ASTM E8 / ASTM E8M – 要點概覽
- ASTM E8 / ASTM E8M 明確規範室溫下金屬材料的單軸拉伸測試方法，用於測定降服點與規定塑性延伸強度、拉伸強度、斷裂時伸長率與斷面收縮率，作為材料比較、品質保證與認證的依據。
- ASTM E8 （英制）與 ASTM E8M （公制）標準之間的差異，在於圓形試樣的初始標距長度（4D 與 5D）－這是導致結果不具可重複性的常見原因之一。
- 導致測試數據產生離散的最大主因，往往並非材料試驗機本身，而是源自於試樣製備、橫截面測定、應變測量、試樣對準、測試速度選擇、操作人員影響等。
- 特別是針對應變速率敏感型合金，採用不同的測試速度控制方法（方法 A、B 或 C）可能導致顯著不同的結果。若要獲得具可重複性的測試結果，務必嚴謹選擇測試方法並保持測試參數的一致性。
- ASTM E8 標準建議採用方法 B（閉環）進行應變速率控制，因為該方法能大幅降低來自測試系統、夾持與機台剛性的影響，顯著提升結果的可靠性與可比性。
- ZwickRoell 利用 testXpert 測試軟體落實相輔相成的測試技術與標準化流程，無論是簡單應用至自動化測試序列的各個環節皆可提供全方位支援，旨在減少操作人員的影響，並在依據 ASTM E8 標準下執行高效、合規且具可追溯性的測試。
ASTM E8 實務應用：常見誤差來源及其對測試結果的影響
- 測試品質的優劣，在試樣製備階段即已決定。偏離標準規範的試樣尺寸與公差、切割或沖壓後未經後續適當處理所致的應變硬化，以及測量範圍內的損壞，皆可能改變材料行為並導致結果不具可重複性。
- 橫截面測量不準確：所有應力參數皆基於試樣的初始橫截面積算得。只要初始橫截面積有 1% 的測量誤差，便會直接影響降服強度、拉伸強度及其他等參數，進而損及整項測試的有效性。精度為關鍵。
- 試樣的對中與夾持：力的施加品質對於試驗結果的有效性至關重要。即使是在夾持過程中極輕微的對中偏差、夾持力不均勻，或選用不適當的夾具鉗口，都可能導致試樣滑動或在夾持區域發生斷裂，進而造成局部夾持應力集中、過早斷裂或試驗結果離散性增加，尤其是在微型試樣或小尺寸試樣的測試中更為明顯。因此，透過正確選擇試樣夾具及鉗口襯塊，實現具有高度再現性且低應力的夾持方式，是獲得可靠試驗結果最重要的前提條件之一，尤其對於方法 A 與方法 C 而言更是如此。
- 延伸計的選擇與校正：若要測定降服強度與屈服強度，務必先精準測量應變。測試後採用手動測量，會增加操作人員的影響。接觸受力不當、定位偏差、校正不足，或使用未達標準校正等級的延伸計，皆會導致應變測量產生系統性誤差。
- 在實務應用中，經常會將斷裂時伸長率與斷裂後伸長率兩者混淆。對不同參數進行不當比對或誤讀，可能導致對材料做出錯誤評估與放行決策。
- 測試速度缺乏一致性且未經審慎選擇：控制方法 A、B 或 C 在降服強度與規定塑性延伸強度的測試結果上，往往展現出顯著差異，特別是針對對應變率變化敏感的合金材料。測試機構與數據評估單位之間，必須就嚴謹的方法選擇與一致的測試參數達成明確共識。
- 操作人員的影響：夾持、測量與數據評估等手動操作流程，特別是在測試量極大的情況下，尤會增加數據波動。
在這些方面仔細留意細節，有助於將誤差降至最低並提升數據品質。這正是 ZwickRoell 測試解決方案大顯身手之處，確保測試程序中的核心步驟皆能可靠、精確且具可重複性地執行。
試驗原理說明：
在依據 ASTM E8 / ASTM E8M 標準進行的拉伸測試中，標準化金屬試樣會承受單軸載荷直至斷裂。ASTM E8 規範了試樣幾何尺寸、試驗速度、控制程序以及應變量測等相關要求。
- 拉伸測試首先從依照標準製備試樣，並精確量測試樣初始橫截面尺寸開始。
- 接著將試樣夾持於適當的夾具中，並進行精確對中。
- 在加載過程中，力值與應變將持續進行量測。根據所選用的控制方法，試驗可透過應力速率控制（方法 A）、應變速率控制（方法 B）或橫樑速度控制（方法 C）來執行。當達到降服點及規定塑性延伸強度（Offset Yield Strength）後，即可依照標準規定提高試驗速度。
- 本試驗可測定降服點、規定塑性延伸強度、拉伸強度、斷後伸長率及斷面收縮率等特性值。為了測定斷面收縮率，亦可量測試樣斷裂處的橫截面積。
截面測量
