力学试验标准化发展趋势

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摘　要:论述了我国力学试验标准体系的历程、现状和发展,以及力学试验标准化发展的国际趋势。我国目前已经形成和建立了自己的力学性能试验国家标准体系,体系涵盖了国际上常用的力学性能试验方法标准的门类:包括基础,拉伸,压缩,冲击,硬度,弯曲,扭转,剪切,持久,蠕变,松弛,疲劳,断裂力学,磨损和工艺性能等52个标准,基本能满足需求。力学性能试验标准体系的结构和规模,体系中的各个标准的适用范围和包含的技术内容将随着技术的发展和需求,不断地充实、提高和完善。由于贸易、经济全球化,以及技术的高速发展,目前国际标准和主要发达国家的国家标准,在力学性能试验标准化方面的发展趋势是:①积极与国际标准接轨,即等同采用、等效采用(或修改采用)国际标准,有利于国际间贸易,战略性地看好国际标准将来会成为世界统一的标准。②标准体系结构向扩大标准的适用范围和技术覆盖面,减少标准数目,方便管理的方向调整。③鼓励和促进采用自动化测试方法。④新的力学性能试验标准必须包含测量不确定度阐述的技术内容。⑤高技术领域需求的标准正在加快发展。我国力学性能试验标准正在实行体系转轨,即与国际接轨。顺应上述发展趋势,必须尽快地建立一个与国际通用性接轨的,科学合理的力学试验标准体系。

关键词:金属材料;力学性能试验;标准化

1　我国力学试验标准体系发展历程和现状

我国力学性能试验方法标准化在解放前是空白的,真正意义的标准化工作是在解放后开始的。1952年,重工业部钢铁工业管理局正式设立标准化科管理标准化工作,并于当年与钢铁工业试验所(钢研院的前身)共同组织人员翻译采用前苏联ΓΟСΤ标准。为了加快采用,分别在北京钢铁工业试验所和上海材料研究所举办理化检验标准研讨班,对翻译的9个力学性能试验标准进行研讨并做文字修改后,确认为重工业部试行标准,即“重试标”。这就开始了我国金属力学性能试验方法第一代行业标准。

1959年,冶金工业部召开标准会议,在原有的重试标、重标和重钢标的基础上制定成冶金工业部标准,即“冶标”,标志着进入第二代行业标准。

1963年,冶金工业部在鞍钢召开全国标准审定大会,在行业标准的基础上制定成国家标准,大会通过了19个力学性能试验方法国家标准。从此我国金属力学性能试验方法进入国家标准的发展时期。由于受文化大革命运动的影响,从1964年至1977年期间标准化工作没有实质的进展,仅仅增加了一个标准(总数20个),而此时标准的基本状态是,标准门类空缺,常用标准不足,标龄长,标准水平偏低,标准模式基本为20世纪50年代末和60年代初ГОСТ体系的模式,缺乏国际通用性。

从1978年起,国家十分重视标准化工作,实行按领域,按部门归口(力学性能试验标准由原冶金部归口)制定和修订国家标准。经过约13年的努力,到1991年,力学性能试验方法国家标准已经达到63个,标准体系已形成,常用标准的门类已具备,标准的水平有了提高。由于贯切了采用国际和国外先进标准的方针,标准的技术模式已由原苏联模式向国际通用标准技术模式转变,为体系转轨与国际接轨打下了良好的基础。自1991年,尤其1995年成立“力学及工艺性能试验方法标准化分技术委员会”后,标准的发展方向不再是以填空补缺增加标准以解决标准不足为目的,而是以加快体系转轨,与国际通用性接轨,调整标准体系结构,提高标准水平,扩大标准的技术覆盖面,压缩标准数目,便利管理,完善标准体系为目标。直至2001年,力学及工艺性能试验方法国家标准数为52个(数目的减少是部分标准进行了合并)。

目前体系的标准数为52个,门类包括:基础(3个)、拉伸(5个)、压缩(1个)、冲击(5个)、弯曲(1个)、硬度(7个)、扭转(1个)、剪切(1个)、磨损(2个)、疲劳(7个)、持久蠕变(2个)、断裂力学(4个)和工艺性能(13个)。标准体系的结构见图1。

