符合 ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准的金属拉伸试验：了解它们的差异并从中获益
钢铁制造商、铝制造商、OEM 以及测试实验室通常会将金属拉伸试验作为质量保证的一部分。对部件强度、安全性和可靠性至关重要的材料性能进行试验。同时，还必须确保相关试验按照标准进行——根据客户要求或市场准入需求——可依据 ISO 6892-1、ASTM E8/E8M 或同时依据两项标准开展试验。这是因为这两项标准在全球范围内都具有重要地位，因此许多实验室会并行采用这两项标准。
在所有情况下，目标都是一致的：拉伸试验应提供一致、可靠且具有可追溯性和可再现性的结果。然而，挑战恰恰从这里开始，尤其是对于那些经常需要同时按照这两项标准开展试验的实验室而言。这引出了一个问题：按照 ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准获得的试验结果能否相互比较——如果可以，又需要满足哪些条件？
两项标准一览
本文重点关注在室温下按照两项关键标准进行的金属拉伸试验：
- ISO 6892-1：金属材料——拉伸试验——第 1 部分：室温下的试验方法
- ASTM E8/E8M：金属材料拉伸试验的标准试验方法
本文不涉及高温或低温条件下试验的相关标准部分。
我们的专家是相关 ISO 和 ASTM 标准化委员会的成员。
为什么会有 ISO 和 ASTM 两套标准？
ISO 6892-1 与 ASTM E8/E8M 标准之间的差异，也与其各自来源的标准化组织有关。ISO 是一家国际组织，总部位于瑞士，各成员国的国家标准化机构均在其中派有代表。ASTM 总部位于美国，最初深受美国影响，但如今已在全球范围内得到广泛应用，并汇聚了来自工业界、科研界和政府机构的成员。
由于历史原因，这两个组织在其结构、工作方法、更新流程和优先事项方面有所不同。这一点也体现在相关标准中：两者均提供了金属拉伸试验标准，但在侧重点和详细程度上有时存在差异。
鉴于这两项标准在全球范围内的重要性，推动标准协调统一的需求过去显而易见，至今仍然如此。两者已经存在许多相似之处：按照这两项标准进行金属拉伸试验的基本流程相同。两者均采用可再现的试验系统和设备，如试样夹具，同时，ASTM E8M 还确立了采用 SI 单位的公制版本。用于平板试样的通用试样几何形状也是协调统一的成果。
两项标准中的试验流程本身遵循相同的逻辑：从半成品开始，制备试样、测量几何尺寸、进行拉伸试验，并记录和评估数据。正是这种共同的基本结构，为进一步推动协调统一提供了良好的起点。
1.试样几何形状
对于平板试样，ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准均规定了统一的试样几何形状。这种统一的几何形状是协调统一的一部分，并使在特定条件下更好地比较试验结果成为可能。
| 参数 | ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M |
|---|---|---|
| 试样类型 | B1 | 平板试样（薄板型） |
| 宽度 | 12.5 mm | 12.5 mm |
| 标距长度 | 50 mm | 50 mm |
| 厚度 | ≤ 3 mm | 0.13 至 5 mm |
因此，薄板厚度的重叠范围为 0.13 mm 至 3 mm。在这一范围内，可采用统一的薄板型试样几何形状，尽可能使试验条件保持一致。然而，这并不自动意味着所有结果都具有直接的可再现性——但它减少了一个重要的影响因素。
对于圆棒试样，情况则有所不同。两项标准均定义了圆柱形圆棒试样，并且在两项标准中，标距长度均按照试样直径确定。然而，ASTM E8 根据直径进行区分，而 ISO 6892-1 则会考虑材料组别。两项标准并未规定统一的圆棒试样几何形状。如果需建立可比的试验条件，则必须对标距长度和直径进行有针对性的协调。
对于螺钉、管材或类似产品等特殊产品，有时相关的独立章节或附录也适用，因此必须加以考虑。
一旦使用不同的试样几何形状，则结果不具有可再现性——即使测定值与横截面积相关联也是如此。因此：为获得可再现的应力-应变行为，标距长度和横截面必须相同。
2.试样尺寸测量/初始横截面积测定
在实践中，横截面积测量的影响往往被低估。初始横截面积会直接影响所有计算得到的应力值。如果所测定的横截面积不同，结果也会有所不同——即使实际试验过程正确无误。
根据 ISO 6892-1 标准，需要沿平行试样长度的多个位置进行测量，以确定横截面积。随后对横截面积测量值取平均值。厚度测量的精度要求为 ±2%。
ASTM E8/E8M 标准在这方面采用了不同的方法。在平行试样长度最窄的位置进行测量。此外，对于厚度测量精度还规定了绝对值要求：对于小于 2.5 mm 的薄板厚度，要求达到 2 µm；对于 2.5 mm 至 5 mm 的薄板厚度，要求达到 10 µm；对于大于 5 mm 的薄板厚度，要求达到 20 µm。
| ISO 6892-1 | ASTM E8/E8M | |
|---|---|---|
| 测定方式 | 在平行试样长度的多个位置进行测量，并对横截面积测量值取平均值 | 在平行试样长度最窄的位置进行测量 |
| 厚度测量精度 | ±2 百分之 | 根据薄板厚度的不同 ( 2.5 mm, 2.5 - 5 mm / > 5 mm): 2 µm / 10 µm / 20 µm |
根据薄板厚度的不同，厚度测量的百分比要求和绝对值要求之间可能存在显著差异。例如：对于 3 mm 的薄板厚度，根据 ISO 6892-1 标准，允许的偏差最高可达 60 µm，而 ASTM E8M 标准仅允许 10 µm。此类差异在审核、客户问询，或试验结果接近限值时可能变得尤为重要。
