李和平

(寶山鋼鐵股份有限公司 寶鋼分公司制造管理部檢測中心, 上海 200941)

2017年5月，測試與評估雜志(Journal of Testing and Evaluation)發(fā)表了3篇關(guān)于ISO 6892-1：2009MetallicMaterials—TensileTesting—Part1:MethodofTestAtRoomTemperature的文章[1-3]。其中文獻(xiàn)[1]根據(jù)21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果指出ISO 6892-1:2009推薦方法A的依據(jù)條件是不成立的，TENSTAND WP4報(bào)告的試驗(yàn)條件是不真實(shí)的，標(biāo)準(zhǔn)中附錄F的剛度修正公式的推導(dǎo)用了胡克定律。文獻(xiàn)[2]作者雖然承認(rèn)采用正確應(yīng)力速率的橫梁控制方法與應(yīng)變控制方法的測量結(jié)果一致(否定了該文獻(xiàn)作者自己在TENSTAND WP4報(bào)告的結(jié)論)，但依然解讀方法B是保證彈性段應(yīng)力速率符合規(guī)定應(yīng)力速率要求的橫梁控制方法。同時(shí)指出0.000 83 s-1應(yīng)力速率的橫梁控制方法會造成屈服強(qiáng)度的測量結(jié)果偏高。文獻(xiàn)[3]指出ISO 6892-1:2009起草人解讀的方法B與21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證的方法5是相同的，是導(dǎo)致ISO 6892-1:2009存在爭議的主要原因，并根據(jù)已公開的圖39的原始數(shù)據(jù)文件計(jì)算證明該標(biāo)準(zhǔn)的起草人不是采用報(bào)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(shù))，實(shí)際采用的橫梁速率為5.2 mm·min-1。

為完善GB/T 228.1標(biāo)準(zhǔn)，對金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892：2019中存在的問題進(jìn)行了分析，并對GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》提出了幾點(diǎn)修訂建議。

1 ISO 6892-1:2019中方法B的標(biāo)題應(yīng)是“傳統(tǒng)方法”而不是“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”

ISO 6892-1:2019中的方法B出自于ISO 6892:1998，該拉伸試驗(yàn)方法需要兼顧不同類型的拉伸試驗(yàn)機(jī)，包括沒有反饋控制功能的液壓拉伸機(jī)(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(yàn)機(jī)(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(guī)定很明顯是橫梁位移控制方法而不是應(yīng)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(yīng)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(yīng)力速率控制方法，也不是GB/T 228.1-2010宣貫時(shí)解讀的實(shí)時(shí)應(yīng)力速率控制方法(ASTM A370：1997在二十多年前就已經(jīng)注明有反饋控制功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)不能采用應(yīng)力速率控制方法)，因此應(yīng)力速率控制方法是參考文獻(xiàn)[4]解讀的平均應(yīng)力速率控制方法。目前有反饋控制功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)是主流，因此方法B的標(biāo)題應(yīng)是“傳統(tǒng)方法”，而不應(yīng)是“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”。

