金属材料高温拉伸试验标准对比研究

陈亚军，刘　波，王付胜，杨旭东

金属材料高温拉伸试验标准对比研究

陈亚军，刘波，王付胜，杨旭东

（中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300）

为制定适合我国民用航空业的金属高温拉伸试验标准，并与国际先进的标准体系接轨，全方位对比分析美国宇航材料标准（ASTM）和中国国家标准（GB）金属高温拉伸试验标准的主要的差异。对比分析结果表明：1）在试验设备方面，ASTM较GB引伸计准确度高50%，600℃以上加热装置准确度高25%。ASTM增加试验机轴向性检测程序和易腐蚀材料的保护装置，并要求安装引伸计指示应变率装置，提高试验的准确性。GB明确测温设备的检测周期，提高检测可靠性。2）在试样制备方面，ASTM相较于GB明确规定试样的产品批次、最终状态和取样位置。3）在试验程序方面，ASTM增加试样清洗环节，试样的最低保温时间比GB多一倍。GB在测200MPa以下屈服和抗拉强度时修约结果更准确，ASTM在测200MPa以上屈服和抗拉强度时修约结果更准确。4）在试验报告方面，ASTM较GB从试样、温度控制、特殊情况、试验结果等方面进行全面而详细的要求，整份报告能够提供很好的数据信息支撑。综上，金属高温拉伸试验GB标准有别于ASTM，提高设备准确度，加强条件控制准确度，考虑试验环境与特殊状况，才能制定出满足中国民航业的高标准国际化金属高温拉伸试验标准。

高温拉伸试验；美国宇航材料标准；中国国家标准；对比分析

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.001

0　引言

我国现行的金属材料高温拉伸试验标准为GB/T 4338——2006《金属材料高温拉伸试验方法》。由于飞机高空作业，其安全性直接关系乘客安危，所以飞机制造商对航空材料性能的要求远远高于其他行业，材料的性能测试也更为严格。飞机发动机中的大多数金属材料处在高温工作环境下，其高温性能是制约我国飞机发展的关键因素之一。我国不仅需要在航空材料研发领域加强建设，还需要在与之配套的航空材料测试标准体系方面进行完善。

经过几十年的发展，我国初步建立了基本满足金属材料检测要求的标准体系，但还没有针对于民航领域的行业标准。同时，民航业又是高度国际化的航空产业，为实现与国际先进的试验标准体系接轨，服务于我国民航产业，建立一套适合我国民航业发展的国际化行业标准非常有必要。美国在航空材料检测标准及标准体系方面处于世界的领先地位。ASTM标准认同度高，不仅得到了波音、空客等大量飞机设计商和制造商的认可，还得到了航空公司、材料生产商以及质量监管部门的广泛采纳和运用，是目前国际民航行业遵循的通用标准［1-3］。对比分析ASTM和GB在金属高温拉伸试验标准的主要不同点，这对建立适合我国民航业的金属材料高温拉伸试验标准具有很好的参考价值。

高标准国际化的金属材料高温拉伸试验标准是金属材料性能测试结果可靠性的保障，同时能够提升我国金属材料产品的国际竞争力和认可度，打破其他国家因我国测试标准落后而施加的技术封锁。

1　ASTM和GB高温拉伸试验标准的对比研究

对比美国宇航材料标准（ASTM）的ASTM E21——2009［4］与中国国家标准（GB）的GB/T 4338——2006［5］的全部内容，二者差异主要存在于试验设备、试样、试验程序和报告4个方面，以下是对比研究的全部内容。

1.1试验设备

1.1.1试验机

对于试验机的准确度，ASTM要求在ASTM E4——2009［6］规定的允差内，GB要求符合GB/T 16825.1——2008《静力单轴试验机的检测》［7］的准确度级别，并应为1级或优于1级。经过对比，GB对于试验机示值相对误差和重复性相对误差的要求和ASTM一致，都要求不超过1%。ASTM与GB对试验机要求的不同点如表1所示。

表1　试验机要求对比

机器和夹头的装载准确度直接关系试样的弯曲应变，若弯曲应变过大，会影响试样的轴向拉伸性能。同理夹头和拉杆的轴向性检测也是为了降低弯曲应变的产生。易腐蚀材料在高温环境下易被氧化，氧化使得材料本身性质发生变化，进而影响到材料的真实性能测定，所以对于易腐蚀材料安装保护套非常必要。从试验角度来看，ASTM更加的科学严谨，对加载精度、设备轴向性和易腐蚀材料保护等多种情况都有充分考虑。

表2　ASTM引伸计的分级1）

1.1.2引伸计

对于引伸计，ASTM参照的是ASTM E83——2010［8］，GB参照的是GB/T 12160——2002《单轴试验用引伸计的标定》［9］。对此两标准中引伸计分级方式和误差分析的区别，如表2、表3所示。两标准对引伸计要求的不同点如表4所示。

