依據 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 進行金屬拉伸測試：了解兩者差異並充分發揮其優勢
鋼鐵製造商、鋁材製造商、原廠委託製造商（OEM）及測試實驗室通常都會執行金屬拉伸測試，以作為品質保證的一環。測試項目涵蓋攸關零組件強度、安全性與可靠性的材料特性。在此同時，必須確保相應的測試是依標準執行—必須遵循 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 其中之一或兩者，端視客戶需求或市場准入要求而定。這是因為這兩套標準在全球皆有重要影響力，因此在許多實驗室中並行使用。
所有情況下的目標均相同：拉伸測試應提供一致、可靠、可追溯且可再現的結果。然而，這正是挑戰的開始；對於定期依據這兩套標準執行測試的實驗室而言，更是如此。從而衍生的問題是：依據 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 進行測試的結果能否相互比較？如果可以，需在何種條件下進行？
兩項標準一覽
本文重點介紹依據以下兩項重要標準進行的室溫金屬拉伸測試：
- ISO 6892-1：金屬材料－拉伸測試 – Part 1：室溫下測試方法
- ASTM E8/E8M：金屬材料拉伸試驗標準方法
本文不涵蓋適用於高溫或低溫試驗的相關標準內容。
我們的專家參與了相關的 ISO 與 ASTM 標準化委員會工作。
為何同時存在 ISO 與 ASTM 標準？
ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 之間的差異，也與制定這些標準的組織背景有關。ISO 是一個國際組織，總部位於瑞士，其會員由全球各成員國的國家標準化機構共同組成。ASTM 總部位於美國，雖然早期深受美國產業需求與標準體系影響，但如今已廣泛應用於全球，並匯聚來自工業界、學術界及政府機關的會員共同參與標準制定。
基於歷史原因，這兩大組織在組織架構、工作方法、更新流程與優先關注事項上皆有所不同。這一點也體現在標準規範之中：兩者皆為金屬拉伸測試提供標準，但在重點與細節深入程度上有部分差異。
有鑑於這兩套標準在全球的重要地位， 推動兩者一致化的訴求始終獲得廣泛迴響。兩者之間已有許多相似之處：依據這兩套標準進行的金屬拉伸測試，其基本流程完全相同；兩者皆使用可再現的測試系統與設備（例如試樣夾具）。而隨著 ASTM E8M 的推出，也建立了採用國際單位制 （SI）的公制版本。扁平試樣所採用的通用試樣幾何形狀，也是標準一致化的成果之一。
兩套標準的測試流程本身皆遵循相同的邏輯：從半成品開始，依序進行試樣製備、幾何尺寸測量、拉伸測試的執行，以及數據的記錄與評估。正是這種共通的基本架構，為進一步一致化奠定了良好的起點。
1.試片幾何形狀
針對扁平試樣，有一個預先定義的幾何形狀同時符合 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 的規範。這個共通的幾何形狀是標準一致化的成果之一，以便在特定條件下更妥善地比對測試結果。
| 參數 | ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M |
|---|---|---|
| 試樣類型 | B1 | 扁平試樣（板材型） |
| 寬度 | 12.5 mm | 12.5 mm |
| 標距長度 | 50 mm | 50 mm |
| 厚度 | 最高達 3 mm | 0.13至5 mm |
因此，板材厚度的重疊範圍為 0.13 mm 至 3 mm。在此範圍內，可採用共通的板材型試樣幾何形狀，使測試條件盡可能相似。然而，這並不必然代表所有測試結果都能直接再現—但它確實消除了一個重要的影響因子。
圓形試樣的情況則有所不同。這兩套標準皆對圓柱形試樣進行定義，且兩者的標距都是相對於直徑而定義。然而，ASTM E8 是依直徑進行區分，而 ISO 6892-1 則將材料類別納入考量。並沒有預先定義的通用圓形試樣幾何形狀。若要創造具可比性的測試條件，必須精心協調標距與直徑之間的關係。
針對螺絲、管材或類似產品等特殊產品，有時必須參考相關的個別章節或附錄。
一旦使用不同的試樣幾何形狀，測試結果便無法再現—即便使數值與截面積相關，也是如此。因此：為獲得可再現的應力-應變行為，標距與截面積必須完全相同。