ISO 6892-1:2019的主要起草人把方法B解讀為彈性段應(yīng)力速率控制方法，實(shí)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(yīng)力速率接近于想要的設(shè)定值，參考文獻(xiàn)[5]中的圖9、參考文獻(xiàn)[6]中的圖39和圖10、參考文獻(xiàn)[1]和[7]報(bào)告的方法5及參考文獻(xiàn)[4]報(bào)告的某試驗(yàn)機(jī)公司為GB/T 228.1-2010最后一次審定會代表進(jìn)行演示試驗(yàn)時(shí)采用的都是剛度修正方法，具體做法是采用名義應(yīng)力速率除以試樣的彈性模量，得到名義應(yīng)變速率，用名義應(yīng)變速率乘以試樣平行長度及60 s·min-1和拉伸試驗(yàn)機(jī)的剛度修正系數(shù)(每臺拉伸試驗(yàn)機(jī)剛度修正系數(shù)不同，通常大于2)，得到要設(shè)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(yīng)力速率控制方法，因此稱方法B為“應(yīng)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(jié)果的彈性段保持應(yīng)力速率接近名義應(yīng)力速率，但是在速率影響測量結(jié)果的屈服段，應(yīng)力速率迅速降低到名義應(yīng)力速率的幾十分之一，與拉伸速率應(yīng)保證要測量的“感興趣點(diǎn)”(屈服強(qiáng)度)速率準(zhǔn)確的原則不符。因?yàn)槔煸囼?yàn)機(jī)的實(shí)際橫梁速率比名義應(yīng)變速率大若干倍，而且不同的拉伸試驗(yàn)機(jī)橫梁速率比名義應(yīng)變速率大的倍數(shù)不同，在不影響測量結(jié)果的彈性段修正了速率，而在真正影響測量結(jié)果的屈服階段修錯(cuò)了速率，導(dǎo)致采用剛度修正的橫梁速率控制方法測量的屈服強(qiáng)度比應(yīng)變控制方法測量的高，且不同剛度的拉伸試驗(yàn)機(jī)測量結(jié)果差異大。

參考文獻(xiàn)[8]中第六章第三節(jié)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(xiàn)中的公式(6-26)計(jì)算，具體做法是采用名義應(yīng)力速率除以試樣的彈性模量,得到名義應(yīng)變速率，用名義應(yīng)變速率乘以試樣平行長度和60 s·min-1得到要設(shè)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(yīng)力速率控制”方法，所以不應(yīng)該給方法B貼上“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”標(biāo)簽。這樣解讀方法B導(dǎo)致在整個(gè)拉伸過程中沒有任何階段的應(yīng)力速率接近名義應(yīng)力速率，彈性段應(yīng)力速率只有名義應(yīng)力速率的幾分之一甚至更低，屈服段應(yīng)力速率至多只有名義應(yīng)力速率的幾十分之一，且該解讀在標(biāo)準(zhǔn)中找不到任何條款作為依據(jù)。

2 ISO 6982-1:2019應(yīng)推薦橫梁位移控制方法而不是應(yīng)變控制方法

2009版、2016版和2019版ISO 6892-1都推薦采用應(yīng)變控制方法，但是根據(jù)文獻(xiàn)[1,6,9-10]可以判斷，這樣推薦的理由是不真實(shí)的。參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]都報(bào)告采用橫梁位移控制方法的測量結(jié)果與采用應(yīng)變控制方法的不一致，橫梁位移控制方法的測量結(jié)果偏高，且橫梁位移控制方法的測量結(jié)果可比性差，剛度差的拉伸試驗(yàn)機(jī)測量屈服強(qiáng)度的結(jié)果比剛度好的拉伸試驗(yàn)機(jī)測量的高。參考文獻(xiàn)[9]和參考文獻(xiàn)[1]證實(shí)了參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]報(bào)告的橫梁位移控制方法的缺點(diǎn)是不真實(shí)的。另外，參考文獻(xiàn)[9]和[1]通過重現(xiàn)試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，不僅發(fā)現(xiàn)了參考文獻(xiàn)[6]提到的橫梁位移控制方法的缺點(diǎn)是錯(cuò)誤的，而且查明了導(dǎo)致該錯(cuò)誤結(jié)論的原因是參考文獻(xiàn)[6]報(bào)告的試驗(yàn)條件不真實(shí)，報(bào)告橫梁位移速率為名義應(yīng)變速率乘以試樣平行長度，而實(shí)際上采用的橫梁位移速率是名義應(yīng)變速率乘以試樣平行長度后再乘以拉伸試驗(yàn)機(jī)的剛度修正系數(shù)(剛度好的拉伸試驗(yàn)機(jī)剛度修正系數(shù)為2.9，剛度差的拉伸試驗(yàn)機(jī)剛度修正系數(shù)達(dá)到14)，導(dǎo)致實(shí)際的橫梁位移速率比報(bào)告的位移速率大幾倍到十幾倍。