                               
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图1　我国力学试验标准体系结构

我国目前力学试验标准体系的标准数与国际和国外主要发达国家标准体系的相比处于中上数量,美国ASTM标准数最多。德国采用国际标准的比例最高。见表1。

                               
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2　力学试验标准化发展的国际趋势

2.1　与国际标准接轨

由于经济贸易全球化,标准与贸易紧密联系在一起,世界贸易组织(WTO)鼓励参与制定国际标准,采用国际标准公平竞争。世界各国,无论是发达国家或发展中国家,都认识到国际上有一公认的统一标准对国际间的贸易有利,而同时也看到国际标准将逐渐成为世界各国统一的标准。因此,各国采取积极的态度靠拢国际标准,与国际标准接轨。在力学性能试验标准领域,采取何种方式靠拢国际标准,与国际标准接轨,发达国家与发展中国家采取的方式有所不同。发展中国家,例如我国,通过等同采用,等效采用(或修改采用)的方式与国际标准接轨,因为发展中国家基本上不具有技术绝对优势。发达国家采取两种方式,既采取等同采用,等效采用(或修改采用)方式,也采取把本国先进的国家标准推荐给国际标准组织,变国家标准为国际标准,使国际标准的技术模式向有利于本国技术倾斜的主动方式。

在力学标准方面,殴共体与国际标准组织有“维也纳协议”———欧共体制定出新标准可直接推荐给国际标准组织,而国际标准组织通过了的国际标准,欧共体要采用。因此德国、法国和英国等发达国家是直接采用国际标准较多的国家。从表1中可看到,德国采用国际标准的比例最高,达到74%。日本有自己的技术优势,自成力学标准体系,但进入20世纪80年代后,也积极采用国际标准,或在国际标准的基础上制定成本国的标准。近几年,日本积极参与多项国际标准的制定修订,并把日本国家标准《金属材料液氦温度拉伸试验方法》推荐给国际标准组织,目前已成为国际标准草案。德国一方面积极采用国际标准,一方面把德国先进的国家标准推荐给国际标准组织,近几年,推荐并被接纳为国际标准草案有《金属材料万能硬度试验》、《金属材料仪器化的冲击试验》和《硬度强度换算》等标准。德国也是最积极参与国际标准制、修订的国家之一,在硬度试验方面的标准尤其积极。美国是具有技术优势的国家,ASTM标准具有很高的国际地位和信誉,正因为如此,在20世纪80年代以前美国并不怎么看好国际标准,但随着国际标准的发展,国际上看好国际标准的趋势大大增加,美国感到国际标准日益发展会对美国的国际贸易竞争不利,后来转而积极参与国际标准的制定和修订,争当分技术委员会秘书国(目前已担任疲劳和韧性试验分技术委员会秘书国),目的为了把美国的技术与标准打进国际标准,变美国标准(ASTM标准中大部分为美国国家标准)为国际标准。一个典型的例子是,ISO148:1983《金属材料V型缺口冲击试验》标准所规定的冲击试验机参数与美国ASTM标准的不同,国际上绝大多数国家的国家标准都采用了国际标准规定的参数,形成了国际上统一的通用标准。美国感到国际标准把ASTM标准排斥在外不利于自己。于是美国主动积极提出修订ISO148:1983,并担任修订负责国,最终把美国标准的冲击试验机参数写进了国际标准,形成了目前国际标准具有两套冲击试验机参数的国际标准。美国在最近几年十分积极负责和参与制定断裂力学和疲劳试验方面的国际标准。我国目前在力学标准方面没有明显优势,但我们也要力争直接参与国际标准的制、修订工作,把我国国家标准和技术推荐给国际标准组织。我国已承担修订ISO1143:1975《金属材料旋转弯曲疲劳试验》的修订起草工作,准备以我国国家标准为基础起草国际标准。

