Испытание металлов на растяжение по ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M: Понимать различия и извлекать их них пользу
Сталелитейщики, производители алюминия, производители оригинального оборудования и испытательные лаборатории обычно проводят испытания металлов на растяжение в рамках контроля качества. Испытывают свойства материалов, имеющие решающее значение для прочности, безопасности и надежности готовых изделий. В то же время необходимо обеспечить проведение испытаний в соответствии со стандартами - в зависимости от требований заказчика или доступа на рынок, согласно ISO 6892-1, ASTM E8/E8M или обоим стандартам. Потому что оба этих стандарта имеют мировое значение и используются во многих лабораториях параллельно.
Цель в обоих случаях одинакова: испытание на растяжение должно давать согласованные и надежные результаты, отслеживаемые и сопоставимые. Однако именно здесь и начинается проблема, особенно в лабораториях, где регулярно проводят испытания по обоим стандартам. Возникает вопрос: можно ли сравнивать результаты по стандартам ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M между собой – и если да, то при каких условиях?
Два стандарта, одна цель испытания - но не всегда идентичные результаты
Некоторые лаборатории, в которых проводят испытания по обоим стандартам, намеренно используют сходство между ними: они регламентируют параметры одинаково там, где позволяют оба стандарта, и тем самым создают лучшую основу для сопоставимых результатов и более эффективных операций.
Потому что тот, кто знает основные различия, может получить реальные преимущества в повседневной лабораторной работе. Результаты можно лучше систематизировать, возможные отклонения становятся более понятными, а испытательные процессы можно разрабатывать с большей осознанностью. Но, прежде всего, становится очевидным, в каких местах параметры можно регламентировать одинаково для улучшения сопоставимости, а в каких местах следует проявлять осторожность, поскольку в стандартах используются разные методы или определения.
Две системы стандартов Различия Испытательные решения
О каких двух стандартах идет речь
В данной статье рассказывается об испытании металлов на растяжение при комнатной температуре по двум ключевым стандартам:
- ISO 6892-1: Металлические материалы – испытание на растяжение – ч. 1: метод испытания при комнатной температуре
- ASTM E8/E8M: стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение
Разделы стандартов для повышенных или низких температур здесь не рассматриваются.
Наши эксперты представлены в соответствующих органах по стандартизации ISO и ASTM.
Почему существуют стандарты ISO и ASTM?
Различия между ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M также связаны с организациями, которые разработали эти стандарты. ISO - международная организация со штаб-квартирой в Швейцарии, в которой представлены национальные организации во стандартизации стран-членов. ASTM базируется в США и изначально была ориентирована на США, но сегодня также используется во всем мире, объединяя представителей промышленности, научных кругов и государственных органов.
Исторически сложилось так, что обе организации различаются по своей структуре, методам работы, процессам актуализации и основным направлениям. Это отражается и в стандартах: оба описывают испытание металлов на растяжение, но в некоторых случаях используются разные акценты и уровни детализации.
Поскольку оба стандарта имеют глобальное значение, стремление к гармонизации было и остается очевидным. Уже существуют многочисленные сходства: основной процесс испытания металлов на растяжение в обоих стандартах одинаков, оба используют сопоставимые испытательные системы и аксессуары (например, захваты), а стандарт ASTM E8M представляет собой метрическую версию с единицами СИ. Общая геометрия плоских образцов также является результатом гармонизации.
Сам процесс испытания в обоих стандартах следует одной и той же логике: из полуфабриката изготавливают образец, измеряют геометрию, проводят испытание на растяжение, регистрируют и анализируют данные. Именно эта общая базовая структура является хорошей отправной точкой для дальнейших шагов по гармонизации.
Обзор основных различий
Несмотря на то, что основной процесс испытания схож, ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M различаются по нескольким параметрам, актуальным в повседневной лабораторной работе. К ним относятся, в частности, геометрия образцов, способ снятия размеров образцов / определение начального поперечного сечения, требования к испытательной системе, определение результатов, а также скорость испытания и методы регулирования.
Не все эти различия одинаково критичны. Некоторые из них касаются лишь названия, другие оказывают непосредственное влияние на полученные значения. Поэтому важно не только то, что различие существует, но и то, что это различие означает для результата.
Геометрия образцов Измерение поперечного сечения Требования к испытательной системе Результаты испытания Скорость испытания
1. Геометрия образцов
Для плоских образцов существует предварительно регламентированная геометрия, которая совпадает в стандартах ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M. Эта общая геометрия была частью гармонизации, она позволяет лучше сопоставлять испытания при определенных условиях.
| Параметры | ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M |
|---|---|---|
| Тип образца | B1 | Плоский образец (sheet type) |
| Ширина | 12,5 мм | 12,5 мм |
| Расчетная длина | 50 мм | 50 мм |
| Толщина | до 3 мм | 0,13 - 5 мм |
Таким образом, зона нахлеста составляет от 0,13 мм до 3 мм. В этой зоне можно использовать общую геометрию плоских образцов, чтобы сделать условия испытаний максимально похожими. Однако это не означает автоматически, что все результаты напрямую сопоставимы, – но это уменьшает важный параметр влияния.
