ASTM E8/ASTM E8M：金属的拉伸试验
符合 ASTM E8 / ASTM E8M 标准的拉伸试验是测定环境温度下金属材料机械性能的关键试验方法。然而，在实践中，试验结果往往缺乏可再现性或难以对比。这通常是由试验配置、速度控制或操作人员影响等细节因素造成的。ZwickRoell 可帮助您系统地控制这些错误来源——从试样测量到符合标准的评估。
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ASTM E8 / ASTM E8M——关键要点一览
- ASTM E8 / ASTM E8M 规定了室温下进行金属单轴拉伸试验的方法，用于测定屈服点和规定塑性延伸强度、拉伸强度、断裂伸长率和断面收缩率，为材料对比、质量保证和认证提供依据。
- ASTM E8（英制单位）与 ASTM E8M（SI 单位）之间存在差异，其中之一是圆棒试样的原始标距长度不同（4D 与 5D）——这也是造成试验结果缺乏可再现性的常见原因。
- 试验结果离散性的最大原因往往不在于材料试验机本身，而在于试样制备、横截面积测定、应变测量、试样对中、试验速度选择以及操作人员影响。
- 尤其对于对应变速率敏感的合金而言，不同的试验速度控制方法（方法 A、B 或 C）可能导致显著不同的试验结果。谨慎选择方法并保持试验参数的一致性，对于获得可再现的试验结果至关重要。
- ASTM E8 推荐应变速率控制，符合方法 B（闭环）的要求，因为该方法可大幅降低试验系统、夹持系统和试验机刚度带来的影响，并显著提高试验结果的可靠性和可比性。
- ZwickRoell 凭借 testXpert 测试软件，提供协调一致的试验技术和标准化流程支持，从简单应用到自动化试验流程，可降低操作人员影响，并以高效、符合标准且可追溯的方式执行 ASTM E8 试验。
ASTM E8 实际应用：常见误差来源及其对试验结果的影响
- 试验质量在试样制备阶段就已确定。与标准中规定的试样尺寸和公差存在偏差、因切割或冲压而未进行适当后处理导致的应变硬化，以及测量范围内的损伤，都可能改变材料行为，并导致试验结果难以实现可再现性。
- 横截面积测量不准确：所有应力参数均基于试样的初始横截面积。初始横截面积测量误差仅为 1%，就会直接影响屈服强度、拉伸强度及其他参数，并可能损害整个试验的有效性。精度至关重要。
- 试样的对中与夹持：施力质量对试验的有效性至关重要。即使在夹持过程中仅存在轻微的对中偏差、不均匀的夹持力，或夹具夹面选择不当，也可能导致试样打滑或在夹持区域发生断裂，从而产生局部夹持应力峰值、过早断裂或增加结果离散性，尤其是在微型试样或小尺寸试样试验中。因此，通过正确选择试样夹具和夹面嵌件，实现可再现且低应力的夹持，是获得可靠结果最重要的前提条件之一，特别是对于试验方法 A 和 C 而言。
- 引伸计的选择与校准：精确的应变测量对于确定屈服强度和规定塑性延伸强度至关重要。试验后进行手动测量会增加操作人员的影响。接触力、定位不正确，或校准不足，以及使用校准等级不符合标准的引伸计，都会导致应变测量中出现系统误差。
- 在实践中，断裂伸长率和断后伸长率经常被混淆。对不同参数进行比较或错误解读，都可能导致错误的材料评估和放行决策。
- 试验速度控制不一致或选择不当：控制方法 A、B 或 C 通常会导致屈服强度和规定塑性延伸强度结果出现显著差异，尤其对于对应变速率变化敏感的合金而言。方法的合理选择和试验参数的一致性必须由试验方和评估方事先明确达成一致。
- 操作人员影响：夹持、测量和评估等人工操作过程会增加试验结果的离散性——尤其是在高试验量条件下。
在这些方面仔细关注细节，有助于最大限度地减少误差并提高数据质量。这正是 ZwickRoell 试验解决方案发挥作用的地方，可确保试验流程中的关键步骤可靠、精确且可再现地执行。
试验过程如下：
在符合 ASTM E8 / ASTM E8M 标准的拉伸试验中，标准化金属试样承受单轴载荷直至断裂。ASTM E8 规定了试样几何形状、试验速度、控制程序以及应变测量的要求。