各国都花大力气使国家标准与国际接轨,目的是使本国标准成为与国际标准一致的国际通用标准,以便避免在国际间贸易中贸易的技术壁垒,有利于贸易。所以力学标准与其他领域的标准一样与国际接轨是大趋势。

2.2　调整标准体系结构,减少标准数目,扩大技术覆盖面

力学标准体系中每个标准其适用范围和技术覆盖面应尽可能宽,尤其通用标准。如果标准使用范围窄,要建立多个标准才能达到所需要的覆盖面,这样会造成体系标准数目庞大,势必给标准的管理带来不利。国际标准组织通过对标准的修订实行对标准体系结构进行大的改进,最突出的是硬度标准方面的结构调整,把布氏硬度试验相关的3个(试验方法、硬度计检验、硬度块标定)标准,洛氏硬度相关的4个(洛氏和表面洛氏试验方法、硬度计检验、硬度块标定)标准和维氏硬度试验相关的4个(维氏方法、小负荷维氏方法、硬度计检验、硬度块标定)标准,分别合并成一个标准,即用一个标准编号下包括试验方法、硬度计检验和硬度块标定三部分。这样由原来的11个标准变成了3个大标准,但其技术内容与适用范围并没有减少。这样的调整有三大优点:体系标准数目减少有利于管理,标准的修订同步,用户查找方便,这是一个科学合理的标准体系结构。我国力学试验标准也采取了国际标准同样的调整办法,取得类似的效果。使得10年前63个国家标准数目减少至目前的52个,但适用范围和技术覆盖面并没有减少。

2.3　鼓励和促进采用自动化测试方法

实现力学性能自动化测试是力学性能试验标准技术发展方向。由于计算机和软件技术的发展,必然推动力学性能试验自动化方法的应用。目前,高档电子万能和液压万能试验机都装备有常规拉伸性能、n2值和r2值等自动测试系统、甚至装备有断裂力学性能(包括KIC,CTOD等)自动测试系统。在硬度试验方面,洛氏、维氏等硬度自动测试系统早已出现。在长时试验方面,钢绞线应力松弛自动测试系统也已在应用。显然,测试技术的发展和进步必然促使标准的相应发展和提高,标准应要及时反映技术的进步。所以,在国际标准、美国ASTM标准、欧洲标准中涉及自动化试验方法的规定已日见增多。例如,国际标准ISO6892∶1998《金属材料室温拉伸试验》对于规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和断后伸长率这些性能的测定,标准规定可采用自动化装置(例如微处理机等)测定。国标GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》对所规定的12项拉伸性能的10项(断面收缩率和规定残余延伸强度除外)都规定了可采用自动化测试系统进行测定。美国ASTME8M-00b《金属材料拉伸试验方法》对断裂伸长率和断后伸长率规定可以采用自动方法测定,并指明自动方法测定断后伸长率的重复性优于人工方法,从而提倡了采用自动化测试方法。欧洲标准EN10002-1∶2001《金属材料拉伸试验第1部分:室温拉伸试验方法》在其附录A中规定了7项拉伸性能可以采用自动化测试方法进行测定,并规定测试系统的检验要求。美国ASTM标准制定了两个与自动化测定力学性能相关的标准,即ASTME1856-1997《万能试验机用计算机化数据采集系统评定指南》和ASTME1942-1998《循环疲劳和断裂力学试验用数据采集系统评定指南》。这两个标准分别用于对拉伸性能自动化测试系统,循环疲劳和断裂力学自动化测试系统的测定结果与常规方法一致性的评定。我国正在制定《万能试验机用计算机数据采集系统评定指南》标准,为自动化方法测定性能的准确和一致性提供保证。

