ASTM E8/E8M-16ae1 标准内容的主要变化解析

孙 宏

（渤海石油装备华油钢管公司， 河北 青县062658）

0 前 言

ASTM E8/E8M 《金属材料标准拉伸试验方法》 是国际上广泛应用的拉伸试验标准之一， 其最新版本为ASTM E8/E8M-16ae1[1]。 经过近几年的修订， 该标准发生了较大的变化， 特别是2015 年和2016 年。 2015 年6 月， 美国材料与试验协会 （ASTM） 将ASTM E8/E8M-15[2]修订为ASTM E8/E8M-15a[3]， 此次修订的变化比较大，主要对拉伸试验过程中与理想曲线偏离的几种情况进行了汇总， 增加了附件X5， 这些偏离情况在实验室拉伸试验过程中经常出现， 因此有必要针对这些情况进行探讨， 并与现有拉伸试验设备特别是拉伸试验软件进行对比分析。 2016 年9月， 美国材料与试验协会发布了ASTM E8/E8M-16[4]的修订版——ASTM E8/E8M-16a[5]， 此次修订后该标准也发生了较大变化， 而最新的ASTM E8/E8M-16ae1 相对ASTM E8/E8M-16a 则仅做了编辑性修订， 本研究将针对具体条款分析目前的拉伸设备能力及应对措施。

1 ASTM E8/E8M-15a 主要变化内容及应对

1.1 对原标准中7.7 章节进行了修订

（1） 增加了 “注30”。 与没有屈服点伸长（YPE） 的材料相比， 屈服点伸长材料的屈服性能的重复性和复现性更差。 偏置法和负荷下伸长（EUL） 法测屈服强度可能会受到应力-应变曲线与偏移或延伸相交区域应力波动的严重影响， 如图1 所示。 虽然这些性能会受到试验机的刚度、校准及试验速度等变量的影响， 但是对于这些材料而言， 确定上、 下屈服强度 （或者两者都有）可能更好。 ASTM E8/E8M 中偏置法测得的屈服强度等同于GB/T 228 中的规定塑性延伸强度，负荷下伸长法测得的屈服强度等同于GB/T 228中的规定总延伸强度。 该注释的增加有助于理解屈服强度测量方法的选择。

图1 具有屈服点伸长材料的应力-应变曲线

（2） “注31” （原标准为“注30”） 中最后一行进行了更改， 由原来的“推荐使用平均型引伸计” 改为 “适宜使用平均型引伸计”。 为方便安装引伸计， 一般情况下采用单侧引伸计， 这对于对中较好的圆棒拉伸试样而言足以满足要求，但对于矩形试样（如管材类产品） 宜使用平均型引伸计， 即双引伸计。 该引伸计能够同时独立检测试样两侧的变形值， 最终变形值为两者的平均值。 使用平均应变消除了由于试样弯曲引起的误差， 也可以克服试样对中不好的问题， 可确定精确的弹性模量值。

（3） “注33” （原标准为“注32”） 中“在实际操作中， 由于各种原因， 应力-应变曲线直线段部分（图21 中直线oA） 可能不会通过原点o”之后的内容全部删除， 增加了附录X5 中给出非理想状态的实例， 同时给出了针对不同非理想状态下计算屈服强度的建议方法。

（4） 删除了“图22”， 对“图21” 进行了修订。 修订后的 “图21” 增加了垂直于应变轴的pq 线， 此处可以理解为 “图21” 与 “图22” 进行了合并。

（5） “7.7.2” 条款中负荷下伸长法测定屈服强度的方法 “采用自动或数字设备确定应力-应变数据， 然后分析这个数据来确定规定延伸下的应力值， 或者采用设备规定延伸下的应力， 从而确定应力值 （注34）” 改为 “分析应力-应变曲线确定规定延伸下的应力值， 或者采用设备规定延伸下的应力， 从而确定应力值”。

（6） “注34” 变更为“7.7.2.1” 条款， 此条款内容没有变化。 由于规定总延伸强度相比采用偏置法测定的屈服强度（也称为规定塑性延伸强度） 更容易实现， 特别是在采用诸如机械式引伸计等不具备绘制应力-应变曲线的条件下， 实践中可以将这两种方法进行对比以判断屈服强度测试结果的准确程度。

（7） “7.7.3” 条款由原来的 “自动图示法（对于不连续屈服材料） 获得应力-应变 （或者力-伸长） 数据， 或者采用自动设备建立一个应力-应变 （或者力-伸长） 曲线， 确定上下屈服强度” 变更为 “对于表现出不连续屈服的材料， 采用应力-应变 （或者力-伸长） 曲线确定上下屈服强度。”