- 拉伸试验首先按照标准要求制备试样，并精确测量其初始横截面积。
- 随后将试样夹持在合适的夹具中，并居中对齐。
- 在加载过程中，会持续测量力和应变。根据所选的控制方法，控制可通过应力速率（方法 A）、应变速率（方法 B）或横梁速度（方法 C）来实现。一旦达到屈服点和规定塑性延伸强度，即可按照标准规定提高试验速度。
- 该试验用于测定屈服点、规定塑性延伸强度、拉伸强度、断裂伸长率和断面收缩率等特性值。为测定断面收缩率，还可对断裂位置处的横截面积进行测量。
横截面积测量
仅横截面积测量这一项，就决定了所有应力相关参数的准确性。凭借 CMU30 和 CMU80 测量系统，能够以亚微米级分辨率和极高精度自动测量试样的厚度和宽度尺寸，从而确定其横截面积。测量值直接传输至 testXpert 测试软件中，从而消除了传输误差和操作人员的影响。
试验机机架与力传感器的选择
试验机的选择往往仅依据所需的最大力值范围来进行。然而，在实践中，合理组合试验机机架（万能试验机）、力传感器、试样夹具/试样安装夹具以及引伸计，决定了试验能否高效且可再现地进行。因此，选择过程首先应从试样的预期力值范围开始。在此基础上，选择合适的试验机机架、适用的夹具以及最佳匹配的力传感器。
ZwickRoell 模块化试验系统方案的一大优势在于，几乎任何引伸计都能够与几乎任何试验机机架组合使用。这使试验系统能够灵活适应不同材料、试样几何形状以及标准要求。与此同时，所有力传感器均校准至其标称力值 ±0.2% 以内。例如，即使试验载荷仅为 200 N，100 kN 力传感器仍能够实现精确测量。这使得小尺寸试样和大尺寸试样都能够在同一台材料试验机上按照标准要求进行测试，而不会影响测量精度。
试验速度与控制方法的选择
试验速度对测得的材料性能具有直接影响。尤其是对于应变速率敏感的材料，不同的速度可能导致不同的屈服点、应变值和强度。ASTM E8 / ASTM E8M 为此规定了三种控制方法（有关这些控制方法及其适用性的更多信息，请参见常见问题解答）：
- 应力速率控制（方法 A）
- 应变速率控制（方法 B）
- 横梁速度控制（方法 C）
ZwickRoell 试验系统支持该标准中规定的所有控制方法，从而能够按照标准要求满足各种试验需求。
对于标准中优先推荐的方法 B，ZwickRoell 试验系统可在闭环控制系统中实现精确的应变速率控制。与光学或接触式引伸计配合使用，可对实际应变率进行连续监测并自动调节。虽然该标准允许应变速率存在相对较大的公差，即 ±20%（根据 ASTM E8 标准的规定，应变速率为 0.015 ± 0.006 in./in./min 或 mm/mm/min），但 ZwickRoell 系统通常能够实现 3% 或更高的精度。这提高了结果的可再现性，并确保即使使用不同的材料，所选的试验速度也能得到可靠维持。
使用我们的testXpert测试软件，应变速率始终可追溯。
- 红线(1)显示了ASTM E8标准定义的容差范围（设定速度的40%）。
- 绿色虚线代表较窄的容差范围5%，这是ZwickRoell测试系统所使用的基准，即使发生突发情况也能保证安全。良好的应变速率控制体现为(2)进口波动小以及(3)速度控制稳定。其中一个重要的要求是自适应控制器。
引伸计的选择
应变测量是 ASTM E8 / ASTM E8M 拉伸试验中的关键影响因素之一。该标准允许采用不同的方法测定伸长率——从试验结束后手动测量断裂伸长率，到采用接触式引伸计（夹持式引伸计或makroXtens 传感器臂引伸计），再到光学引伸计（理想情况下采用无需标记的解决方案，例如 videoXtens），后者可在整个试验过程中以非接触方式连续记录伸长量。
- 试验结束后手动测定断裂伸长率，受操作人员影响相对较大。即使在拼接碎片或读取标距长度时出现微小偏差，也会影响结果。