由表2、表3可知，ASTM中引伸计等级分为6级，GB中分为4级。相比于GB的分级情况，ASTM分级更加精细，整体要求的标距相对误差和应变相对误差都不超过1%，较GB引伸计准确度高50%。ASTM中规定了应变误差，GB则规定了由测量长度得到的系统误差。应变从长度变化计算得到，可见二者反应的实质问题相同，只是表述方式不同。由表4可知，在金属材料高温拉伸试验当中，ASTM对引伸计准确度要求高于GB。对于使用环境的要求，ASTM进行了温度量化，要求室温变化范围不应超过6℃。相比之下，GB要求试验环境适当稳定，但实际并不好把控，科学的量化才是标准的意义所在，此方面GB可以借鉴ASTM标准。对于引伸计的标距，ASTM并没有硬性要求，GB要求标距不小于10mm。标距太短不能准确体现材料的整体性能，而且对测量准确度可能会有影响，所以规定最小标距是有必要的。ASTM中要求引伸计系统包括能指示应变率的装置，用于试验后确定不同时间的应变率。从试验的角度来看，测屈服强度时的应变率的变化对试验控制和材料性能分析都有帮助，GB可以借鉴ASTM此部分内容。

好不容易抢救过来看到的却是父母绝望的脸和周围人的耻笑，走到哪儿都被人戳着脊梁骨骂，不要脸，小骚蹄子，狐狸精……十八岁的青春哪背负得起这种骂名，自此，青瓷走到哪儿，头都低得低低的，怯怯的。

表3　GB引伸计的分级

表4　ASTM与GB高温拉伸试验对引伸计要求对比

1.1.3加热与测温装置

对比分析ASTM与GB中有关加热与测温设备的相关内容，如表5所示。

表5　ASTM与GB加热和测温设备要求对比1）

ASTM明确了加热炉的类型为电阻炉和热辐射炉。电阻炉容易得到高温，便于在可控气氛炉和真空炉中使用，热效率高且不污染环境。热辐射炉多用于真空环境，不依托介质直接加热，便于控制，环保高效。两种炉型能够稳定地满足高温拉伸试验的需求，所以得到广泛应用。GB应当对加热炉的类型进行规定，以免因为选错热炉类型对试验结果产生不良影响。对于温度的允许偏差，ASTM更为严格，1000℃以下允许偏差为3℃。ASTM 600～1000℃加热装置准确度较GB高25%。对于1000℃以上的温度，ASTM的允许偏差为6℃，GB需要相关双方协商规定。作为标准，准确的量化有利于方案实施与控制；协商的方式更具灵活性，但是对于1000℃以上同类试验，由于协商的允许误差可能不同，不同操作方式试验成果的对比研究可能缺乏说服力。

ASTM与GB均采用热电偶测温的方式。对于温度分辨力与误差，GB给出了明确规定，相比而言，GB更加科学严谨。同时，GB明确了检测时间，有利于设备的维护和保障检测结果的准确性。综上，在温度测量设备的规定上，GB更为准确详细，考虑也更加周全。

1.1.4尺寸测量装置

量具的分辨力直接决定了试样尺寸的测量准确度，对比ASTM与GB不同特征尺寸下量具的分辨力，如表6所示。

表6　ASTM与GB量具分辨力要求对比

ASTM在特征尺寸＞0.5mm时分辨力都低于GB，只有特征尺寸＜0.5mm时GB分辨力小于ASTM分辨力，所以总体上ASTM在测量特征尺寸上的准确度要求高于GB。特征尺寸直接关系原始横截面积的准确度，进而影响断面收缩率的准确性。新技术的应用是提高测量装置准确度的重要手段，所以提高GB在特征尺寸测量的准确度，新型测量设备的研发必不可少［10-11］。

1.2试样制备

参照ASTM E8——2009［12］与GB/T 2975——1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［13］，两标准对试样的要求不同点如表7所示。

表7　ASTM与GB对标准试样要求对比

ASTM对于取样有明确的规定，如明确批次、热处理要达到最终状态而且试样要取自代表性位置。同一材料产品，批次不同或是热处理工艺的细微差别都能影响到材料的性能；同时，一块原材料不同部位的性能也会因生产工艺或加工工艺的不同而产生变化。所以，规定产品的批次和最终状态并从代表性位置选取非常必要。ASTM还规定了试样轴线位置，保障拉伸应力方向与轴线重合，确保试验的准确性。对标准试样标距长度的要求ASTM与GB明显不同，从目前已有的研究来看，原始标距越长断后伸长率越小，原始标距越短断后伸长率越大。ASTM取4倍的直径为标距长度，计算得到GB标距长度为5倍和10倍的直径。标距确定后，过渡段长度和夹持端长度是对试样总长影响最大的两个因素，限定总长以保证过渡段和夹持端不能太短。过渡半径太小可能造成应力集中，夹持端太短可能引起试样拉伸过程中由于摩擦力小造成的试样滑动，二者关系到试验能否成功和结果的准确性。

