前言
　　
　　ISO/TC164技術(shù)委員會對所負責的試驗方法標準進行了改進和修訂，其中對于拉伸、沖擊和硬度試驗方法標準的一些研究和修改影響較大。在執(zhí)行這些標準時，會遇到一些問題需要分析和選擇。例如：拉伸試驗方法標準對于應(yīng)力速率的規(guī)定存在不同的理解，根據(jù)不同的理解會采用不同的拉伸速率，從而影響測量結(jié)果。所以，需要分析產(chǎn)生的各種理解的原因和問題，為合理選擇測量條件提供依據(jù)。沖擊試驗標準涉及兩種擺錘的沖擊試驗機，兩種沖擊試驗機測量結(jié)果是否一致是執(zhí)行這個標準前需要關(guān)注的問題。在什么情況下需要采用V形缺口沖擊標樣校驗沖擊機，也是執(zhí)行沖擊試驗機標準時需要明確的問題。硬度試驗方法標準的修改完善，在多個方面起了示范的作用。
　　
　　對于拉伸標準中應(yīng)力速率的不同理解而引起的問題
　　
　　室溫拉伸試驗方法廣泛用于測量金屬材料的力學性能，拉伸速度對于很多材料的測量結(jié)果有顯著的影響。過去，由于試驗設(shè)備控制能力限制，標準上規(guī)定的拉伸速率范圍的上下限之比通常為10倍，如ISO6892-1998規(guī)定的測量上屈服的應(yīng)變速率范圍的上下限之比都是10倍；對于只規(guī)定zui大速率沒有寫明速率范圍的情況，ASTMA370中進一步規(guī)定，“在任何情況下，測量屈服點或者屈服強度和抗拉強度的zui小實驗速率不應(yīng)低于規(guī)定的zui大速率的1/10”。
　　
　　而隨著傳感器和計算機控制技術(shù)應(yīng)用到拉伸機中，速率控制精度可以大幅度提高，已經(jīng)有條件把拉伸速率控制在較小的范圍內(nèi)。另一方面，拉伸速率會顯著影響很多材料的測量結(jié)果，允許的速率范圍太大不利于測量結(jié)果的再現(xiàn)性。
　　
　　為了改善測量結(jié)果的再現(xiàn)性，一些鋼鐵和汽車企業(yè)采用了在標準規(guī)定的范圍內(nèi)規(guī)定了一個的速率，如規(guī)定測量屈服強度采用5%Lc/min。這個的速率既在ASTMA370標準規(guī)定的范圍之內(nèi)，又在ISO6892標準規(guī)定的范圍之內(nèi)，并且因為采用速度，排除了在標準規(guī)定范圍內(nèi)采用不同速率引起測量結(jié)果變化，改善了拉伸試驗結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
　　
　　另一方面，為了解決同樣的問題，歐洲鋼鐵標準化委員會的*技術(shù)委員會*工作組（ECISS/TC1/WG1）提出了用應(yīng)變速率定義拉伸試驗的速率，并提出測量上屈服強度和非比例伸長0.2%的屈服強度采用0.00025/s±20%速率，測量下屈服強度采用0.0002/s-0.002/s速率。ECISS/TC1/WG1把研究結(jié)果和建議提交到標準化組織拉伸試驗分技術(shù)委員會，ISO6892新標準采用了保留原來標準的規(guī)定作為方法B，新提出方法A，在方法A中推薦測量屈服強度采用名義應(yīng)變量0.00025/s±20%速率，測量抗拉強度采用名義應(yīng)變量0.0067/s±20%速率。
　　
　　上述兩種改善測量結(jié)果再現(xiàn)性的方法，采用測量抗拉強度的速率相同，而測量屈服的速率卻存在顯著差別，兩種速率比達到3.3:1，對于拉伸速率敏感的材料，兩種速率的測量結(jié)果會由顯著差異。
　　
　　之所以出現(xiàn)兩種測量屈服強度的速率，來源于對標準中應(yīng)力速率的不同理解。ISO6892中規(guī)定測量鋼鐵的應(yīng)力速率為6MPa/s—60MPa/s，ASTMA370中規(guī)定測量的應(yīng)力速率為1.15MPa/s—11.5MPa/s。對于應(yīng)力速率，可以有三種理解：