- 接触式引伸计可在试验过程中提供精确的伸长率值，但必须由操作人员正确定位，且可能会产生额外的工作量，尤其对于敏感或小型试样而言。
ZwickRoell 的首选解决方案是光学引伸计。它们可直接在试样上检测伸长量，无需接触且不受操作人员影响。
- 因此，标距长度和测量位置均明确定义，且在任何时候均可再现。
- 同时，光学引伸计还支持 ASTM E8 优先推荐的方法 B 应变速率控制，因为其能够连续、高精度地记录伸长量。
- 另一项优势是，可记录整个试样上的应变分布。这意味着即使试验已经完成，仍可进行额外评估。在许多情况下，还可省去手动测定断裂伸长率的步骤，从而消除了另一个潜在的误差来源。这能够减少操作人员影响，提高结果的可再现性，并且简化实验室的日常试验工作。
ASTM E8标准与testXpert测试软件 – 高效且可靠的测试
使用testXpert，可以提高符合ASTM E8标准的试验的效率。testXpert还提供可靠的测试结果，是您做出可靠决策的基础。
- 无论您选择哪种方法，ASTM E8 中规定的所有参数均包含在试验程序中，并且 100% 符合标准。在预先配置的布局中，您可以看到实际达到的应变速率位于标准规定的公差范围内。
- 无需浪费时间进行预测试和手动计算，即可获得符合ASTM E8标准的应变速率。testXpert会自动设置所有控制参数。以高精度接近目标位置和应变值。在线补偿试样特性的变化。
- testXpert通过预定义的试验机配置，确保在相同的试验条件下获得可重复的测试结果。
- 为了获得可再现的测试结果，操作员的影响被降至最低，例如通过我们的用户管理功能。
有关ASTM E8的常见问题
严格来讲，本 ASTM 标准包括两个标准，因此必须将 ASTM E8 与ASTM E8M 区分开。ASTM E8 采用英寸和磅为计量单位，而ASTM E8M 则采用国际单位制（SI）单位。正因为如此，用一种单位制测定的值并不完全等于用另一种单位制测定的值。然而，在实践中通常不会造成问题，因为在特性值的测定和比较过程中无需进行单位制转换。
但在此需要特别注意的是，ASTM E8 中用于测定应变的初始标距长度为 4D，即圆棒试样直径的四倍，而 ASTM E8M 中则为 5D，即圆棒试样直径的五倍。混淆或忽视这一差异，可能会导致特性值不再具有可比性。
- 不同的试验方法和定义：尽管两项标准试验的是同一种材料，但特性值（如伸长率或屈服点）的定义和评定方法有所不同——因此直接可再现性有限。
- 不同的试验速度：ISO 6892-1 根据材料类型精确规定了试验速度，而 ASTM E8 允许更大的公差——这可能会对结果产生可测量的影响。
- 不同的控制方法和名称：控制类型的指定（例如，闭环应变速率控制在 ASTM E8 标准中被指定为方法 B，而在 ISO 6892-1 标准中被指定为方法 A1）在 ISO 和ASTM 标准中的命名方式不同，这往往会引起混淆。
- 试样和测量方法的差异：尽管试样几何形状已部分统一，但在尺寸、测量不确定度以及横截面积测量方面仍存在细节差异。
- 应变值的测定方法不同：均匀伸长率和断裂伸长率的测定采用不同的方法，从而导致不同的结果，尤其对于延性材料而言。
- 结果定义不同：抗拉强度（Rm 与 TS）或应变值等术语，尽管听起来相似，但在方法学上并不完全相同。
简要总结：ISO 6892-1 和 ASTM E8 在很大程度上实现了协调统一，但并不完全相同——即使是方法和评定方面存在细微差异，也可能导致试验结果出现显著差异。
更多信息请参阅我们的博客文章《ASTM E8 与 ISO 6892-1 对比》或观看网络研讨会录播。
简而言之，不同在于：
- 断裂伸长率
指试样发生断裂瞬间的伸长率。因此，在试验过程中进行记录，通常使用引伸计或光学测量系统。 - 断后伸长率
指将断裂后的试样重新拼接在一起，通过手动或光学方式测量标距长度的延伸量所测定的伸长率。
为什么这种区分很重要？
