1、摘要：拉伸試驗是材料力學性能測試中最常見試驗方法之一。試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力作用的全過程。它具有簡單易行、試樣制備方便等特點。拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數據，對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產品的質量控制以及設備的安全和評估都有很重要的應用價值和參考價值。不同國家的拉伸試驗標準對試驗機、試樣、試驗程序和試驗結果的處理與修約的規定不盡相同，對日本的JIS Z2241-1998、美國的ASTM E 8/E8 M-08 等標準與中國的GB/T228-2002 進行比較，列舉了它們之間的差異并對這些差異對試驗結果的影響進行討論。由于均源自

2、ISO6982-1998，日本和中國的標準對試驗機及其附件、試驗程序和試驗結果處理與修約方面的規定基本一致，只是JIS 標準使用非比例試樣，因此要求較大的樣品尺寸和試驗機能力。與日本和中國的標準相比，ASTM標準在試驗機及其附件、試驗程序、試樣和試驗結果處理與修約方面的規定存在較大差異。對引伸計的精度要求，ASTM標準較高。屈服階段試驗速率，ASTM標準較低，試驗速率降低導致的強度性能指標降低是否足以影響被測產品屈服性能指標合格與否值得關注。不同ASTM標準中對取樣位置、試樣選擇的規定不盡相同，產品測試時應注意不同參考標準的適用范圍。在拉伸試驗結果處理與修約方面，ASTM標準采用的斷面收縮率計

3、算公式與日本和中國的標準不同；對強度性能指標和延性性能指標的修約間隔也不盡相同。關鍵詞：室溫拉伸試驗，拉伸試驗機，拉伸試樣，拉伸試驗，拉伸試驗結果處理及修約1. 前言拉伸試驗是材料力學性能測試中最常見試驗方法之一。試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力作用的全過程。它具有簡單易行、試樣制備方便等特點。拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數據，對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產品的質量控制以及設備的安全和評估都有很重要的應用價值和參考價值1。不同國家的拉伸試驗標準對試驗機、試樣、試驗程序和試驗結果的處理與修約的規定不盡相同，作者選取日本、美國與中國的金屬材料

4、拉伸試驗標準進行比較，列舉了它們之間的差異并對這些差異對試驗結果的影響進行討論。中國的GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法（以下簡稱為GB/T228-2002）等效采用ISO 6892：1998金屬材料室溫拉伸試驗，與源自ISO 6892：1998的日本的JIS Z2241-1998（以下簡稱為JIS Z2241-1998）差異不大。在下文與美國的拉伸試驗標準進行比較時，將它們統稱為ISO 系標準。ASTM E 8/E8 M-08Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials和E 345Test Met

5、hods of Tension Testing of Metallic Foil（以下簡稱為E 8/E 8M-08）規定了美國的金屬材料室溫拉伸試驗方法通則。對于特定的金屬材料，又有專門的試驗標準；例如針對鋼產品的ASTM A 370-07Standard Test MethodsDefinitions for Mechanical Testing of Steel（以下簡稱為A 370-07）和針對鋁及鎂合金產品的ASTM B 557-06和B 557M-07e1TestMethods for Tension TestingWroughtCast Aluminum-Magnesium-All

6、oy ProductsMetric。針對不同標準中的規定可能不同的情況，ASTM標準中規定如果存在異議以專門的產品標準為準。ASTM標準一般均有英制單位版本和公制單位版本，標準號后的M 表示公制單位版本。絕大多數標準的英制單位版本和公制單位版本是合二為一，例如E 8/E 8M-08；部分標準的英制單位版本和公制單位版本是各自獨立的，例如B 557-06 和B 557M-07e1。少數標準只有一個版本，標準的范圍部分中就會表明本標準以英制單位為準（例如A 370-07）或以公制單位為準（例如ASTM E 23-06）。任何情況下同一標準中的不同單位制不能混用：例如按照公制單位版本加工試樣進行試驗

