伸長率的修約間隔為0.5%，新標準在采用國際標準的同時又保留了原標準中這方面的規定，要求對數值進行修約。規定斷后伸長率全范圍按0.5%的間隔修約,不再分檔；斷面收縮率與斷后伸長率同為延伸性能，兩者的測量準確度差別不是很大，所以斷面收縮率的修約也按斷后伸長率的規定處理，即全范圍按0.5%的間隔修約；強度性能的修約保留了原規定。
    新標準增加了拉伸試驗結果準確度的闡述方面的內容，并在提示的附錄中對本節內容做了說明，對進一步了解拉伸試驗方法的測量不確定度及評定方法十分有用。
    2、金屬線材工藝性能試驗標準
    我國金屬線材工藝性能試驗方法有扭轉試驗、反復彎曲試驗和纏繞試驗3種方法。這3種工藝性能試驗方法也是金屬制品行業產品檢驗中比較重要、應用比較廣泛的標準。
    2.1GB/T239-1999《金屬線材扭轉試驗方法》
    《金屬線材扭轉試驗方法》是在GB/T239-1984的基礎上修訂的，修訂時等效采用了ISO7800：1984《線材單向扭轉試驗方法》與ISO9649：1990《線材反復扭轉試驗方法》，修訂后其主要內容有如下變化。
    2.1.1尺寸適用范圍
    新標準適用范圍為0.3-10mm，增加了下限，這既與國際標準及大多數國外先進標準一致，又與我國大多數產品標準配套。取消了直徑小于0.3mm線材的標距一律為50mm的規定，其余不變。試樣標距是扭轉試驗中的關鍵參數，所以試樣標距一定要準確，但實際上由于材持販不均勻性，所以最好不用替代的標距長度。扭轉方式分為單向、交變及二重3種。
    2.1.2試驗儀器
    試驗期間，試樣與兩夾頭軸線應重合，否則會導致試樣承受彎曲力或錐形繞動而影響試驗的準性，由于目前扭轉機均沒有配備測定扭轉速度的裝置，故新標準取消了這一規定。
    2.1.3扭轉拉緊力
    試驗時對試樣施加拉緊力的目的是為了使試樣保持平直，只要試樣保持平直，其拉緊力對試驗結果影響不大，為便于實際操作，標準規定施加的拉緊力不大于公樂抗拉強度相應力值的2%，在處理質量異議或仲裁檢驗時建議取2%。
    2.1.4扭轉速度
    新標準中將最大扭轉速度修訂為扭轉速度，規定鋼絲的扭轉速度分為180，60，30r/min3種，速度允差為±10%。扭轉速度是線材扭轉試驗的重要參數，扭轉速度過高，試樣變熱，其內部變形速度加快，扭轉次數降低，如對φ0.70mm的鋼絲，采用180r/min與60r/min兩個轉速分別做一定數量的試樣，扭轉值相差約6.6%，所以試驗時一定要正確選擇試驗速度，避免影響試驗結果。
    2.1.5扭轉鉗口
    扭轉鉗口應保證既能夾緊試樣又不損傷試樣，因此扭轉鉗口應有足夠的硬度，扭轉鉗，口分平鉗口及齒形鉗口兩種，小規格試樣宜選取平鉗口。
    2.1.6表面及缺陷的判定
    扭轉試驗是一種工藝性能試驗，通過扭轉次數可考核試樣抵抗塑性變形的能力，通過斷口形狀及變形的不均勻性可反映出金屬表面和內部缺陷，為便于試驗人員感官準確判定，標準中增加了斷口形狀和缺陷的典型分類及描述。
    2.2GB/T238-2002《金屬材料 線材反復彎曲試驗方法》
    《金屬材料 線材反復彎曲試驗方法》是在GB/T238-1984的基礎上修訂的，根據國家標準制修“雙采”精神和入世后與國際接軌的需要，本次修訂等同采用國際標準ISO7801：1984，新標準取消了試樣取樣部位及試樣長度的要求，對彎曲圓柱和夾持面的硬度及粗糙度不再做規定，另外對標準的內容進行了部分調整。
    2.3GB/T2976-200X《金屬材料 線材纏繞試驗方法》
    《金屬材料 線材纏繞試驗方法》該標準是在GB/T2976-1988的基礎上修訂的，修訂時等同采用國際標準ISO7802-1983，其技術要求和編寫格式與國際標準完全相同，修訂后其主要內容變化如下。
    2.3.1標準名稱
    GB/T2976-1988標準名稱為《金屬線材纏繞試驗方法》，本標準按照國際標準的名稱改為《金屬材料線材 纏繞試驗方法》。
    2.3.2適用范圍
    新修訂標準規定試樣的尺寸范圍為0.1-10mm，尺寸范圍增加了下限的規定，這樣既與國際標準及大多數國外先進標準一致，又能與我國大多數產品標準配套，其中直徑一般指圓形線材公稱直徑，厚度一般批矩形、梯形、六角形等異形線材的公稱厚度，此標準既適用于圓形線材，也明確規定適用于異型線材。新修訂標準只適用于測定線材隨塑性變型的能力，對于鍍層牢固性試驗也可按此標準進行，但試驗結果的判定應按相關產品標準要求進行。
   鑒于等同采用國際標準，本標準取消了試驗方式、試樣兩個章節，相關產品標準對采用何種方式進行纏繞有明確規定，對試樣也有相關要求，因此取消此規定不影響該標準使用。新修訂標準中對試驗機沒有具體要求，僅僅對滿足試驗要求做出規定；取消了試驗速度、纏繞試驗芯棒直徑允差、芯棒硬度、表面粗糙度及施加張力的裝置的規定。
    2.3.3試驗程序
    新修訂標準規定“為確保纏繞緊密，纏繞時可在試樣自由端施加不大于線材公稱抗拉強度相應力值5%的拉緊力”，只規定了拉緊力極限值，對是否加拉緊力不再做強制性要求，但必須纏繞緊密；取消了纏繞圈數的規定；對解圈末端做出了規定，要求至少保留一個纏繞圈，與產品標準也保持一致。
    試驗結果的判定要求一般有產品標準規定，新修訂標準對試驗結果的判定不再做詳細的規定，只提出按相關標準的規定執行。