在 ASTM E8/E8M 标准的规范背景下，这一区别至关重要，因为断后伸长率更依赖于操作人员的影响以及手动复测的正确性，而断裂伸长率则更多取决于试验过程中使用的测量系统。因此，两者所得数值并非自动一致，尤其是在局部缩颈、断裂位置、手动复测以及测量方法不同的情况下。
拉伸试样的形状多种多样。ASTM E8/ E8M 标准列出了用于金属板和金属薄板的标准平板试样、适用于大直径管件的试样、特殊试样夹具以及标准圆棒试样，并规定了所有应变值所依据的相应初始量程长度。除少数例外情况外，标准中规定了试样制备所需的所有尺寸，否则会注明最小尺寸(参见 ASTM E8/E8M-25 标准第 6 节“试验试样”)。
为试样制备提供了重要信息，旨在确保取样过程和后续的试样制备不会影响材料，因为这反过来会影响拉伸试验的结果。所有在试样加工过程中通过切割或冲压进行应变硬化的区域，如果它们对试样性能有影响，则必须进行相应的处理。具有恒定横截面的产品（型材、棒材、线材等）和铸造试样（例如铸铁、有色合金）可以不经过加工处理就进行试验。
符合 ASTM E8/ E8M 标准的平板试样
| 试样/材料 | 薄板厚度 | 测量类型 | ASTM E8 | |
|---|---|---|---|---|
| 平板拉伸试样“薄板型”* 金属薄板、厚板、扁线、带材、矩形截面试样和型材 | 0.13 mm 至 19 mm [0.005 in. 至 0.750 in.] | 标距长度 G | 50 mm [2.0 in.] |  |
| 宽度(W) | 12.5 mm [0.5 in.] | |||
| 厚板试样“板型” 金属薄板、型材和扁平材料 | 最小 5 mm [0.188 in.] | 标距长度 G | 200 mm [8.0 in.] | |
| 宽度(W) | 40 mm [1.5 in.] | |||
| 规格最小的“小尺寸试样” | 最大 6 mm [0.250 in.] | 标距长度 G | 25 mm [1.0 in.] | |
| 宽度(W) | 6.0 mm [0.25 in.] |
* 对于厚度不超过 0.15 mm [0.0059 in.] 的材料，应采用 ASTM E345 标准
* 可采用销加载拉伸试样。在测试薄壁高强度材料时，为避免发生屈曲，可能需要在夹具夹持端使用加强板。（参见 ASTM E8/E8M-25 第 6.3 节“薄板型”中的图 8）
符合 ASTM E8 和 E8M 标准的圆棒试样
| 试样 | 测量类型 | ASTM E8 （4 倍直径） | ASTM E8M （5 倍直径） | |
|---|---|---|---|---|
| 标准试样 ”试样 1“ | 标距长度 G | 50.0 mm [2.000 in.] | 62.5 mm [2.500 in.] |  |
| 直径 D | 12.5 mm [0.500 in.] | |||
| 圆角半径 R（最小值） | 10.0 mm [0.375 in.] | |||
| 平行长度 A（凹陷段长度） | 56.0 mm [2.25 in.] | 75.0 mm [3.0 in.] | ||
| 与标准试样成比例的小尺寸试样 | ||||
| ”试样 2“ | 标距长度 G | 36.0 mm [1.400 in.] | 45.0 mm [1.750 in.] | |
| 圆角半径 R（最小值） | 8.0 mm [0.25 in.] | |||
| 直径 D | 9.0 mm [0.350 in.] | |||
| 平行长度 A（凹陷段长度） | 45.0 mm [1.75 in.] | 54.0 mm [2.0 in.] | ||
| ”试样 3“ | 标距长度 G | 24.0 mm [1.000 in.] | 30.0 mm [1.250 in.] | |
| 直径 D | 6.0 mm [0.250 in.] | |||
| 圆角半径 R（最小值） | 6.0 mm [0.188 in.] | |||