7、，然后將試驗結果換算成英制判斷試樣是否符合英制單位版本的要求。因為GB標準和JIS標準只使用公制單位，所以本文只涉及ASTM標準中的公制單位部分。2. 試驗機及其附屬設備2.1 引伸計表 1. E 8/E 8M-08、A 370-07 和ISO 系標準對引伸計的規定E 8/E 8M-08 A 370-07 ISO 標準測量參數及范圍級別與精度min 測量參數及范圍級別與精度min 測量參數及范圍級別與精度minRp、Rt ±0.5（B2 級） Rp和At ±0.5（B2 級） Rp、Rt和Ae ±1（1 級）Ag或Agt、A或At 5 ±0.5（B2 級

8、） Ag或Agt、A或At 5 ±0.5（B2級） Ag或Agt、A或At ±2（2 級）550 550 ±1（C級）50 ±2（D級） 50 ±2（D 級）E 8/E 8M-08 規定：測量非比例延伸強度Rp、規定總延伸強度Rt和屈服點延伸率Ae，引伸計標距應小于等于試樣的標距，如果選用不帶肩的試樣，引伸計標距應小于試樣夾持在試驗機上時夾頭間距離的80。測定斷后伸長率A 或斷裂總伸長率At時，引伸計標距應等于試樣的標距。E 8/E 8M-08 規定對于大多數金屬材料測量屈服行為時，推薦的標定應變范圍為0.22.0。除了下面所列內容，A 370

9、-07 對引伸計精度的規定與E 8/E 8M-08 基本一致。測定規定Rp時，當非比例延伸大于等于0.2時，應選用精度不低于±0.5的引伸計（B2 級及以上）在0.051.0的應變范圍進行標定；當非比例延伸小于0.2時，應選用精度不低于±0.25的引伸計（B1 級及以上）在0.051.0的應變范圍進行標定或者選用精度不低于±0.5的引伸計（B2 級及以上）并且降低標定應變范圍下限（例如降低至0.01）。測定規定總延伸強度Rt時，應選用精度不低于±0.25的引伸計（B1級及以上）。ISO 系標準規定：測量屈服行為時，引伸計標距應不小于試樣的標距的1/2，測

10、定斷后伸長率A或斷裂總伸長率At時，引伸計標距應等于試樣的標距。表 1 是E 8/E 8M-08、A 370-07和ISO 系標準對引伸計的規定，由表1 可見：對于引伸計的要求，ASTM標準的要求普遍較ISO 系標準標準嚴格，并且給出了進行相應測量時引伸計的標定范圍。ISO 系標準標準給出測量屈服行為時引伸計標距的下限有助于減少測試時的爭議。2.2 試樣尺寸測量裝置表 1. E 8/E 8M-08、A 370-07 和ISO 系標準對試樣尺寸測量裝置的分辨力規定E 8/E 8M-08 A 370-07 ISO 標準范圍（mm） 分辨力（mm） 范圍（mm） 分辨力（mm） 范圍（mm） 分辨力

11、（mm）0.5 0.002 板材試樣寬度0.13 0.10.5 0.0010.52.5 0.002 板材試樣寬度0.025 0.52.0 0.0052.55 0.01 矩形試樣厚度2.010 0.015 0.02 圓柱形試樣直徑10 0.05表1 是E 8/E 8M-08、A 370-07 和ISO 系標準對試樣尺寸測量裝置的分辨力規定。由表1 可見，ASTM標準和ISO 系標準對試樣尺寸測量裝置的分辨力要求相近；對于板材試樣寬度，A 370-07 的要求比E 8/E 8M-08低（0.13vs0.02mm）。除表1 的規定外，對于最小尺寸小于0.5mm的試樣E 8/E 8M-08 規定：如果

12、可能分辨力不大于試樣的最小尺寸的1。對于非對稱全截面試樣，使用稱重法時，E 8/E 8M-08 規定試樣長度大于橫截面上最大尺寸的20 倍，試樣質量測量精度應不小于0.5。3. 試樣3.1 試樣尺寸圖 1 和圖2分別是矩形拉伸試樣和圓柱形拉伸試樣的示意圖，圖上標注的G 就是下文中的L0。除了E 8/E 8M-08中的變體薄板試樣的厚度T是機加工至10±0.5mm的，在三個國家的拉伸試驗標準中，矩形試樣應為全厚度試樣。雖然均源自ISO 6892：1998， IS Z 2241-1998 與GB/T228-2002 在試樣方面的規定存在較大的差異。由于同一種材料測定的斷后伸長率A值與與的