參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]的作者在參考文獻(xiàn)[2]中也承認(rèn)采用正確的橫梁位移速率測量的屈服強(qiáng)度與應(yīng)變控制方法測量的一致，可以認(rèn)為該幾位作者間接承認(rèn)了參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]報(bào)告的橫梁位移控制方法和應(yīng)變控制方法測量結(jié)果不一致是因?yàn)椴捎玫奈灰扑俾什徽_。

因此推薦的控制方法應(yīng)是橫梁位移控制方法而不是應(yīng)變控制方法，因?yàn)闄M梁位移控制方法既適用于連續(xù)屈服材料也適用于不連續(xù)屈服材料，應(yīng)變控制方法僅適用于連續(xù)屈服材料不適用于不連續(xù)屈服材料，而待測試樣是連續(xù)屈服還是不連續(xù)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(chǔ)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(diǎn)，但是增加A2卻顯示出推薦方法A的應(yīng)變控制方法是不合理的，因?yàn)榉椒ˋ2是不進(jìn)行剛度修正的橫梁位移控制方法，在彈性段的應(yīng)變速率不足方法A的一半，在測量屈服段時(shí)的實(shí)際應(yīng)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(tǒng)方法的下限速率，測量結(jié)果明顯偏低(根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[9]中21個(gè)試驗(yàn)室平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參考文獻(xiàn)[5]的圖9可以看出測量結(jié)果偏低)。增加方法A2實(shí)際上是對推薦應(yīng)變控制方法的否定，且在增加方法A2的同時(shí)強(qiáng)調(diào)推薦應(yīng)變控制方法也顯示出邏輯混亂。

3 對于GB/T 228.1-2010的修訂建議

參考文獻(xiàn)[10]對拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)涉及的一系列爭議問題進(jìn)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(biāo)題由“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”改為“傳統(tǒng)方法”;(2)刪除關(guān)于推薦應(yīng)變控制和方法A的內(nèi)容;(3)在標(biāo)準(zhǔn)中增加方法C并作為有反饋控制功能拉伸試驗(yàn)機(jī)的推薦使用方法。

前文對方法B的標(biāo)題和應(yīng)變控制方法的問題已進(jìn)行了分析，下文對增加并推薦方法C的理由進(jìn)一步論述。

在GB/T 228.1-2010最后一次審定會之前，其標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的名義應(yīng)變速率為0.000 83 s-1，該方法采用了方法B速率范圍內(nèi)中間略微偏下的橫梁速率，同時(shí)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(gè)約定的速率代替方法B規(guī)定的很寬的速率范圍，發(fā)揮了有反饋控制功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)可以準(zhǔn)確控制拉伸速率的優(yōu)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(jié)果可能不一致的缺點(diǎn)，保證了其測量結(jié)果與傳統(tǒng)方法B的基本一致。又因?yàn)榉椒–是不進(jìn)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(yīng)變控制方法難以實(shí)施和測量結(jié)果比傳統(tǒng)方法B的顯著偏低的缺點(diǎn)。

某試驗(yàn)機(jī)公司為GB/T 228.1-2010審定會代表進(jìn)行演示試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用60 MPa·s-1應(yīng)力速率測量的屈服強(qiáng)度(138.5 MPa)低于采用方法C的測量結(jié)果(140.9 MPa)，于是得出方法C的速率超出了標(biāo)準(zhǔn)上限，即不符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)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(xiàn)[4]中分析了演示試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)文件并公開發(fā)表了分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)60 MPa·s-1應(yīng)力速率的拉伸過程不是采用應(yīng)力反饋控制方法，而是采用橫梁位移控制方法，橫梁應(yīng)變速率為0.000 62 s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到方法B橫梁應(yīng)變速率的上限0.002 5 s-1。采用該方法得到的拉伸曲線在彈性段的應(yīng)力速率約為56 MPa·s-1，而在測量屈服段時(shí)的應(yīng)力速率僅有約2 MPa·s-1。該方法是剛度修正方法,《理化檢驗(yàn)-物理分冊》編輯部2012年組織21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)的方法5同樣是該種剛度修正方法。指導(dǎo)GB/T 228.1-2010審定會演示試驗(yàn)的專家在參考文獻(xiàn)[2]中指出了方法5是完全誤導(dǎo)的方法，但演示試驗(yàn)的專家正是用這種完全誤導(dǎo)的方法誤導(dǎo)了我國標(biāo)準(zhǔn)的審定會代表，刪除了方法C。