| 平行长度 A（凹陷段长度） | 30.0 mm [1.25 in.] | 36.0 mm [1.4 in.] | ||
| ”试样 4“ | 标距长度 G | 16.0 mm [0.640 in.] | 20.0 mm [0.800 in.] | |
| 直径 D | 4.0 mm [0.160 in.] | |||
| 圆角半径 R（最小值） | 4.0 mm [0.156 in.] | |||
| 平行长度 A（凹陷段长度） | 20.0 mm [0.75 in.] | 24.0 mm [1.0 in.] | ||
| ”试样 5“ | 标距长度 G | 10.0 mm [0.450 in.] | 12.5 mm [0.565 in.] | |
| 直径 D | 2.5 mm [0.113 in.] | |||
| 圆角半径 R（最小值） | 2.0 mm [0.094 in.] | |||
| 平行长度 A（凹陷段长度） | 16.0 mm [0.625 in.] | 20.0 mm [0.75 in.] | ||
重点关注试验速度。ASTM E8和ASTM E8M标准支持用五种不同的方法指定试验速度。它们分别称为
- 试样应变速率
- 试样应力速率
- 横梁速度
- 完成部分或全部试验所花费的时间
- 自由运行横梁速度（无载荷作用时试验机横梁的移动速率）
方法C基于横梁的恒定速度。
- 横梁速度应设置并保持为恒定，以使试样初始平行长度的伸长为0.015 ± 0.003 in./in./min或mm/mm/min。
- 如果材料不会连续变形，建议采用此方法。
- 方法 C 适用于不具备数字控制功能或高质量驱动系统的试验机，但如今已不再被视为先进技术。
方法 A 基于载荷施加过程中拉伸应力的增加。
决定性因素在于这不是一种力控制试验。相反，试验机应以恒定的横梁速度或作动缸速度运行，从而在试样中产生规定的应力速率（例如 11 MPa/s）。由于标准中的措辞有时不够明确，这一要求偶尔会被错误解读。尤其是，人们错误地认为需要进行力控制。然而，采用这种力控制可能导致试验结果严重失真且无法使用。
- 在拉伸试验的线弹性部分（即在试验最初），应力施加速率必须在1.15至11.5 MPa/sec之间（这对应于10000至100000 psi/min）。
- 然而，在ASTM E8和ASTM E8M标准中明确指出，这些规范和方法并不意味着：应力增加应保持恒定直至塑性行为点，或者力增加的闭环控制可应用于线弹性范围之外。
- 在实际应用中，当无法采用应变控制试验方案时，方法 A 常用于具有相对稳定弹性行为的标准金属材料，例如结构钢、调质钢以及许多有色金属。然而，要进行正确的设置，需要有丰富的经验，并充分了解系统的刚度。
方法B基于载荷施加过程中应变速度或应变速率的控制（应变速率控制）。
- 通过使用引伸计连续不断地提供用于计算精确应变速率的应变值，试验机可保持闭环应变速率恒定。
- 该标准规定应变速率为0.015 ± 0.006 in./in./min或mm/mm/min，对应于设定应变速率时的40%容差。
- 该方法被认为是几乎所有金属材料的首选方法，尤其适用于高强度钢、铝合金、钛合金、镍基合金以及对应变速率敏感的材料。
应变速率控制增加了测试结果的可靠性，确保了可再现性。金属材料的特性值在很大程度上取决于应变速率。通常，应变速率越高，强度值就越高。合金和其他产品特性也会影响应变速率相关性。
闭环应变速率控制具有特殊优势，其中使用自适应控制器自动保持正确的应变速度：
- 节省时间：系统会自动设置正确的应变速率，无需用户干预。
- 简单可靠：这也消除了设置参数时的错误
- 精度：自适应控制器可防止应变速率过冲，使其保持恒定并完全处于容差范围内，因此，即使在发生突发情况时应变速率也能一直保持在容差限制内。
虽然此方法需要一个配备控制技术的测试系统，但这可大大简化试验操作。