1.3试验程序

对比分析ASTM与GB中试验程序的不同点，如表8所示。

表8　ASTM与GB试验程序对比

ASTM对试样清洗进行了要求，GB当中并没有类似的描述，从科学严谨的角度，试样的清洗是有必要的，因为在高温条件下，试样表面的污垢可能会对材料的性能产生影响。清洗降低了试验数据不准确的风险性，GB应加入此类清洗操作，以完善试验过程。

ASTM与GB对于热电偶数量和安放位置的要求是相同的。但在温度的保持时间上ASTM要求更长，20min保温更充分，试样内外温度基本一致。ASTM同时规定了最终调整前的炉内温度，将炉子温度稳定在名义试验温度下6~28℃可能更利于后面温度的调整，防止温度过量。ASTM还要求分析加热特性和温度控制系统，这样做的好处是能够确定必要的输入功率、温度设定点、比例控制调整以及控制电偶的布局，从而更准确地把握温度控制过程。对温度过量大小和持续时间ASTM也有明确规定，这样的记录为结果分析提供一定的参考，尤其是温度过量时间过长可能导致试样内部的组织结构产生变化，影响到试验结果。GB在以上3个方面没有规定，可以借鉴ASTM加以完善。

从速率分析可以看出，GB在测屈服强度过程中的速率整体上比ASTM要慢一些。在测抗拉强度过程中，GB给定的速率是一个固定的范围，速率比测屈服强度时明显加快。ASTM给定的速率范围与试样的尺寸相关，更有针对性，但两种规定对试验结果的影响还有待验证。GB给出了应变速率不可控时的补救措施。当试验系统不能控制应变速率时，应调节应力速率，使在整个弹性范围内试样应变速率保持0.003/min以内。任何情况下，弹性范围内的应力速率不应超过300N/mm2/min。ASTM考虑到设备部件、拉杆和夹具的弹性应变，将十字头在屈服过程中的移动速度设定在推荐范围的上限，以平衡设备弹性应变的影响。

在断后伸长率测量方面，ASTM对测量精度的要求比GB更加严格。GB中规定，可以在一固定标距上测定断后伸长率，然后使用换算公式或换算表将其转换成其他标距的断后伸长率。目前有关研究表明，断后伸长率与原始标距长度相关。GB的这一规定有利于数据处理，减少了由于标距不同增加的试验数量，但由此换算得到的断后伸长率的准确性需要进一步验证。

在屈服强度表述上，ASTM残余应力的0.2%是通过0.002倍小截面段的调整长度来对应的，GB通过图解法或指针法测得，也可直接通过自动记录设备得到。相比而言，GB的测量方法更多，选用更加灵活，ASTM的方法比较单一。在抗拉强度和屈服强度较小时，GB的修约间隔为1MPa，小于ASTM的 3.5MPa，结果会更加准确。但当屈服和抗拉强度大于200MPa时，GB的修约间隔会大于ASTM，ASTM更准确些。综上，GB在测较小屈服和抗拉强度时修约结果更准确；ASTM在测较大的屈服和抗拉强度时修约结果更准确。对于延伸率和断面收缩率的修约间隔，ASTM与GB的要求均为0.5%。

1.4试验报告

对比ASTM与GB关于报告内容的相关要求，如表9所示。

表9　ASTM与GB报告内容对比

在试验报告内容方面，关于材料的描述，ASTM要求包括生产方法、产品类型、尺寸和其他相关的加工资料，还有热处理、显微结构和化学成分。GB只要求了材料名称及牌号。试样尺寸方面，ASTM要求包括横截面尺寸、圆角、小截面段的长度、小截面段的调整长度、端部连接的类型以及是否机加工、局部机加工还是铸造加工。GB并没有注重这些细节，可以参照ASTM加以完善。ASTM还要求报告到达试验温度的时间和试验前的保温时间、特殊情况、断裂的部位和描述、所用设备的标志、试验者的姓名和试验日期等内容。这些内容是对一份报告内容的充实和完整，对读者日后的阅读和分析有很大的帮助，例如热处理的方式对材料性能影响很大，报告中如有明确说明更利于分析。综上，GB应当加强报告内容的完善。