　　
　?。?）從試驗開始到測出屈服強度采用閉環(huán)控制方法的實時應(yīng)力速率。
　　
　　（2）實際采用應(yīng)變或者橫梁位移控制方式條件下線彈性段的應(yīng)力速率。
　　
　?。?）采用橫梁位移或者應(yīng)變控制方式下從速度穩(wěn)定開始到測出屈服強度時間段的平均應(yīng)力速率。
　　
　　從字面上看，*種理解zui符合標準的字面含義。可是ASTME8標準注明，在許多情狀下，這種控制方法是不可行的。ASTMA370中注明，采用閉環(huán)控制的拉伸機不應(yīng)采用應(yīng)力速率控制方式，也就是說，拉伸試驗不應(yīng)采用實時應(yīng)力速率控制方式。
　　
　　第二種理解方法雖然便于實施，但是在理論和試驗中都存在缺陷，主要存在4個方面的問題：（1）理論上，在線彈性階段試樣只發(fā)生彈性變形，力的傳播速度與聲波相同，拉伸速度達不到聲波速度，所以拉伸速率不影響測量結(jié)果；而過了彈性段到測出屈服強度的彈性范圍的速率卻會影響測量結(jié)果，而按照第二種理解，標準在不需要控制應(yīng)力速率的范圍要求控制應(yīng)力速率而在需要控制的范圍反而不按照標準要求控制應(yīng)力速率，顯得不合理。（2）在試驗方法標準中同時規(guī)定了不同的控制方式時，這種理解方法會使同一個標準中不同的控制方法測量結(jié)果不一致。比如說，按照ASTMA370中7.4.1規(guī)定，從屈服強度的一半到測出屈服強度的范圍采用位移速率1/160Lc/min-1/16Lc/min（對應(yīng)的應(yīng)變速率為0.0001/s-0.001/s），而該標準7.4.3規(guī)定，如果采用應(yīng)力速率（只適用于不具備閉環(huán)控制的拉伸機），同樣的范圍采用的應(yīng)力速率為70MPa/min-690MPa/min。把應(yīng)力速率按照第二種理解方法換算為應(yīng)變速率，僅為0.000006/s-0.00006/s。應(yīng)變速率差別這么大，對于速率敏感的材料，測量結(jié)果會有應(yīng)力速率的歷史不符。因為在拉伸機還不能進行閉環(huán)控制的時候，拉伸試驗標準規(guī)定應(yīng)力速率。當時的應(yīng)力速率控制是先通過拉伸機的進油閥門，調(diào)整試驗機速率適當后，不再調(diào)整油閥，記錄穩(wěn)定速率后到測出屈服的時間和載荷差，計算這個過程的平均應(yīng)力速率，那時候的拉伸機不能夠測量和記錄線彈性階段的應(yīng)力速率。（4）這樣理解“應(yīng)力速率”難以解釋標準的一些條款，比如：ISO6892-1998的10.1.1.4中規(guī)定，應(yīng)力速率應(yīng)在表3規(guī)定范圍之內(nèi)，又規(guī)定“在塑性范圍和直至規(guī)定強度應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.0025/s”；而按照第二種理解方法，表3規(guī)定的應(yīng)力速率對應(yīng)的應(yīng)變速率不到0.0003/s，絕不會超過0.0025/s，這樣的理解與標準條文的規(guī)定出現(xiàn)了矛盾。
　　
　　第三種理解方法，雖然沒有第二種理解的那些問題，但是在ISO6892標準中沒有明確的表述，只有ASTMA370的7.4節(jié)給出了較明確的表述，而且也存在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍不清晰、實際測量結(jié)果的再現(xiàn)性較差等缺陷。
　　