“7.7.3.1” 条款中由原来的 “记录不连续屈服的首次最大应力为上屈服强度， 如图23 和24所示” 变更为“记录首次不连续屈服的最大力对应的应力为上屈服强度， 如图22 和23 所示， 如果从不连续屈服开始观察到多个峰值， 第一个被认为是上屈服强度（见图23）”。

另外， 删除了“注36” 和“注37”， 增加了7.7.3.3 “大应变数据需要测量可能会出现不连续屈服材料的屈服点伸长率， 可采用C 级引伸计。当试验完成后材料并没有表现出不连续屈服时，负荷下延伸屈服强度可以使用应力-应变曲线（见负荷下延伸法） 确定”。

1.2 增加了附件X5

（1） 在许多情况下， 应力-应变曲线偏离“图21” 所示的理想行为。 采用偏置法 （7.7.1）或负荷下伸长法（7.7.2） 计算屈服强度时， 应对这些偏差进行适当的分析。

（2） “图X5.1” 为理想状态下的应力-应变曲线和5 种偏离理想状态的曲线。 本附录提出了当偏离出现时偏置法和负荷下延伸法计算屈服强度的方法。

（3） “图X5.1a” （本文中图2） 为理想状态曲线， 直线OA 与应力-应变曲线的直线部分重叠，o 点与原点重合。 对于偏置法， mn 平行于oA， 与应变轴相交的距离为x； 对于负荷下延伸法， pq 垂直于应变轴， 与oA 线和应变轴交点距离为y。

图2 理想状态下的应力-应变曲线

（4） “图X5.1b” （本文中图3） 为当引伸计夹持到试样上后， 产生一个负的应变值的情况。 该情况比较常见， 一般情况下， 目前常用的拉伸测试程序可以自动计算出真实原点o′， 然后根据o′m 或o′p 计算出正确强度值， 但需要注意负应变值不应过大而超过弹性段起点。 如果不能通过拉伸测试程序自动计算， 就需要人工判断曲线是否正确， 并采用人工方法按照图3进行修正。

图3 偏离理想状态下的应力-应变曲线一

（5） “图X5.1c” （本文中图4） 为引伸计夹持到试样上， 加载一定力后有滑动的情况。 这种情况可能是引伸计夹持稳固造成的， 应力-应变曲线的真实原点o′位于原o 点的右侧。 对于打滑不大的情况， 即不超过程序设定的弹性段起点， 目前常用的测试程序可以自动找到真实原点o′， 并得出正确结果， 但需要注意试验程序的修正是否正确， 负应变值不应过大而超过弹性段起点， 这也可以通过平行线判断结果是否正确。 如果试验程序的修正不正确， 则需要人工计算修正， 或者认定无效重新进行试验。

图4 偏离理想状态下的应力-应变曲线二

（6） “图X5.1d” （本文中图5） 为由于试样不同轴或者存在残余应力， 当加载一定力后试样矫直的情况。 当应变的偏离不大的情况下， 测试程序可以自动找到真实原点o′， 并得出正确结果， 但需要注意测试程序的修正是否正确， 负应变值不应过大而超过弹性段起点， 这也可以通过平行线判断结果是否正确。 如果试验程序的修正不正确， 则需要人工调整弹性段的起点和终点来重新计算修正。 如果非弹性段过长， 人工计算仍然不能修正， 则认定无效重新进行试验。

图5 偏离理想状态下的应力-应变曲线三

（7） “图X5.1e” （本文中图6） 为当加载一定力后， 试样滑动干扰引伸计的情况。 对于打滑不大的情况， 即不超过程序设定的弹性段起点， 测试程序可以自动找到真实原点， 并得出正确结果， 但需要注意试验程序的修正是否正确。如果试验程序的修正不正确， 则需要人工计算修正， 或者认定无效重新进行试验。 试验完成后，应及时分析试样打滑的原因， 并消除打滑现象。

图6 偏离理想状态下的应力-应变曲线四

（8） “图X5.1f” （本文中图7） 为试样弯曲或者卷曲的情况。 对于弯曲程度不大的情况，即不超过程序设定的弹性段起点， 测试程序可以自动找到真实原点o′， 并计算出正确结果， 但需要注意试验程序的修正是否正确， 负应变值不应过大而超过弹性段起点， 这也可以通过平行线判断结果是否正确。 如果试验程序的修正不正确， 则需要人工计算修正， 或者认定无效重新进行试验。

图7 偏离理想状态下的应力-应变曲线五

（9） “图X5.9” 在以上五种非理想状态下，应力-应变曲线的直线段部分不再处于原点o 处，取而代之的， 直线o′A 交于应变轴的o′点， 偏置法中， 直线mn 平行于直线o′A， 距离o′点为x； 负荷下延伸法中， 直线pq 线垂直于应变轴，与o′距离为y。

ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5” 给出了理想状态及五种非理想状态的应力-应变曲线， 这些非理想状态曲线反映了实际拉伸试验过程中时常遇见的几种异常情况。 对于这些情况的识别及正确处理对于获得准确的试验结果非常重要。 需要指出的是， 以上五种非理想状态的应力-应变曲线具有明显的弹性段， 但是， 对于各种原因造成的弹性段不明显的应力-应变曲线，修正时应谨慎对待。

除了ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5”规定的这五种情况， 钢管产品的管体横向拉伸试样、 取自热轧板卷的拉伸试样（试样方向与轧制方向不垂直时）， 由于其弯曲状态而无法直接进行试验， 应压平后再可进行试验。 由于钢管制造过程中的包申格效应和加工硬化的综合影响， 管体横向试样的拉伸试验曲线常常呈现连续屈服现象， 没有屈服平台。 采用板状试样时， 试样的压平程度或弯曲度会造成拉伸试验曲线的失真， 试验结果偏差较大， 特别是Rt0.5分散度大， 而圆棒试样及管体纵向试样则较少出现这种情况。 因此， 对横向板状试样应尽可能按标准把试样的不平度减到最小， 并且把试样加工尽可能光滑、 平整， 特别是夹持部位， 以保证拉伸过程平稳[6]。有研究表明， 试验的压平程度或弯曲度不宜小于0.3 mm/50 mm[7]。

2 不同版本标准主要内容变化及应对

2.1 ASTM E8/E8M-16

与ASTM E8/E8M-15a 相比， ASTM E8/E8M-16 主要是更正了错误和编辑性修改： ①修订了“图9”， 变更了尺寸的标注方法， 更正了图中试样3 的缩减部分长度标注的错误； ②修订了“图15”，变更了尺寸的标注方法， 更正了图中试样的缩减部分长度标注的错误； ③修订了 “图17”， 更正了图中试样的缩减部分长度标注的错误； ④修订了 “图19”， 缩减部分长度从 “2 个半长度A”变更为“1 个长度A”。

2.2 ASTM E8/E8M-16a

相对上一版本， ASTM E8/E8M-16a 修订了条款 “2.1 与5.1”， 增加了新术语 “3.1.7、 7.6.2和“附注15”： ①修订了“2.1”， 增加了“ASTM E2658 材料试验机试验速度校验的标准操作规程”； ②修订了条款 “5.1”， 与条款 “2.1” 的修订相对应， 条款 “5.1” 的最后增加了 “当需要对试验机的速度进行校验时， 除另有规定外， 应采用标准操作规程ASTM E2658”； ③增加了条款 “7.6.2” 及其 “附注15”， 条款 “7.6.2” 中其他适用的规范可能需要校验试验机的试验速度。在这种情况下， 除非另有规定， 应当依据方法E2658 对试验机进行校验， 至少达到E 级。 “注15” 中某些材料/场合对试验速度相当敏感， 而另一些则不是。 在通用的拉伸试验中， 试验速度的显著变化常常是可以接受的。 这3 处修订均涉及ASTM E2658， 相关规范需要对试验机的试验速度进行校验时， 应对万能材料试验机的速度进行校验或校准， 以符合标准要求， 校验方法采用ASTM E2658。 由于在实际工作中， 可能事先不知道所试验材料的试验速度敏感性， 因此建议对万能材料试验机的速度进行校验或校准。

另外， 新版条款“4.4.3” 术语部分增加了新术语， 即条款“3.1.7” 缩减平行部分， 并在本试验方法所有章节中采用 “缩减平行部分” 代替“缩减部分”。 该变更不影响标准的正常使用。

2.3 ASTM E8/E8M-16ae1

与ASTM E8/E8M-16a 相比， ASTM E8/E8M-16ae1 仅做了一处编辑性修正。 修订了条款“9.1精密度”。 具体为： 将 “CV%R=实验室间重复性偏差系数百分数” 中 “重复性” 替换为 “再现性”。 修改后， 术语变得更加准确。

3 结 论

（1） 从ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-16ae1， 该拉伸试验方法的技术内容发生了较大的变化， 同时也修订了部分编辑性错误， 在使用时予以注意。

（2） 特别地， 对于从ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-15a， 修订后的标准将在实际试验过程中可能会遇到的五种非理想状态试验进行了汇总， 并提出了要求， 对于拉伸试验实际操作有很大指导意义。

（3） ASTM E8/E8M-15 新增的五种非理想状态试验， 经过对标准进行技术分析后发现， 现有的设备及常用拉伸试验软件可以满足标准的要求。 如果拉伸试验软件不具备相关修正功能， 应先判定是否为正常拉伸过程， 否则应采取人工修正的方式进行修正。