2　结束语

全方位对比分析了ASTM与GB在金属高温拉伸试验当中的不同点。得到如下结论：

1）试验设备方面。ASTM对引伸计、加热装置和尺寸测量装置等的精度要求普遍高于GB。ASTM增加了试验机轴向性检测和易腐蚀材料的保护装置，并要求安装引伸计指示应变率装置。GB增加了对测温设备的周期性检测，保证其可靠性。

2）试样方面。ASTM从产品批次、最终状态和取样位置都有明确严格的要求，GB还需要进一步完善。ASTM标准试样选用4倍直径为标距长度。GB标准试样选用5倍和10倍直径为标距长度。有研究表明，原始标距越长断后伸长率越小，反之越大，可见断后伸长率的对比需执行同一测试标准。

3）试验程序方面。GB缺少试样清洗环节，最低保温时间较ASTM少50%。ASTM考虑到设备部件、拉杆和夹具的弹性应变，对应变速率进行调整以平衡设备弹性应变的影响。GB在测200MPa以下屈服和抗拉强度时修约结果更精确，ASTM在测200MPa以上屈服和抗拉强度时修约结果更精确。

4）试验报告方面。ASTM的报告内容从试样、温度控制、特殊情况、试验结果等多方面进行了全面而详细的要求，报告能够提供很好的数据和信息支撑。GB报告内容要求方面相对简单，需进一步完善。

综上，ASTM E21——2009与GB/T 4338——2006在内容上虽各有优缺点，但ASTM在设备准确度、试验控制准确度、报告内容等方面优势明显。为了制定适合我国民航业的高温拉伸试验标准体系，并与国际公认的先进的标准体系接轨，GB可借鉴ASTM的优秀内容，完善不足。

［1］刘久战，蔡安.中国民用飞机航空材料和材料标准体系研究探讨［J］.航空制造技术，2012（12）：68-71.

［2］卿红宇.浅谈民航采标［J］.中国民用航空，2011（12）：66-67.

［3］张韵笛.标准为航空业飞速发展插上翅膀［J］.标准生活，2009（9）：57-63.

［4］ASTM E21Standard TestMethods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials［S］.2009.

［5］GB/T 4338—2006金属材料高温拉伸试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［6］ASTM E4 Standard Practices for Force Verification of Testing Machines［S］.2009.

［7］GB/T 16825.1—2008静力单轴试验机的检测［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［8］ASTM E83 Standard Practices for Verification and Classification of Extensometer Systems［S］.2010.

［9］GB/T 12160—2002单轴试验用引伸计的标定［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［10］余学峰，王亚梅，田建柱.测量设备校准间隔确定方法工程化应用与发展［J］.中国测试，2009，35（4）：15-18.

［11］叶声华，秦树人.现代测试计量技术及仪器的发展［J］.中国测试，2009，35（2）：1-6.

［12］ASTM E8 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials［S］.2009.

［13］GB/T 2975—1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备［S］.北京：中国标准出版社，1998.

Com parative study on high tem perature tensile test standards of metalmaterials

CHEN Yajun，LIU Bo，WANG Fusheng，YANG Xudong
（Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

ASTM and GB standards were compared and analyzed in this paper in order to provide a basis for the formulation of high temperature tensile test standards for metal materials in accordance with international advanced standard systems.The comparative results are as follows：1）In regard to experimental equipment，the precisions of ASTM extensometers are 50%higher，ASTM heaters above 600℃higher than 25%.In order to increase the accuracy in test，ASTM has incorporated an axial test procedure for tester，protective devices for corrosive materials，and required to install indicators for extensometer strain rate.GB by contrast has determined the periodic detection for temperature measuring equipment and thus enhanced the detection reliability. 2）In regard to the preparation of specimens，ASTM has more strict requirements on product batches，final conditions，and sampling locations.3）In regard to test procedures，GB lacks the requirement on specimen washing and its temperature-holding time is more than one time lower than compared to ASTM.In GB，the rounding results obtained in measuring tensile strengths and yield strengths are more accurate below 200 Mpa，while those in ASTM are more precise above 200 Mpa.4）In regard to experimental reports，ASTM has comprehensive and detailed requirements on specimens，temperature control，special cases，experimental results，and so on.The data and information of each test has been written in the report.In summary，the two standards are different from each other in the above aspects.International test standards that fit China's aviation industry can only be compiled based on the improvement of equipment precision，the enhancement of control accuracy，the consideration of test environment and special circumstances.

high temperature tension test；ASTM；GB；comparative analysis

A

1674-5124（2015）09-0001-05

2015-03-08；

2015-04-07

国家自然科学基金（51301198）

中央高校基本科研业务费中国民航大学专项资助（3122015Z002）

陈亚军（1976-），男，天津市人，副教授，博士，主要从事材料性能检测及标准方面的科研和教学工作。