21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，方法C(21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)的方法1)的測量結(jié)果恰好在方法B下限速率(驗(yàn)證試驗(yàn)的方法2)和方法B上限速率(驗(yàn)證試驗(yàn)的方法3)的測量結(jié)果之間，參考文獻(xiàn)[1]中21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)5種方法得到屈服強(qiáng)度測量結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果。圖1中M1為方法C的測量結(jié)果；M2為方法B下限速率的測量結(jié)果；M3為方法B上限速率的測量結(jié)果；M4為方法A的測量結(jié)果；M5為21臺拉伸試驗(yàn)機(jī)不分剛度修正系數(shù)的測量結(jié)果；M5(k<5)是14臺剛度修正系數(shù)k小于5的拉伸試驗(yàn)機(jī)的測量結(jié)果；M5(k>5)是7臺剛度修正系數(shù)大于5的拉伸試驗(yàn)機(jī)的測量結(jié)果。參考文獻(xiàn)[2]指出方法C的測量結(jié)果會超出方法B上限速率的測量結(jié)果依據(jù)的是剛度修正方法，該文獻(xiàn)作者也指出該方法是誤導(dǎo)性的方法，根據(jù)完全誤導(dǎo)性的方法得到的結(jié)果是不可信的。另外，參考文獻(xiàn)[11]也指出方法C的測量結(jié)果會超出方法B上限速率的測量結(jié)果，判斷其依據(jù)的除最后一次審定會前演示試驗(yàn)的剛度修正方法的數(shù)據(jù)之外，可能還有參考文獻(xiàn)[8]中圖6-8的高剛度夾具屈服強(qiáng)度的測量結(jié)果，此測量結(jié)果是根據(jù)該參考文獻(xiàn)解讀的方法B測量得到的，而該解讀方法在標(biāo)準(zhǔn)中找不到依據(jù)，因此同樣不可信。根據(jù)21個(gè)試驗(yàn)室的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，方法C的測量結(jié)果不僅不會超出方法B上限速率的測量結(jié)果，而且恰好在方法B下限速率的測量結(jié)果和上限速率的測量結(jié)果之間[1,9]。而21個(gè)試驗(yàn)室的驗(yàn)證試驗(yàn)是由持不同觀點(diǎn)的試驗(yàn)室共同參與的，且每個(gè)試驗(yàn)室除提供測量結(jié)果之外還提供原始數(shù)據(jù)文件，各個(gè)試驗(yàn)室的測量結(jié)果與原始數(shù)據(jù)文件經(jīng)分析驗(yàn)證后確認(rèn)無誤。

圖1 21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)采用不同方法測量屈服強(qiáng)度結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差[1]Fig.1 The mean values and standard deviations of yield strengthresults measured by different methods in 21 laboratoryvalidation tests[1]

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

4 分析與討論

傳統(tǒng)的方法B是在拉伸試驗(yàn)機(jī)還沒有反饋控制功能時(shí)候形成的，沒有反饋功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)很難精確控制拉伸速率，所以規(guī)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(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行性的要求，但是也造成了采用不同速率的測量結(jié)果存在偏差的缺點(diǎn)。目前有反饋控制功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)已成為主流，因?yàn)橛蟹答伩刂乒δ艿睦煸囼?yàn)機(jī)可以精確控制速率。因此，在標(biāo)準(zhǔn)中增加方法C，可以在不增加試驗(yàn)成本且不降低試驗(yàn)效率的前提下發(fā)揮有反饋控制功能拉伸試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，改善試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性，這顯然是合理的選擇，也是在制定GB/T 228.1-2010時(shí)大多數(shù)代表的要求，建議在GB/T 228.1新版標(biāo)準(zhǔn)中增加曾被刪除的方法C。