13、比值有關，所以K值相同的試樣稱為比例試樣。GB/T228-2002一般使用K5.65 的短比例試樣或者K11.3 的長比例試樣；而JIS Z 2241-1998和E 8/E 8M-08類似，主要使用非比例試樣（定標距試樣）。標距同樣是50mm，JIS的產品標準對圓柱形的4號試樣和矩形的5 號試樣規定了不同的延伸率要求；而ASTM 的產品標準對于薄板試樣和圓柱形試樣的延伸率要求一致。準確的說，JIS Z2241-1998 應該是ISO 6892：1998 和E 8/E 8M-08 的綜合，因為它對試驗機、試驗程序和試驗結果處理與修約等方面的規定源自ISO 6892：1998，而對試樣方面的要求類

14、似E8/E8M-08。GB/T228-2002規定：對于矩形試樣，應優先選用K5.65的短比例試樣，如果L0小于15mm，則選應選用K11.3 的長比例試樣或標距為50mm或80mm的定標距試樣。對于薄板矩形試樣，R20mm，試樣寬度W 為10、12.5、15 或20mm；對于板材矩形試樣，R12mm，試樣寬度W 為12.5、15、20、25 或30mm。對于圓柱形試樣，應優先選用L05D 的短比例試樣，如果L0 小于15mm，則選應選用L010D 的長比例試樣或定標距試樣。R0.75D，D 為3、5、6、8、10、15、20 或25mm。表 3. E 8/E 8M、A370-07和JIS Z

15、 2241-1998 的矩形和圓柱形拉伸試樣尺寸與適用產品厚度標準名稱試樣形式L0（mm） W/D（mm） Rmin（mm） 平行部分寬度差（mm） 適用產品厚度T （mm）E 8/E 8M-08 矩形試樣板材試樣200±0.2 40±2.0 25 0.10 T5薄板試樣50±0.1 12.5±0.2 12.5 0.05 0.13T19小尺寸薄板試樣25±0.1 6±0.1 6 0.025 0.13T6圓柱形試樣標準圓柱形試樣50±0.1 12.5±0.2 10 0.0125 T12.5小尺寸圓柱形試樣36

16、7;0.1 9±0.1 8 0.00925±0.1 6±0.1 6 0.00616±0.1 4±0.1 4 0.00411±0.1 2.5±0.1 2 0.0025A 370-07 矩形試樣板材試樣200±0.25 40+3 -6 13 0.10 T5薄板試樣50±0.10 12.5±0.25 13 0.05 0.13T19小尺寸薄板試樣25±0.08 6.25±0.05 6 0.025 0.13T6圓柱形試樣標準圓柱形試樣50.0±0.10 12.5±0

17、.25 10 0.0125 無相應規定小尺寸圓柱形試樣35.0±0.10 8.75±0.18 6 0.00925.0±0.10 6.25±0.12 5 0.00616.0±0.10 4.00±0.08 4 0.00410.0±0.10 2.50±0.05 2 0.0025JIS Z 2241-1998 5 號試樣（矩形） 50 25 T51A號試樣（矩形） 200 40 5T504 號試樣（圓柱形） 50 14 T40表3. E 8/E 8M、A370-07和JIS Z 2241-1998 的矩形和圓柱形拉伸試樣尺