2.量測試樣尺寸/ 測定初始截面積
在實務上，截面積測量所帶來的影響常被低估。初始截面積會直接影響所有後續算出的應力值。若截面積的測定方式不同，結果也會產生偏差 – 即使測試作業執行妥當，也是如此。
在 ISO 6892-1 中，測量作業是在試樣平行長度上的多個位置點進行，以測定截面積。然後計算這些截面積的平均值。針對厚度測量，規範要求的準確度為 ±2%。
ASTM E8/E8M 則採用不同的處理方式。其測量作業是在試樣平行長度上的最窄處進行。此外，ASTM 針對厚度測量準確度訂定了絕對數值：板材厚度小於 2.5 mm 時為 2 µm；厚度介於 2.5 mm 與 5 mm 之間時為 10 µm；厚度大於 5 mm 時為 20 µm。
| ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M | |
|---|---|---|
| 測定 | 在試樣平行長度上的多個位置點進行測量，然後計算這些截面積的平均值 | 在試樣平行長度的最窄處進行測量 |
| 厚度量測準確度 | ±2% | 根據板材厚度的不同（< 2.5 mm、2.5 – 5 mm / > 5 mm）： 厚度量測準確度分別為 2 µm / 10 µm / 20 µm |
厚度測量採用相對百分比公差或絕對公差時，其差異可能會因板材厚度不同而變得相當顯著。範例：針對 3 mm 的板材厚度，依據 ISO 6892-1，偏差最高可達 60 µm，而 ASTM E8M 則僅允許 10 µm。此類差異在稽核、客戶查詢或測試結果接近極限值時，皆可能變得重要。
3.測試系統範例：
ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 的基本測試配置皆具有可再現性：: 兩者皆需要合適的測試載台（包含測量與控制電子系統）、試樣夾具、載重感測器、延伸計，以及用於評估、儲存與分析數據的軟體。換言之，依據這兩套標準進行測試的技術基礎在本質上極為相似；實驗室不需使用兩套完全不同的測試系統。
然而，荷重元與延伸計所需的準確度等級則有所不同。此外，準確度等級的定義也不相同，因為兩者所依循的標準不同：對於 ISO 6892-1，相關標準還包括 ISO 7500-1（力值量測）與 ISO 9513（延伸計）；而對於 ASTM E8 相關標準則包括 ASTM E4（力值量測）與 ASTM E83（延伸計）。
在我們的諮詢服務中，我們會考量具體的應用情境，並確認 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 在各情境中究竟何者要求較高。以此為基礎，測試設備的設計會盡可能使單一測試系統可靠地同時涵蓋這兩套標準。
4.測試結果
測試結果所涉及的術語與測定方法不盡相同。許多數值非常相似，僅在名稱上有所不同。
然而，在評估最大力時伸長率與斷裂伸長率時，應格外審慎。這些特徵值的測定方法並不相同。
| ISO 6892-1 | ASTM E8 | |
|---|---|---|
| 彈性區斜率（彈性模數斜率） | mE | - |
| 0.2% 塑性伸長時的降伏（elongation）點 | Rp0.2 | 降伏點（偏移量 = 0.2%） |
| 上降伏點 | ReH | 上降伏強度（Upper Yield Strength，UYS） |
| 下降伏點 | ReL | 下降伏強度（Lower Yield Strength，LYS） |
| 降伏點伸長量 | AL | 降伏點伸長率（Yield Point Elongation，YPE） |
| 抗拉強度 | Rm | 抗拉強度（Tensile Strength, TS） |
| 最大力時塑性伸長率 | Ag | - |
| 最大力時總伸長率 | Agt | Elu - 均勻伸長率 |
| 斷裂應變 | A－手動與軟體測量 | 斷裂應變（手動測量） |
| 斷裂總伸長率 | At | 斷裂應變 |
均勻延伸率（Uniform Elongation）或最大力時延伸率（Elongation at Maximum Force）
名稱幾乎完全相同，也代表相同的特徵值，但測試結果卻無法直接再現。這是因為最大力時伸長率（又稱均勻伸長率）在 ISO 與 ASTM 規範中的測定方法不同。
根據 ISO 6892-1，最大力時總伸長率 Agt是於最大力發生處進行測定。