　　正因為應(yīng)力速率存在這些問題，采用名義應(yīng)變速率規(guī)定拉伸速率成了共識；但是由于對于應(yīng)力速率理解的不同，導致了采用不同的應(yīng)變速率。
　　
　　ASTME8在7.6.2.2條中給出了“應(yīng)力速率”的定義，按照這個定義，“應(yīng)力速率”應(yīng)該是實時的應(yīng)力速率而對于不具備實時測控應(yīng)力速率的拉伸機，“應(yīng)力速率”可以是平均應(yīng)力速率。但是，在這個標準的注18中，又注明采用實時應(yīng)力速率在很多情況下不可行，可行的簡單方法是采用橫梁位移速率控制方式，既舉了一個控制橫梁位移速率使彈性段應(yīng)力速率達到規(guī)定值的例子，又舉了通過控制橫梁位移速率使屈服前的應(yīng)力速率接近想要的應(yīng)力速率的另一個例子，這使不同理解下的不同做法都有理由。ASTMA370中7.4節(jié)規(guī)定的主要是橫梁位移速率，應(yīng)力速率只是不具備閉環(huán)控制功能的拉伸機可采用的速率控制方法，是指從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率。ISO6892標準中沒有明確應(yīng)力速率是指彈性段的應(yīng)力速率還是指平均應(yīng)力速率，但是方法A的起草人是把應(yīng)力速率理解為彈性段應(yīng)力速率而規(guī)定應(yīng)變速率的。
　　
　　不同速率對于屈服強度的測量結(jié)果的影響
　　　　
　　從表1中的結(jié)果看，60MPa/s應(yīng)力速率測量的屈服強度低于名義應(yīng)變速率0.00083/s條件下測量的結(jié)果。為了查明原因，導出應(yīng)力速率控制方式的原始數(shù)據(jù)文件分析，發(fā)現(xiàn)“應(yīng)力速率”控制條件下是彈性應(yīng)力速率（Se），只是在拉伸曲線的彈性范圍內(nèi)的直線部分基本符合設(shè)定的應(yīng)力速率，實際的應(yīng)力速率在拉伸曲線直線部分終點到屈服強度對應(yīng)點的范圍內(nèi)應(yīng)力速率迅速下降，分別計算開始拉伸到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Sm）和從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Smh），也列于表1。分析不同的“應(yīng)力速率”可以找到“60MPa/s應(yīng)力速率測量的屈服強度低于應(yīng)變速率0.00083/s條件下測量的結(jié)果”的原因，實際影響測量結(jié)果的不是彈性應(yīng)力速率（Se），而是從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Smh）。設(shè)計Se為60MPa/s，實際的Smh只有14.2MPa/s，低于設(shè)定應(yīng)變速率0.00083/s條件下的Smh（19.2MPa/s），表1中的strainm表示平均應(yīng)變速率。
　　
　　因為這次演示試驗采用的是普通的冷軋板試樣，測量結(jié)果除了速率的影響之外，還有材料不均勻的因素存在。為了進一步降低材料的不均勻性的影響，采用均勻性和穩(wěn)定性都非常好的“GSB03-2526-2009金屬材料薄板拉伸標準樣品”重復(fù)了演示試驗四種條件下拉伸試驗，結(jié)果也列在表1中。因為“無時效薄板拉伸標樣”經(jīng)過多個實驗室連續(xù)六年多每月測量，證明這種標樣均勻性很好而且性能長期不變，所以，可以認為用這種標樣驗證的測量結(jié)果變化是速率變化引起的。
　　