18、寸與適用產品厚度，JIS Z 2241-1998 主要使用的三種試樣的尺寸以及對于多數鋼鐵產品適用的產品厚度范圍見表3。對于某些高強度材料（例如JIS G3106中的SM570），無論厚度T為何值，均可選用5 號試樣；厚度T20mm時，可以選用4 號試樣。E 8/E 8M-08 和A370-07 主要使用3 種矩形試樣和5種圓柱形試樣，試樣的尺寸以及適用的產品厚度范圍見表3，圓柱形試樣的標距只列出L0=4D 的英制版本。對于矩形試樣的尺寸規定，公制單位版本和英制單位版本是一致的；但是對于圓柱形試樣，公制版本的L0=5D而英制版本的L0=4D。但是即使按照公制單位版本選擇圓柱形試樣進行測試，也只

19、能使用英制版本的L0=4D 試樣，因為所有的ASTM產品標準中，無論是公制單位版本還是英制單位版本對圓柱形試樣延伸率的要求是針對L0=4D 試樣。小尺寸薄板試樣和小尺寸圓柱形試樣是非標準試樣，只是在受樣品尺寸限制無法制備標準試樣時才能使用。厚度T19mm，如果產品標準允許，還可用選用變體薄板試樣。E 8/E 8 M-08 和A370-07 沒有規定板材試樣適用產品厚度的上限，對于軋制鋼產品，ASTM A 6/A 6M-07 規定型鋼為125mm鋼板為100mm并且產品厚度小于等于20mm應加工全厚度試樣。對于全截面試樣，如果產品標準沒有另行規定，A370-07 規定標距長度為200mm。由表3

20、 可見，ASTM不同的標準中，相同拉伸試樣的尺寸和公差范圍不盡相同，拉伸試驗時不僅要滿足E 8/E 8M-08 這個通用標準的要求，更不能違背專門的材料標準的規定。同一項目不同標準中的規定不盡相同以及同一測試的各項規定分別出自不同的標準是ASTM標準的特點，產品測試時應注意不同參考標準的適用范圍。3.2 試樣取樣位置及方向E 8/E 8M-08 關于取樣位置的規定如下：產品厚度T40mm，試樣中心線位于產品厚度方向的中心；產品厚度T40mm，試樣中心線位于產品厚度方向的1/4處。關于試樣的方向，E8/E8 M-08并沒有相應的規定，只有A 370-07 規定了鋼產品試樣方向的定義：試樣長軸方向

21、和產品軋制或鍛造時的最大變形方向平行的稱為縱向試樣，試樣長軸方向和產品軋制或鍛造時的最大變形方向垂直的稱為橫向試樣。拉伸試樣在產品上的位置，E 8/E 8M-08也沒有相應的規定，A 6/A 6M-07 給出了針對軋制鋼產品的規定：寬度大于600mm的鋼板，取橫向拉伸試樣；對于其它軋制鋼產品，取縱向拉伸試樣。對于鋼板產品，拉伸試樣應位于鋼板的一個角上。對于型鋼，翼板寬度大于150mm的H 型鋼，試樣中心線應位于翼板端部或腿部邊緣到型材中心線距離的1/3 處；對于其它型鋼，拉伸試樣可以在翼板/腿部以及腹板切取。ISO 系標準關于試樣方向的定義與ASTM標準的規定相同。GB/T228-2002 沒

22、有取樣位置的規定，GB/T2975-1998鋼及鋼產品力學性能試樣取樣位置及試樣制備規定鋼產品拉伸試樣取樣位置。對于型鋼，應在腿長的1/3 處取樣，但是對于腿部有斜度的型鋼，應在腰部的1/4 處取樣。型鋼中切取拉伸試樣時，應盡可能取全厚度試樣。如果試驗機能力不夠時，則在厚度1/4 處或者距底部12.5mm處取樣，取兩者數字較大者。對于條鋼，應盡可能取全截面試樣。如果試驗機能力不夠，厚度不大于25mm的條鋼，拉伸試樣應位于條鋼中心；厚度大于25mm的條鋼，拉伸試樣應位于條鋼厚度的1/4 處或者距底部12.5mm處，取兩者數字較大者。對于鋼板，應在寬度的1/4處取樣，盡可能取全截面試樣。如果試驗機