而在 ASTM E8 中，最大力時總伸長率 Elu 的測定方式則有所不同：在最大力發生處下方 0.5% 處繪製一條水平線，並取該水平線中點所對應的伸長率。
這可能會導致測試結果產生實質差異，端視材料而定。
其他差異：ISO 6892-1 另外定義了最大力時塑性伸長率 (Ag)，其中，彈性伸長量已從總數值中扣除。ASTM 則不使用此特徵值。
斷裂應變
斷裂時的總伸長率是在力量下降前的最後一個測量點進行測定，因為該點代表試樣斷裂。在 ISO 6892-1 中，該特徵值稱為斷裂總伸長率 At；ASTM E8 則稱之為斷裂伸長率。
ISO 6892-1 的斷裂伸長率 A 會扣除彈性伸長量，僅輸出剩餘的永久伸長量。ASTM E8 在此則展現出根本上的差異，因為其斷裂後的伸長率是以人工方式測定，亦即在斷裂後，先將試樣的兩半拼接成一體，再進行測量。為此，試樣在測試前須加上標記。
由於人工測量與自動測量的結果往往差異較大，若要與 ISO 的測試結果進行比較，也可採用人工計算方式。根據 ISO 6892-1，此做法同樣可行，但由於所需的人工作業較多，且數據離散度較大，目前已越來越少使用。
在比較斷裂應變數值時，還有一點需要考量：塑性變形範圍內的測試速度在這兩套標準中有不同定義，而且可能有所變化。然而，測試速度會顯著影響測試結果；這點將在下一章節中進一步說明。
5.測試速度與控制方法
兩套標準皆為降伏點之前的測試速度定義了三種不同的控制方式。這些方法在功能上具有可比性，但其名稱與術語不同 – 而這正是日常實驗室工作中經常造成混淆的原因。
使用不同控制方法取得的測試結果並不具備可再現性 – 這是一個必須特別注意的關鍵問題。
| ISO 6892-1：2020 版本 | 試驗方法說明 | ASTM E8/E8M-22 | |
|---|---|---|---|
| 測試方法 A1 | 閉迴路應變速率控制，例如 0.00025 s-1 ±20% | 方法 B | 閉迴路應變速率控制，例如 0.00025 s-1 ±40% |
| 測試方法 A2 | 開迴路應變速率控制，例如 0.00025 s-1 ±20% | 方法 C | 橫樑速度控制，例如 0.00025 s-1 ±20 % |
| 方法 B | 應力速率，例如鋼材為 6/60 MPa/s，鋁材為 2/20 MPa/s | 方法 A | 應力速率 1.15 至 11.5 MPa/s |
| 試驗速度（超過降伏點後），例如用於測定拉伸強度 | 例如0.0067 s-1 ±20 % （或 0.00025 s-1 or 0.002 s-1） | 試驗速度（超過降伏點後），例如用於測定拉伸強度 | 例如：0.00083 … 0.0083 s-1 |
針對應力速率的控制，規範各有不同。應力速率在 ISO 6892-1 中取決於材料的彈性係數，但在 ASTM E8 中則與其無關。
另一方面，採用應變速率控制（直至達到降伏點為止）的方法則具有可再現性。在此，兩套標準定義了相同的測試速度。ASTM E8 只針對「閉迴路」變體允許較大公差。
金屬材料對應變速率相當敏感。例如，較高的測試速度會導致較高的降伏點，進而對測試結果造成重大影響。
採用閉迴路法可使測試值具有最高的可再現性。這確保在測定降伏點時使用相同的應變速率。此方法對設備的要求較高，但結果較為可靠，變異也較小。
總結：瞭解差異，善用共通點
ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 皆為全球公認且在實務中行之有年的標準。只要能瞭解兩者之間的差異，就能將測試結果正確歸類、避免誤判，並提高工作效率。由於這兩套標準在某些方面已經一致化，因此可針對性地利用其共通點：例如採用相同的試樣形狀、設定、程序，以及可再現的整體測試條件。
在日常實驗室工作中，若測試系統無需進行複雜修改即可同時涵蓋這兩套標準，將能使 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 之間的切換變得極為簡便。除了適當的測試設備，軟體也扮演決定性的角色：testXpert 的標準測試程式已包含所有相關的標準要求，能確保測試符合標準。
試驗機設定也可儲存在測試軟體中，並自動再現，以便以安全、可再現且省力的方式，在符合 ISO 6892-1 與 ASTM E8/E8M 的測試之間進行切換。