3.试验系统要求
按照 ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准进行的基础试验配置具有可再现性：需要配备合适的试验机机架，以及测量和控制电子系统、试样夹具、力传感器、引伸计，以及用于数据评估、存储和分析的软件。这意味着，按照两项标准进行试验的技术基础在根本上是相似的，因此实验室无需配备两套完全不同的试验系统。
然而，力传感器和引伸计所需的精度等级存在差异。此外，精度等级的定义不同，因为它们基于不同的标准：对于 ISO 6892-1，分别采用 ISO 7500-1（力测量）和 ISO 9513（引伸计）；对于 ASTM E8，则分别采用 ASTM E4（力测量）和 ASTM E83（引伸计）。
在咨询过程中，我们会考虑具体应用，并在各个案例中检查 ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准中哪些要求更高。在此基础上，试验设备的设计应确保一套试验系统能够尽可能可靠地覆盖两项标准。
均匀延伸率或最大力延伸率
名称几乎完全相同，甚至对应的是同一个特性值，然而试验结果却并不具有直接的可再现性。这是因为，根据 ISO 和 ASTM 标准，最大力延伸率（亦称均匀延伸率）的测定有所不同。
根据 ISO 6892-1 标准，最大力总延伸率 Agt 在最大力处进行测定。
而根据 ASTM E8 标准，均匀延伸率 Elu 的测定有所不同：在最大力下方 0.5% 处绘制一条水平线，并在该线的中点读取延伸率。
根据材料的不同，这可能会导致试验结果出现显著差异。
另一个差异在于：ISO 6892-1 标准还定义了最大力塑性延伸率 (Ag)，即从总延伸率中扣除弹性延伸率。ASTM 标准并未采用这一特性值。
断裂应变
断裂时总延伸率是在力值下降前的最后一个测量点测定的，因为该点标志着断裂的发生。在 ISO 6892-1 标准中，该特性值被称为断裂总延伸率 At，而 ASTM E8 标准则将其称为断裂延伸率。
对于 ISO 6892-1 标准中的断裂延伸率 A，需扣除弹性延伸量，因此最终仅输出剩余的延伸量。这里正是 ASTM E8 标准的关键差异所在，因为断裂延伸率通过手动测定，即在试样断裂后将两段试样重新拼接并进行测量。为此，需要在试验前在试样上做标记。
由于手动测量与自动测量得到的结果通常存在较大差异，因此为了与 ISO 标准进行比较，也可以采用手动计算。这种方法在 ISO 6892-1 标准中同样适用，但由于工作量更大且结果离散性较大，因此已越来越少被采用。
在比较断裂延伸率数值时，还需考虑另一个因素：两项标准对塑性变形阶段的试验速度定义不同，因此在这方面可能存在差异。然而，试验速度会对结果产生显著影响，这一点将在下一节中体现得更加明显。
5.试验速度和控制方法
两项标准均规定了三种不同的控制方法，用于控制达到屈服点之前的试验速度。这些方法在功能上具有可比性，但其名称有所不同——而这恰恰是在实验室日常工作中经常引发混淆的原因。
采用不同的控制方法获得的结果不具有可再现性——这是个关键点。
| ISO 6892-1:2020 | 试验方法说明 | ASTM E8/E8M-22 | |
|---|---|---|---|
| 方法 A1 | 闭环应变速率控制，例如 0.00025 s-1 ±20% | 方法 B | 闭环应变速率控制，例如 0.00025 s-1 ±40% |
| 方法 A2 | 开环应变速率控制，例如 0.00025 s-1 ±20% | 方法C | 横梁速度，例如 0.00025 s-1 ±20 % |
| 方法 B | 应力速率，例如钢材为 6/60 MPa/s，铝材为 2/20 MPa/s | 方法 A | 应力速率 1.15 … 11.5 MPa/s |
| 试验速度（超过屈服点后），例如用于测定拉伸强度 | z.B. 0.0067 s-1 ±20 % (or 0.00025 s-1 or 0.002 s-1) | 试验速度（超过屈服点后），例如用于测定拉伸强度 | 例如 0.00083 … 0.0083 s-1 |
对应力速率控制的规定有所不同。而在 ISO 6892-1 标准中，应力速率取决于材料的弹性模量，而在 ASTM E8 标准中，则不受其影响。
另一方面，采用应变速率控制并持续至达到屈服点的方法则具有可再现性。在这方面，两项标准规定了相同的试验速度。只有在“闭环”控制方式下，ASTM E8 标准才允许更大的公差。
金属材料对应变速率较为敏感。例如，更高的试验速度会导致更高的屈服点，从而对试验结果产生重大影响。
采用闭环控制方法可获得试验值的最佳可再现性。这确保了在测定屈服点时采用相同的应变速率。这种方法对设备提出了更高要求，但能够带来更可靠的结果和更小的结果波动，因此往往是值得的。
结论：熟知差异，有效利用相似之处
ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 均是全球公认且在实际应用中得到广泛采用的标准。了解这些差异的人，能够正确解读试验结果、避免错误解读，并提高工作效率。由于两项标准在某些方面已实现协调统一，因此可有针对性地利用其相似之处：例如，通过相同的试样形状、设置、流程，以及整体可再现的试验条件。
在实验室日常工作中，一套无需进行复杂改造即可满足两项标准要求的试验系统，能够显著简化 ISO 6892-1 与 ASTM E8/E8M 标准之间的切换。除了合适的试验设备外，软件也发挥着决定作用：testXpert 的标准试验程序已包含所有相关标准要求，并保证试验符合标准。
试验机设置可保存在测试软件中，并可自动再现。这使得在 ISO 6892-1 和 ASTM E8/E8M 标准之间切换试验时，能够以安全、可再现且高效的方式进行。