理論和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果都證明彈性段速率不會影響測量結(jié)果，屈服段的速率才會影響測量結(jié)果。因此，對于有反饋控制功能的拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)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(shí)時(shí)應(yīng)力控制方法或彈性段應(yīng)力控制方法都是不合理的，且把方法B解讀為名義應(yīng)力速率除以彈性模量作為名義應(yīng)變速率的橫梁控制方法在該標(biāo)準(zhǔn)中找不到任何條款作為依據(jù)。因此，GB/T 228.1-2010中10.4.2.1和表3的規(guī)定僅適用于沒有反饋控制功能的液壓試驗(yàn)機(jī)，且方法B的標(biāo)簽應(yīng)是“傳統(tǒng)方法”而不應(yīng)是“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”。

ISO 6892-1:2019主要起草人發(fā)表的報(bào)告和文章中關(guān)于橫梁位移控制方法和方法B的數(shù)據(jù)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(fā)表的文獻(xiàn)[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(shù)修正的方法；21個(gè)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)的方法5同樣采用了彈性段剛度系數(shù)修正方法，這種方法得到的結(jié)果與ISO 6892-1:2019標(biāo)準(zhǔn)主要起草人發(fā)表的報(bào)告和文章中的數(shù)據(jù)和圖形一致。新標(biāo)準(zhǔn)中增加的A2方法及“采用不進(jìn)行剛度修正的橫梁位移方法，應(yīng)變控制方法和橫梁位移控制方法測量的拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致”的新共識都表明剛度修正方法是誤導(dǎo)性的方法。采用不進(jìn)行剛度修正的方法，橫梁位移控制方法與應(yīng)變控制方法的測量結(jié)果是一致的。應(yīng)變控制方法僅適用于連續(xù)屈服試樣而不適用于不連續(xù)屈服試樣，可是在試驗(yàn)前一般不能確定試樣是連續(xù)屈服還是不連續(xù)屈服；而橫梁位移控制方法既適用于連續(xù)屈服試樣也適用于不連續(xù)屈服試樣。所以，拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的應(yīng)是橫梁位移控制方法而不是應(yīng)變控制方法。

GB/T 228.1-2010中方法A的0.000 25 s-1速率是傳統(tǒng)方法(方法B)的下限速率，0.000 07 s-1則完全不在傳統(tǒng)方法的速率范圍內(nèi)，所以方法A的測量結(jié)果會顯著低于傳統(tǒng)方法，與歷史數(shù)據(jù)不一致，會給數(shù)據(jù)的使用者造成誤導(dǎo)；而方法C的速率在方法B范圍內(nèi)的中間偏下位置，測量結(jié)果在方法B上限速率和下限速率的測量結(jié)果之間，與歷史數(shù)據(jù)基本一致。因此，標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)推薦采用橫梁位移控制的方法C，而不是應(yīng)變控制的方法A。

5 結(jié)論

ISO 6892-1:2019仍然存在2009版和2016版標(biāo)準(zhǔn)中存在的兩個(gè)問題，分別為給方法B貼上“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”標(biāo)簽和依據(jù)不真實(shí)的試驗(yàn)條件得到的數(shù)據(jù)而推薦應(yīng)變控制方法和方法A。

建議恢復(fù)GB/T 228.1-2010草案中的方法C，既可以避免方法B試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性差的缺點(diǎn)，又可以克服方法A測量結(jié)果顯著偏低、效率低、可行性差的缺點(diǎn)。同時(shí)，把方法B的標(biāo)簽由“應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率”改為“傳統(tǒng)方法”。