23、能力不夠時，則在厚度1/4 處或者距底部12.5mm處取樣，取兩者數字較大者。JIS標準中，強調盡可能取全厚度試樣。對于型鋼，應在腿長的1/3 處取樣，但是對于腿部有斜度的型鋼，應在腰部的1/4 處取樣。對于大多數鋼鐵產品而言，由于厚度不大于40mm的產品只能選用5 號和1A號全厚度試樣，4 號試樣只適用于厚度大于40mm的產品，所以規定拉伸試樣應在厚度1/4 處切取。4. 試驗程序4.1 室溫拉伸試驗的溫度范圍E 8/E 8M-08 對于室溫的定義：除非另有規定，室溫范圍1038。A 370-07沒有另行規定室溫的定義，所以應沿用E 8/E 8M-08 的規定。4.2 試驗速率E 8/E 8

24、M-08 規定5種表示試驗速率的方法：1. 試樣的應變速率，單位mm/mm/S；2. 試樣的應力速率，單位MPa/S；3. 拉伸試驗時試驗機夾頭分離速率，對于帶肩試樣單位為試樣平行部分長度的m/m/S，對于不帶肩試樣單位為試驗機夾頭間距離的m/m/S；4. 完成部分或者全部拉伸試驗所需時間，單位S或min；5. 試驗機空載時夾頭分離速率，對于帶肩試樣單位為試樣平行部分長度的m/m/S，對于不帶肩試樣單位為試驗機夾頭間距離的m/m/S。A 370-07 規定了4 種表示試驗速率的方法，沒有E 8/E 8M-08規定的第4 種方法。對于應力速率法，A 370-07 規定不適用于閉環控制的試驗機（速

25、率反饋控制）。因為在這類試驗機選用應力速率法控制拉伸速率，在試樣屈服階段試驗機夾頭運動速率加大導致測得的屈服指標偏高。表 4. E 8/E 8M-08、A 370-07 和ISO 系標準對試驗速率的規定試驗階段 E 8/E 8M-08 A 370-07 ISO 系標準強度大于規定的屈服強度的1/2前或規定抗拉強度的1/4（取兩值間較小者）前除非另有規定，可以選用任何合適的速率除非另有規定，可以選用任何合適的速率沒有相應的規定測定屈服性能指標如果產品標準沒有規定，1.1511.5MPa/S 0.0001040.00104S-10.000250.0025S-170690MPa/min E150GP

26、a，220MPa/SE150GPa，660MPa/S測定Rm 延伸率大于5%的材料，試驗機速率0.00080.008S-1 或者應變速率0.00080.008S-1 0.00080.008S-1 0.008S-1表4 是E 8/E 8M-08、A 370-07和ISO 系標準對試驗速率的規定，由表3可以看出，測定屈服性能指標時，無論是應力速率還是應變速率/夾頭位移速率，ASTM標準規定的要比ISO系標準的低；測定Rm時，ASTM標準規定的和ISO 系標準的速率上限一致。對于不同的材料，試驗速率對性能測定的影響不同。試驗速度增加，強度性能指標升高，延性性能指標降低；反之，強度性能指標降低，延性性

27、能指標升高。測定屈服性能指標時，ASTM標準規定試驗速率是ISO 系標準的2.5 倍，試驗速率的差別是否足以影響被測產品強度性能指標合格與否值得關注。4.3 屈服指標E 8/E 8M-08 規定4種測量屈服指標的方法：1. 規定非比例延伸法，2. 規定總延伸法，3. 自動記錄做圖法（針對有屈服現象的材料），可以獲得上屈服強度ReH 和下屈服強度ReL；4. 載荷停頓法（針對有屈服現象的材料），只能獲得上屈服強度ReH。對屈服強度存在爭議時，推薦規定非比例延伸法作為仲裁試驗方法。A 370-07 將屈服指標分為屈服點強度和屈服強度。屈服點強度是指應力不增加而應變增加現象發生時的第1 個應力值，并