2.4　力学试验标准将必须包含试验方法的测量不确定度阐述的技术内容

由于试验室认证和质量保证体系等普遍要求测量的不确定度评估,这就直接关系到力学性能试验方法的测量不确定度。正因如此,国际标准组织和欧洲标准组织都规定,凡与试验技术相关的新标准应包含“阐述不确定度”的内容,或给出一种基于相关标准规定的误差计算试验方法准确度的方法。近几年新制定或新修订的国际标准,例如,ISO6506-1∶1999《金属材料布氏硬度试验方法》,在标准中给出了有关不确定度的说明;ISO6892∶1998《金属材料室温拉伸试验》在附录J中给出了拉伸试验的不确定度估计方法,在附录K中给出了根据试验室间对比试验得到的复现性结果。美国标准ASTME8M-00b《金属材料拉伸试验方法》给出了测定屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率的精密度,在附录中给出了上述4项性能测试的精密度统计。欧洲标准EN10002-1∶2001《金属材料室温拉伸试验》的附录J中规定了拉伸试验的不确定度估计方法,给出了根据试验室间对比试验得到的复现性结果。我国标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》在附录J中给出了与国际标准相同的不确定度估计方法,在附录K中给出了根据试验室间对比试验得到的复现性结果。随着试验数据的积累和试验技术的提高,试验方法的测量不确定度势必构成为标准方法中不可缺少的重要技术内容。试验方法的测量不确定度估计方法和评定方法的标准化将成为力学试验标准化的重要工作方面。

由于前述的国际标准组织和欧洲标准组织的规定,标准中阐述试验方法不确定度的需要,导致使用力学标准物质(标准试样)测定不确定度的科学方法的发展。在硬度试验方面,使用标准硬度块测定硬度试验系统的准确度已是普遍的方法。在冲击试验方面,欧共体标准局已研发出CRM13(20J),CRM14(30J),CRM15(80J)和CRM16(120J)四种能量水平的持证书标准冲击试样,已在应用。其它试验方面,欧共体标准局研发出的CRM425标准蠕变试样(工作条件:T=600℃,σ=160MPa)已提供使用。美国也研发出用304不锈钢制成的100h持久试验标准试样。欧共体标准局研发的室温拉伸试验标准试样正在完成的认证程序之中。类似地,用于低周疲劳试验测量不确定度估测的标准试样正在研发之中。随着力学标准试样的发展,采用标准试样测定试验方法的测量不确定度将是一种的趋势。

2.5　高技术领域需求的标准发展加快

在航空、航天、舰艇、核能和兵器等领域要求高性能、高质量、高可靠、长寿命和高安全的产品设计,这就需要特殊的和综合的力学性能参数,例如,疲劳性能参数、持久蠕变参数、准静态断裂性能参数、动态断裂性能参数和超高及低温力学性能参数等,于是相应的标准试验方法的需求增加。近几年,国际标准组织立项制定和修订的力学性能试验标准中,高技术领域需求的标准占有高的比例。例如KIC试验标准、统一的准静态断裂韧度试验标准、疲劳裂纹扩展速率试验标准、疲劳试验统计设计和数据分析标准、轴向应变控制疲劳试验标准、仪器化的冲击试验标准、万能硬度试验标准、超低温(液氦温度)拉伸试验标准和管环周向屈服强度试验标准等(这些标准部分已完成)。这些标准的多半在我国国家标准体系中还未具有,主要发达国家的国家标准体系也未全部具备这些标准。国际标准组织制定这些标准是各国所需求的,高技术领域需求的标准加快发展的趋势明显。

3　我国力学试验标准化的发展

我国力学试验标准化今后一段时期的发展仍是继续实行体系转轨,与国际接轨。顺应前述的国际发展趋势,结合本国特点继续提高和完善力学标准体系。力学性能试验标准属于通用性标准,标准试验方法要具有国际通用性并适应国内外贸易需求,要达到这样的目的,对于我国,合适的途径就是直接采用具有国际通用性的国际标准。将标准体系与国际接轨,是战略性目标。凡国内需要,而国际标准体系中有相应的标准,应积极采用,而且应尽可能地等同采用,如不能等同采用,应修改采用,提高对国际标准的采标率。如国内需要,国际标准体系中未有相应的标准,应积极采用国外先进标准或国内制定。积极采用国际国外先进标准是我国的一项经济技术政策,目的是尽快将我国的标准与国际接轨,提高标准水平,有利于国内和国际间贸易。

ccyj

新的挑战啊，也是发展的机遇