У круглых образцов ситуация другая. Оба стандарта регламентируют цилиндрические круглые образцы, и в обоих случаях расчетная длина определяется пропорционально диаметру. Однако стандарт ASTM E8 различает образцы по диаметру, тогда как ISO 6892-1 учитывает группы материалов. Не существует общей предварительно регламентированной геометрии круглых образцов. Чтобы создать сопоставимые условия, расчетная длина и диаметр должны быть тщательно согласованы.
Для таких специальных продуктов, как болты, трубы или подобные изделия, иногда необходимы отдельные разделы или приложения, которые следует учитывать.
При использовании образцов различной геометрии результаты не сопоставимы - даже если значения относятся к поперечному сечению. Поэтому: для получения сопоставимой кривой напряжения/деформации расчетная длина и поперечное сечение должны быть идентичными.
2. Снятие размеров образцов / определение начального поперечного сечения
Влияние измерения поперечного сечения на практике часто недооценивается. При этом начальное поперечное сечение непосредственно влияет на все рассчитываемые значения напряжения. Если поперечное сечение определяется по-разному, то и результаты также могут различаться – даже если собственно испытание было проведено чисто.
В стандарте ISO 6892-1 измерение поперечного сечения производится в нескольких точках рабочей длины образца. Затем значения поперечного сечения усредняются. Для измерения толщины требуется точность в ±2 %.
Стандарт ASTM E8/E8M действует по-другому. Измерение проводится в самом узком месте рабочей длины образца. Кроме того, для точности измерения толщины названы абсолютные значения: 2 мкм для толщины листа менее 2,5 мм, 10 мкм для толщины от 2,5 мм до 5 мм и 20 мкм для толщины более 5 мм.
| ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M | |
|---|---|---|
| Определение | Измерение в нескольких точках рабочей длины образца и усреднение значений поперечного сечения | Измерение в самом узком месте рабочей длины образца |
| Точность измерения толщины | ±2 % | В зависимости от толщины листа (< 2,5 мм, 2,5 - 5мм / > 5 мм): 2 мкм / 10 мкм / 20 мкм |
Разница между процентным и абсолютным требованием к измерению толщины может быть значительной, в зависимости от толщины листа. Пример: при толщине листа 3 мм по ISO 6892-1 возможно отклонение до 60 мкм, в то время как стандарт ASTM E8M позволяет только 10 мкм. Такие различия могут быть существенными при проведении аудитов, при опросах клиентов или при получении результатов, близких к предельным.
3. Требования к испытательной системе
Базовая испытательная конструкция по ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M сопоставима: используются подходящая нагружающая рама, включая измерительную и регулирующую электронику, захваты, датчик силы, экстензометр, а также программное обеспечение для анализа и сохранения данных. Таким образом, техническая база для испытаний по обоим стандартам в принципе одинакова, и в лаборатории не требуется использовать две совершенно разные испытательные системы.
Однако различия состоят в требуемых классах точности для датчиков силы и экстензометров. Кроме того, классы точности определяются по-разному, поскольку, в свою очередь, в их основе лежат разные стандарты: для ISO 6892-1 - ISO 7500-1 (силоизмерение) или ISO 9513 (экстензометр), для ASTM E8 - ASTM E4 (силоизмерение), а также ASTM E83 (экстензометр).
В ходе наших консультаций мы рассматриваем конкретные испытания и выясняем, какие требования стандартов ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M являются более значимыми в каждом конкретном случае. Исходя из этого, испытательное оборудование спроектировано таким образом, чтобы одна испытательная система, насколько это возможно, надежно охватывала оба стандарта.
4. Результаты испытаний
Существуют различия в терминологии и методе определения результатов испытаний. Многие значения идентичны, различаются только их названия.
Однако следует соблюдать осторожность с результатами Деформация при наивысшем усилии и Деформация разрушения. Эти характеристики определяются по-разному.
| ISO 6892-1 | ASTM E8 | |
|---|---|---|
| Наклон упругой части | mE | - |
| (Условный) предел текучести при 0.2% пластичной деформации | Rp0,2 | Предел текучести (смещение = 0,2 %) |
| Верхний предел текучести | ReH | UYS |
| Нижний предел текучести | ReL | LYS |
| Удлинение предела текучести | AL | YPE |
| Прочность при растяжении | Rm | TS |
| Пластическая деформация по экстензометру при наивысшем усилии | Ag | - |
| Общая деформация по экстензометру при наивысшем усилии | Agt | Elu - равномерная деформация |
| Деформация разрушения | A - вручную и с помощью программного обеспечения | Деформ.разруш. (вручную) |
| общая деформация по экстензометру при разрушении | At | Деформация разрушения |
Равномерная деформация / деформация при наивысшем усилии
Наименование почти идентично, это также одна и та же характеристика, и все же результаты нельзя сравнивать напрямую. Потому что определение деформации при наивысшем усилии (ее также называют равномерной деформацией) в ISO и ASTM осуществляется по-разному.
По ISO 6892-1 определяется общая деформация по экстензометру при наивысшем усилии Agt в точке максимального усилия.