單是橫截面的測量結果，即決定了所有應力相關參數的準確度。採用 CMU 30 與 CMU 80 測量系統，能以亞微米等級（sub-micrometer）的高解析度與極致的高準確度，自動測量厚度與寬度方向的橫截面積。測量值會直接傳輸至 testXpert 測試軟體，從而徹底消除數據輸入誤差與操作人員的影響。
負載機架與荷重元的挑選
挑選試驗機時，往往簡化為僅需考量所需的最大力值範圍。然而在實務應用中，能否正確搭配負載框架（萬能材料試驗機）、荷重元、試樣夾具/試樣座與延伸計，才是決定測試是否高效且具可重複性進行的關鍵所在。因此，選擇的流程首先須根據試樣的預期受力範圍進行評估。根據此資訊，可進一步選定適合的負載框架、試樣夾具及荷重元，以確保試驗的準確性與可靠性。
ZwickRoell 模組化測試系統概念的一大優勢，在於延伸計與負載框架之間的款型可靈活搭配。這使得測試系統能彈性適應不同的材料特性、試樣幾何形狀與標準規範要求。同時，所有荷重元皆已校正，使其準確度達到其標稱力值的 0.2% 以內。舉例而言，即使測試載荷僅有 200 N，100 kN 的荷重元依然能進行精確測量。這使得大小試樣皆能在同一台材料試驗機上進行合規測試，且絕不犧牲準確度。
測試速度與控制方法的選擇
測試速度會直接影響所測定的材料特性。特別是針對應變速率敏感型材料，不同的測試速度可能導致測出不同的降服點、應變值與強度。ASTM E8 / ASTM E8M 就這一問題，提出了三種控制方法（有關控制方法及其適用性的更多資訊，請參閱常見問題）：
- 應力速率控制（方法 A）
- 應變速率控制（方法 B）
- 橫樑速度控制（方法 C）
ZwickRoell 試驗系統支援標準中所規範的所有控制方法，因此能夠依照標準要求執行各種不同的試驗需求。
針對標準中首選的方法 B，ZwickRoell 測試系統可在閉環系統中實現精確的應變速率控制。搭配光學式或接觸式延伸計，可連續監測並自動調整實際應變速率。儘管標準允許應變速率存在相對較大的 +/- 20% 公差（如 ASTM E8 標準規範的 0.015 ± 0.006 in./in./min 或 mm/mm/min 應變速率），但 ZwickRoell 系統通常可達到 3% 甚至更優的準確度。這大幅提高測試結果的可重複性，並確保即使測試不同材料，所選定的測試速度依然也能可靠地保持下去。
透過我們的testXpert 測試軟體，應變率始終可被追溯。
- 紅線 (1) 顯示 ASTM E8 定義的公差範圍（所設定速度的 40%）。
- 綠色虛線表示較窄的5%公差範圍 ，這是 ZwickRoell 測試系統用於在發生不可預期事件時的安全基準。良好的應變率控制特點是 (2) 低的入口波動和 (3) 穩定的速度控制。一個重要的要求是自適應控制器。
選擇延伸計
依據 ASTM E8 / ASTM E8M 標準進行的拉伸測試中，應變測量是關鍵的影響因素之一。該標準允許採用不同的方法來測定伸長率－從測試後手動測量斷裂時伸長率，到接觸式延伸計（夾持式延伸計或 makroXtens 感測臂延伸計 ），再到光學式延伸計（理想情況下採用如 videoXtens 等無須標記的解決方案），可在整個測試過程中進行非接觸式的伸長率記錄。
- 測試後手動測定斷裂時伸長率，受操作人員的影響相對較大。即使是在將斷裂試樣拼合時或讀取標距長度時出現微小偏差，皆可能會影響最終結果。
- 接觸式延伸計可在測試過程中提供精確的伸長率數值，但必須由操作人員進行正確定位，特別是在處理敏感型或小型試樣時，可能會增加操作難度。
ZwickRoell 首選解決方案是光學式延伸計。其可直接在試樣進行非接觸式伸長率偵測，完全不受操作人員的影響。
- 因此，標距長度與測量位置皆能隨時保持明確定義且具可重複性。
- 同時，由於光學延伸計能在高精確度下持續記錄伸長率，故能依據 ASTM E8 標準首選的方法 B 進行應變速率控制。
- 另一項優點是，可在整個試樣上記錄完整應變分佈狀況。這意味著即使在測試完成後，仍然可進行額外的後續評估。在許多情況下，亦可省去手動測定斷裂時伸長率的步驟，從而排除了另一個潛在的誤差來源。這能有效降低操作人員的影響、提升測試結果的可重複性，並大幅簡化實驗室的日常測試作業。
影片：使用 ZwickRoell 進行 ASTM E8 測試