　　為了驗證彈性段的應(yīng)力速率Se是否影響屈服強度的測量結(jié)果，采用GSB03-2526-2009金屬材料薄板拉伸標準樣品，分別設(shè)定Se為6MPa/s和60MPa/s，并設(shè)定應(yīng)力達到100MPa時，切換為名義應(yīng)變速率0.00083/s的橫梁位移控制方式，測量結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可見，彈性段速率不影響測量結(jié)果。
　　　　
　　ASTM和ASME鋼鐵產(chǎn)品的標準所引用的拉伸試驗標準主要是ASTMA370，ASTMA370規(guī)定的測量屈服強度的位移對應(yīng)的名義應(yīng)變速率為0.0001/s-0.001/s。ISO6892規(guī)定同時測量上下屈服強度的應(yīng)變速率范圍是0.00025/s-0.0025/s。一些鋼鐵和汽車企業(yè)采用名義應(yīng)變速率0.00083/s測量各項屈服指標，兼顧不同標準的要求。ISO6892新標準新增方法A，推薦測量屈服強度的應(yīng)變速率是0.00025/s。為了驗證新增方法A測量結(jié)果與原方法測量結(jié)果的偏差，用無時效薄板拉伸標樣按照方法A進行測量，測得屈服強度Rp0.2為148.5MPa，比這種標樣的標準值（采用0.00083/s應(yīng)變速率測量）低4.5MPa，相對誤差約3%。
　　
　　在采用同時給出了方法A和方法B的ISO6892或者GB228新標準之前需要注意到兩種測量方法測量的屈服強度存在的差異和原因，測量時也要根據(jù)測量對象選擇適用的方法。否則，突然改變測量速率，會誤導用戶。
　　
　　沖擊試驗標準的變換及正在研究的問題
　　
　　2006年版的夏比沖擊試驗方法標準ISO148-1與1983年版的技術(shù)內(nèi)容有了重大變化，除了原來沖擊刀刃曲率半徑為2mm的沖擊機之外，增加了沖擊刀刃曲率半徑為8mm的沖擊機；通過引用標準規(guī)定了每年至少要用兩種能量等級的V形缺口沖擊標樣校驗沖擊機。
　　
　　兩種沖擊機測量結(jié)果（KV2和KV8）的相對高低，有矛盾的結(jié)論：文獻[2]的結(jié)論是KV2能夠高于KV8，文獻[3]的結(jié)論是KV8高于KV2，文獻[4]的結(jié)論是KV2和KV8相差很小，甚至小于兩種品牌的沖擊機之間的差別。
　　
　　為了能夠得出一個比較合理的結(jié)論，ISO/TC164/SC4p分技術(shù)委員會成立了一個工作組開展研究工作，目前的初步結(jié)論是：沖擊吸收能和溫度曲線的不同曲線，KV2和KV8存在不同關(guān)系，在下平臺區(qū)（試樣脆性斷口），KV2和KV8幾乎相等；在脆性轉(zhuǎn)變區(qū)尤其是脆性斷口比例高的范圍，KV2和KV8可能有差別但是沒有顯著性差異；在上平臺區(qū)并且試樣斷為兩段（試樣塑性斷口）的條件下，KV2和KV8幾乎相等；在上平臺區(qū)并且試樣部分斷口部分彎曲的條件下，KV8顯著高于KV2。也可以把KV2和KV8關(guān)系簡化為：如果沖擊試樣斷為兩截，KV2和KV8沒有顯著性差異；如果試樣不斷為兩截，KV8顯著高于KV2。
　　
　　ASTM標準早就要求每年采用V形缺口沖擊標樣校驗沖擊機，而ISO148-1標準是2006年版才規(guī)定這樣的要求。我國的實驗室執(zhí)行這項規(guī)定存在困難，出現(xiàn)了不同的情況：少數(shù)實驗室采用進口（主要是NIST）的V形缺口沖擊標樣；個別實驗室采用NISTV形缺口沖擊標樣校驗一臺沖擊機，用這臺沖擊機給無證的V形缺口沖擊標樣定值，再用這種無證的V形缺口沖擊標樣校驗其他沖擊機；一些實驗室采用無缺口或者“弧形缺口”沖擊標樣校驗沖擊機；還有一些實驗室沒有采用沖擊標樣校驗沖擊機。
　　