В ASTM E8 общее удлинение при максимальном усилии Elu определяется по-другому: на 0,5 % ниже максимального усилия строится горизонтальная прямая, и в середине этой прямой считывается значение деформации.
В зависимости от материала это может привести к значительным различиям в результате.
Еще одно различие: стандарт ISO 6892-1 дополнительно определяет пластическую деформацию по экстензометру при наивысшем усилии (Ag), при котором упругая деформация вычитается из общего значения. ASTM не поддерживает эту характеристику.
Деформация разрушения
Общая деформация к моменту разрушения определяется в последней точке измерения перед спадом усилия, так как он отмечает разрушение. В стандарте ISO 6892-1 характеристика называется „Общая деформация по экстензометру при разрушении At", ASTM E8 называет его Деформация разрушения (Elongation at Break).
При расчете деформации разрушения A по ISO 6892-1 упругое удлинение вычитается, так что указывается только остаточное удлинение. Именно здесь стандарт ASTM E8 вносит существенные изменения, поскольку „Удлинение после разрушения“ определяется вручную путем ручного соединения обломков образца после разрушения с последующим измерением. Для этого перед испытанием на образец наносят метки.
Поскольку результаты ручного и автоматического измерения обычно сильно различаются, можно было бы и в ISO прибегнуть к ручному расчету для обеспечения сопоставимости. Это также возможно и по ISO 6892-1, но из-за более высоких затрат и большего разброса значений используется все реже и реже.
Еще один момент, который следует учитывать при сравнении значений деформации разрушения: Скорость испытания в зоне пластичной деформации в обоих стандартах определена по-разному, она может здесь варьироваться. Скорость испытания также существенно влияет на результаты, что станет еще более очевидным в следующем разделе.
5. Скорость испытания и методы регулирования
Оба стандарта регламентируют три различных метода регулирования скорости испытания вплоть до достижения предела текучести. Функционально методы сопоставимы, но названия различаются - и именно это часто приводит к путанице в повседневной лабораторной работе.
При этом результаты, полученные с помощью различных методов регулирования, не сопоставимы - это критический момент.
| ISO 6892-1:2020 | Описание метода испытания | ASTM E8/E8M-22 | |
|---|---|---|---|
| Метод A1 | Регулирование по скорости деформации, закрытый контур регулирования “closed loop”, например, 0.00025 с-1 ±20 % | Метод B | Регулирование по скорости деформации, закрытый контур регулирования “closed loop”, например, 0.00025 с-1 ±40 % |
| Метод A2 | Регулирование по скорости деформации, открытый контур регулирования "open loop", например, 0.00025 с-1 ±20 % | Метод C | Скорость траверсы, например, 0.00025 с-1 ±20 % |
| Метод B | Скорость напряжения, например, 6/60 МПа/с для стали или 2/20 МПа/с для алюминия | Метод A | Скорость напряжения 1.15 … 11.5 МПа/с |
| Скорость испытания (после превышения предела текучести), например, для определения прочности при растяжении | например, 0.0067 с-1 ±20 % (или 0,00025 с-1 или 0,002 с-1) | Скорость испытания (после превышения предела текучести), например, для определения прочности при растяжении | например, 0.00083 … 0.0083 с-1 |
Значения для регулирования по скорости напряжения различны. В то время как в стандарте ISO 6892-1 скорость напряжения зависит от модуля упругости материала, в стандарте ASTM E8 она не зависит от этого.
Сопоставимы, напротив, методы с регулированием по скорости деформации вплоть до достижения точки текучести. Здесь в обоих стандартах регламентирована одна и та же скорость испытания. Лишь при варианте „closed loop“ стандарт ASTM E8 разрешает повышенный допуск.
Металлические материалы чувствительны к скорости деформации. Например, более высокая скорость испытания приводит к более высоким пределам текучести и, следовательно, оказывает большое влияние на результаты испытаний.
Наилучшая сопоставимость значений испытания достигается при методе «closed loop». Он гарантирует идентичные скорости деформации при определении предела текучести. Этот метод предъявляет повышенные требования к оборудованию, но может окупиться более надежными результатами и меньшим разбросом.
Вывод: зная различия, можно эффективно использовать сходства
Стандарты ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M признаны во всем мире, они широко применяются на практике. Тот, кто понимает различия, может правильно систематизировать результаты, избегать неправильных интерпретаций и работать более эффективно. Поскольку эти два стандарта в некоторых областях согласованы, можно целенаправленно использовать их сходства: например, одинаковые формы образцов, настройки, процессы и в целом сопоставимые условия испытаний.
В повседневной лабораторной работе испытательная система, охватывающая оба стандарта без затратного переоборудования, значительно упрощает переход между ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M. Помимо подходящего испытательного оборудования решающую роль играет программное обеспечение: Стандартные программы испытаний testXpert уже содержат все необходимые спецификации стандартов и гарантируют нормативное проведение испытаний.
Кроме того, в программном обеспечении можно сохранять и автоматически воспроизводить настройки машины. Это позволяет безопасно, воспроизводимо и без особых усилий переключаться между испытаниями по ISO 6892-1 и ASTM E8/E8M.