依據 ASTM E8 與 ISO 6892-1 標準進行金屬材料拉伸測試之展示：
- 「方法 B 應變速率控制閉環方法」（對應 ISO 6892-1 方法 A1），採用的設備包括 ZwickRoell 萬能材料試驗機 AllroundLine、接觸式延伸計 makroXtens 與非接觸式 extensometer 延伸計，進行試樣測量並以 testXpert 軟體進行測試結果評估。
- 「方法 C 橫樑速度開環方法」（對應 ISO 6892-1 方法 A2），採用的設備包括 ProLine 萬能材料試驗機與夾持式延伸計。
ASTM E8 搭配 testXpert 測試軟體 – 具效率且可靠的測試
透過 testXpert，可提升符合ASTM E8標準的測試效率。testXpert 提供可靠的測試結果，而這正是您可信賴的決策基礎。
- 無論您選擇何種方法，ASTM E8 規範所要求的所有參數均已納入測試程序，確保 100% 符合標準規範。在預先配置的介面中，您可即時查看實際達成的應變速率是否落在標準規定的公差範圍內。
- 無須花費不必要的時間進行預測試和手動計算應變率以符合 ASTM E8規範，testXpert 軟體會自動設定所有控制參數。高度準確地接近目標位置和應變值。試樣屬性的變化可在線性進行補償。
- testXpert 透過預定義的機器配置，以相同的測試要求確保可重複性的測試結果。
- 為了獲得可再現的結果並將操作員的影響減至最低，例如透過我們的用戶管理功能。
有關 ASTM E8 的常見問題
嚴格來說，這個ASTM標準包含了兩個標準，因此ASTM E8必須與ASTM E8M區分開來。ASTM E8 採用英制單位（英吋與磅）作為量測單位，而 ASTM E8M 則採用國際單位制（SI 單位）。因此，使用一種單位系統測定的值並不完全等於使用另一種單位系統測定的值。然而在實行中，這通常不會有問題，因為在測定和比較特徵值時，單位之間並沒有變化。
然而在此背景下，需要特別注意的是，ASTM E8 與 ASTM E8M 在圓棒試樣的應變測量標距設定上有所不同。ASTM E8 中，規定用於應變測定的圓棒試樣初始標距長度為 4D，即圓形試樣直徑的四倍；而在 ASTM E8M 中，則規定初始標距長度為 5D，即圓形試樣直徑的五倍。混淆或未能觀察到這種差異會導致特徵值不再具有可比性。
- 不同的測試方法與定義：儘管兩項標準皆對同一種材料進行測試，但特徵值（如伸長率或降服點）的定義與評估方式並不相同，因此直接的可重複性受到限制。
- 不同測試速度：ISO 6892-1 會根據材料特性精確規範了測試速度，而 ASTM E8 則允許較大的公差——這會對測試結果產生顯著可測量的影響。
- 不同控制方法與名稱標示：ISO 與 ASTM 對控制類型的命名不同（例如在 ASTM E8 中，將閉環應變速率控制標示為方法 B，而在 ISO 6892-1 中則為方法 A1），這往往容易引發混淆。
- 試樣與測量方法上的差異：儘管部分試樣的幾何形狀已趨於統一，但在尺寸、測量不確定度和橫截面測量方面仍存在差異。
- 應變值的判定方式不同：均勻伸長率（Uniform Elongation）與斷裂後伸長率（Elongation at Break）係依據不同的測定方法進行評估，因此可能產生不同的測試結果，而此差異在高延性材料中通常更為顯著。
- 試驗結果的定義差異：諸如拉伸強度（Rm 對比 TS）或應變值等專業術語，即使聽起來十分相似，但在方法學上也不盡相同。
簡短摘要：ISO 6892-1 與 ASTM E8 大體上為協調一致的，但並非完全相同——即使在方法學與評估上的細微差別，亦可能導致測試結果的顯著差異。
您可以在我們的部落格文章「ASTM E8 對比 ISO 6892-1」 或網路研討會錄影中獲取更多詳細資訊。
簡言之，其差異在於：
- 斷裂時伸長率
：是指試樣在斷裂瞬間的精確伸長量。因此，通常是在測試過程中使用延伸計或光學測量系統來記錄該項數值。 - 斷裂後伸長率
：是指試樣在斷裂後，將斷裂碎片重新拼合在一起，利用手動或光學方式測量標距長度增量所測定的伸長量。
為什麼區分兩者如此重要？
在 ASTM E8 / E8M 的規範框架下，區分兩者的重要性在於，因為斷裂後伸長率極大取決於操作人員的影響與手動複測的正確度，而斷裂時伸長率則主要取決於測試過程中使用的測量系統。因此，這兩項數值絕非完全相同，特別是在局部頸縮、斷裂位置、人工回傳誤差或採用不同測量方法等情況下更是如此。