28、且這個值應小于抗拉強度；對應ISO 系標準中的上屈服強度ReH。屈服點強度可以使用E 8/E 8M-08規定的2、3 和4 方法獲得。按照方法2 測定屈服現象不明顯的材料時，使用精度不低于±1的引伸計（C 級及以上），當載荷產生的標距部分延伸達到規定值時記錄與載荷相對應的應力值作為屈服點強度；對于規定屈服點強度不大于550MPa的材料，合適的規定總延伸為0.5，對于屈服點強度大于550MPa 的材料，除非增加規定總延伸否則不能使用這個方法。屈服強度是指材料偏離應力應變比例關系達到規定值時的應力值，這種偏離可以用應變、非比例延伸或總延伸來表示。屈服強度可以使用E 8/E 8M-08 規

29、定的1 和2 方法獲得。對于軋制鋼產品，ASTM A 6/A 6M-07規定如果產品標準沒有特別規定，屈服指標應為非比例延伸強度Rp0.2或規定總延伸強度Rt0.5。ISO 系標準規定：材料有屈服現象時報告屈服強度，如果產品標準沒有特別說明，屈服強度一般認為是下屈服強度ReL。關于上屈服強度REh、下屈服強度ReL、非比例延伸強度Rp和規定總延伸強度Rt的定義，ISO 系和ASTM標準一致。5. 試驗結果處理與修約表 5. E8/E8M-08、A370-07 和ISO 系標準對試驗結果修約的規定項目 E8/E8M-08 A370-07 ISO 系標準強度指標（MPa） 范圍 修約間隔范圍 修約

30、間隔范圍 修約間隔方法 1 500 1 500 1 200 15001000 5 5001000 5 2001000 51000 10 1000 10 1000 10方法2 所有值1方法 3 所有值5延性指標（） 延伸率3 0.2 10 0.5 所有值0.53 無規定10 1斷面收縮率10 0.5 10 0.5 所有值0.510 1 10 1表5是E8/E8M-08、A370-07 和ISO 系標準對試驗結果修約的規定，由表3 可以看出，對于強度指標，除200500MPa 范圍以外，E8/E8M-08和A370-07 與ISO 系標準的修約間隔規定并無二致。200500MPa 范圍內，ASTM

31、 標準的修約間隔較小。對于塑性指標，不大于10時，E8/E8M-08 和A370-07與ISO 系標準一致；大于10時，ISO 系標準的修約間隔較小。關于修約規則，ASTM E 29、GB8170-1987數值修約規則和JIS Z 8401-1999并沒有區別。只是ASTM A 370-07 有一項特別規定：“5"后面除了“0"以外沒有其它數時，如果按照E 29 的修約規則進行修約將導致產品的拒收時，修約應向產品標準規定的極限值的方向進行。斷后標距的測量，E8/E8M-08 和A370-07的規定基本一致：標距長度不大于50mm的，測量精度不大于0.25mm；標距長度大于5

32、0mm的，測量精度不大于0.5。但是E8/E8M-08的上述規定只對延伸率大于3時適用而A370-07沒有限制。對于延伸率不大于3的試樣，E8/E8M-08 規定標距長度和斷后標距的測量精度不大于0.05mm。ISO 系標準規定使用分辨率優于0.1mm的量具，測量精度不大于0.25mm；如規定的最小斷后伸長率小于5%，用特殊方法進行測定（詳見GB/T228-2002附錄E）。關于延伸率，ASTM 標準規定：當試樣拉斷處到標距端點的距離小于1/4 標距長度時，得到的延伸率較低并且不能代表材料的真實性能，如果得到的延伸率滿足材料的延伸率要求，結果有效；如果不能滿足，重新取樣試驗。ASTM 標準規定延伸率只能直接測量，誒有引入移位法。ISO 系標準規定：當試樣拉斷處到標距端點的距離小于1/3 標距長度時，可以使用移位法測量，但是如果直接測量的結果滿足材料的延伸率要求，結果有效。斷面收縮率的測量，ASTM 標準規定在頸縮最小處以原尺寸相同的精度測量其直徑或寬度和厚度，而ISO 系標準規定斷裂后最小橫截面積的測定應精確到±2%。關于斷面收縮率，ASTM 標準與