　　如果測量沖擊吸收能比合格限富裕很多，或者無質(zhì)量異議的實驗室不采用V形缺口標樣校驗可能問題不大；但是，如果發(fā)生了爭議，不采用V形缺口沖擊標樣校驗沖擊機，在執(zhí)行標準方面就出現(xiàn)了缺陷。文獻[5]介紹，法國過去曾經(jīng)采用不開缺口的沖擊標樣，后來采用V形缺口沖擊標樣；國內(nèi)的文獻[6]也提供了用NIST的V形缺口沖擊標樣校驗不合格的沖擊機而用“弧形缺口”沖擊標樣校驗*合格的案例。
　　
　　硬度試驗方法的技術(shù)進步
　　
　　目前的硬度試驗，標準已經(jīng)把早先標準中鋼球換成了硬質(zhì)合金球，這項改變的原因是一些校驗機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，采用鋼球的硬度計測量結(jié)構(gòu)有嚴重偏差，進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于鋼球變形引起的。所以，目前標準上取消了鋼球，只采用硬質(zhì)合金球。但是，對于表面洛氏硬度，后來又發(fā)現(xiàn)采用硬質(zhì)合金球測量硬度值高的薄板試樣可能會有問題，所以，測量硬度高的薄板試樣，還需要采用鋼球。
　　
　　測量薄板試樣還存在另一個問題：由于普通標樣的厚度大于要測量試樣的厚度，如果硬度計的砧座有缺陷，測量標樣時結(jié)果符合要求，而測量實際試樣時可能存在嚴重偏差。為了避免這種風險，測量薄板試樣的實驗室需要采用厚度不大于實際測量試樣的標樣或者內(nèi)控試樣嚴重試驗機砧座沒有問題。
　　
　　硬度試驗標準的另外一項改進是重新規(guī)定了主載荷的保持時間。過去曾認為，主載荷保持時間達到一定長度，測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。后來的研究發(fā)現(xiàn)，實際不是這樣，硬度值會隨著載荷保持時間變化，所以可行的方法是把主載荷保持時間規(guī)定在合適范圍之內(nèi)。目前，洛氏硬度規(guī)定的主載荷保持時間是4s±2s；布氏和維氏硬度默認的保持主載荷時間是10s-15s,需要時可以采用更長的保持時間，但是需要在測量結(jié)果中標明保持時間的秒數(shù)。
　　
　　硬度試驗標準的另一項進步是提出了根據(jù)測量標準物質(zhì)和被測物質(zhì)的數(shù)據(jù)測算結(jié)果的測量不確定度方法。過去通常根據(jù)《測量不確定度表示指南》評估測量不確定度，原則上只要對于各種影響測量不確定度的因素不遺漏、不重復(fù)評估就可得到正確的測量不確定度，但是對于硬度、拉伸、沖擊試驗等測量結(jié)果與過程有關(guān)的項目，常常遇到兩個問題難以克服：（1）有些因素明知道會影響測量結(jié)果，可是不能夠定量確定影響大?。唬?）評估時遺漏一些不知道但是存在并且影響大的因素。硬度試驗標準采用的根據(jù)標準物質(zhì)和被測物質(zhì)測量結(jié)果測算測量不確定度的方法解決了這個難題，并被其他標準借鑒。
　　
　　硬度試驗方法的另外一項進步是用一起化壓痕試驗方法測量金屬的拉伸性能，工作組召集人DongilKown的團隊在研究儀器化壓痕試驗方法應(yīng)用方面做了很多工作，不僅用來測量拉伸性能，還用來測量殘余應(yīng)力。但是，工作組內(nèi)的德國專家曾對韓國提交的方法測量結(jié)果的準確性提出質(zhì)疑，工作組內(nèi)的德國專家和英國專家分別提出了用儀器化壓痕試驗方法測量金屬的拉伸性能的方法。但是，這項技術(shù)值得關(guān)注，只要能夠以可接受的不確定度測量拉伸指標，對于評估那些不能通過拉伸試驗測量的材料的性能將非常有幫助。例如，評估焊縫的拉伸性能從而為優(yōu)化焊絲和工藝等提供定量數(shù)據(jù)。