拉伸試樣的形狀範圍相當廣。ASTM E8 / E8M 列出了用於金屬板材與薄板材的標準扁平試樣、大直徑管材、特殊試樣夾具的標準板型試樣，以及標準圓形試樣，並規定了所有應變值所參照的初始標距長度。除了少數例外，所有試樣製備所需的尺寸皆已明確規定，或至少提供了最小尺寸的指引（請參閱 ASTM E8/E8M-25 第 6 節「測試試樣」）。
為試片製備提供了重要資訊，旨在確保取樣過程和隨後的試片製備不會影響材料，因為這可能反過來影響拉伸測試的結果。所有在試樣加工過程中因為切割或沖壓成形而導致應變硬化的區域，如果會影響到試樣的性質，都必須依照要求進行處理。有固定橫截面（輪廓、棒材、線材等）的產品及鑄造的試樣（例如鑄鐵、非鐵合金），在測試前不需進行處理。
符合 ASTM E8 / E8M 標準的標準薄板型試樣
| 試樣 / 材料 | 板材厚度 | 測量類型 | ASTM E8 | |
|---|---|---|---|---|
| 拉伸板型試樣「薄板型」* ：金屬薄板、板材、扁平金屬絲、帶材、矩材與型材 | 0.13 mm 至 19 mm [0.005 in. 至 0.750 in.] | 標距長度 G | 50 mm [2.0 in.] |  |
| 寬度（W） | 12.5 mm [0.5 in.] | |||
| 重型板材試樣「厚材型」 ：金屬薄板、型材與平板材料 | 最小 5 mm [0.188 in.] | 標距長度 G | 200 mm [8.0 in.] | |
| 寬度（W） | 40 mm [1.5 in.] | |||
| 最小試樣“小尺寸試樣” | 最大 6 mm [0.250 in.] | 標距長度 G | 25 mm [1.0 in.] | |
| 寬度（W） | 6.0 mm [0.25 in.] |
* 對於厚度不超過 0.15 mm [0.0059 in.] 的材料，應適用 ASTM E345 標準
* 亦可使用銷釘加載的拉伸測試試樣。在對薄型與高強度材料進行測試時，為避免試樣發生屈曲，可能需要在夾爪末端加裝補強板。（參見 ASTM E8 / E8M-25 第 6.3 節圖 8，平板狀試樣）
符合 ASTM E8 與 ASTM E8M 標準的圓棒試樣
| 試樣 | 測量類型 | ASTM E8 （標距長度為直徑的 4 倍） | ASTM E8M （標距長度為直徑的 5 倍） | |
|---|---|---|---|---|
| 標準試樣「試樣 1」 | 標距長度 G | 50.0 mm [2.000 in.] | 62.5 mm [2.500 in.] |  |
| 直徑 D | 12.5 mm [0.500 in.] | |||
| 最小圓角半徑 R | 10.0 mm [0.375 in.] | |||
| 平行長度 A（縮頸區長度） | 56.0 mm [2.25 in.] | 75.0 mm [3.0 in.] | ||
| 按標準試樣比例縮小之試樣 | ||||
| 「試樣 2」 | 標距長度 G | 36.0 mm [1.400 in.] | 45.0 mm [1.750 in.] | |
| 最小圓角半徑 R | 8.0 mm [0.25 in.] | |||
| 直徑 D | 9.0 mm [0.350 in.] | |||
| 平行長度 A（縮頸區長度） | 45.0 mm [1.75 in.] | 54.0 mm [2.0 in.] | ||
| 「試樣 3」 | 標距長度 G | 24.0 mm [1.000 in.] | 30.0 mm [1.250 in.] | |
| 直徑 D | 6.0 mm [0.250 in.] | |||
| 最小圓角半徑 R | 6.0 mm [0.188 in.] | |||
| 平行長度 A（縮頸區長度） | 30.0 mm [1.25 in.] | 36.0 mm [1.4 in.] | ||
| 「試樣 4」 | 標距長度 G | 16.0 mm [0.640 in.] | 20.0 mm [0.800 in.] | |
| 直徑 D | 4.0 mm [0.160 in.] | |||
| 最小圓角半徑 R | 4.0 mm [0.156 in.] | |||
| 平行長度 A（縮頸區長度） | 20.0 mm [0.75 in.] | 24.0 mm [1.0 in.] | ||
| 「試樣 5」 | 標距長度 G | 10.0 mm [0.450 in.] | 12.5 mm [0.565 in.] | |
| 直徑 D | 2.5 mm [0.113 in.] | |||
| 最小圓角半徑 R | 2.0 mm [0.094 in.] | |||
| 平行長度 A（縮頸區長度） | 16.0 mm [0.625 in.] | 20.0 mm [0.75 in.] | ||
特別關注的是測試速度。ASTM E8和ASTM E8M支持五種不同指定的測試速度方法。它們被指定為
- 試樣應變速率
- 試樣應力速率
- 橫樑速度
- 完成部分或全部試驗所需的時間
- 空載橫樑速度（試驗機橫樑在無負載下的移動速度）。
為了測定所謂的降伏特性，即 降伏強度、降伏點伸長率和偏位降伏，一般來說，與材料行為從彈性到塑性的變化相關的所有特徵值，定義合適的控制測試速度是相當重要的。因為在金屬材料的情況下，這些特徵值可能在很大程度上取決於實際測試速度，因此測試速度必須保持在指定的公差範圍內。ASTM E8 和 ASTM E8M 透過三種不同的控制方法將這一點考慮進去。它們被指定為方法 A、B 和 C。
控制方法Ｂ：
推薦方法 | 控制方法Ｃ：
| 控制方法Ａ：
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方法 C是根據恆定的橫樑速度。
- 應設置橫樑速度並保持恆定，以便試樣的初始平行長度經歷0.015 ± 0.003 in./in./min 或 mm/mm/min 的伸長率。
- 如果材料不會持續地變形，則建議使用此方法。
- 方法 C 適用於未配備數位控制系統或高性能驅動系統的試驗機，但已不再被視為當前主流的先進控制方式。
方法 A 是以施加載荷過程中拉伸應力的增加速率為控制依據。
需要特別注意的是，這並不是一種力值控制試驗。相反地，試驗機應以恆定的橫樑速度或致動器速度運行，使試樣產生規範的應力速率（例如 11 MPa/s）。由於標準規範中的文字表述有時不夠明確，導致該要求偶爾會被誤解。特別是容易讓人誤認為必須採用受力控制。然而，採用受力控制可能導致測試結果嚴重失真，甚至無法使用。
- 在拉伸測試的線性彈性部分，即在測試的最開始，施加應力的速率必須在 1.15 和 11.5 MPa/sec 之間（這對應於 10000 和 100000 psi/min）。
- 然而，在ASTM E8和ASTM E8M中，明確指出了這些規範和方法並不意味著應力增加應保持恆定直至達到塑性行為點，或者力增加的閉環控制可應用於線性彈性範圍之外。
- 在實際應用中，當無法取得應變控制的測試佈局時，對於結構鋼、淬回火鋼或多數有色金屬等彈性行為相對穩定的標準金屬，通常採用方法 A。但若要使設定正確，需要豐富經驗並對系統剛性有深入的了解。
方法 B是基於在加載過程中，控制應變速度或應變率（應變率控制 ）。
- 試驗機透過使用延伸計保持恆定的閉環應變率，以連續提供用於計算精確應變率的應變值。
- 該標準規定的 應變率為 0.015 ± 0.006 in./in./min 或 mm/mm/min，這對應於設置應變率時的 40% 公差。
- 其被視為幾乎所有金屬材料的首選方法，特別是高強度鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金以及對應變速率敏感型材料。
應變率控制提高了測試結果的可靠性並確保了可再現性。金屬材料的特性值在很大程度上取決於應變率。通常應變率越高，強度值越高。合金和其他產品特性也會影響應變率依賴性。
閉環應變率控制提供了特殊的優勢，其中自適應控制器用於自動保持正確的應變速度：
- 節省時間：系統自動設置正確的應變率，免於了操作員的干預。
- 簡單可靠：這也消除了設置參數時的錯誤
- 精度：自適應控制器可防止應變率過衝，使其保持恆定並處於公差範圍內，以便在發生意外事件時應變率也保持在公差範圍內。
該方法需要配備有控制技術的測試系統，但可以顯著簡化測試操作。
