力學試驗標準化發(fā)展趨勢
摘 要:論述了我國力學試驗標準體系的歷程、現狀和發(fā)展,以及力學試驗標準化發(fā)展的國際趨勢。我國目前已經形成和建立了自己的力學性能試驗國家標準體系,體系涵蓋了國際上常用的力學性能試驗方法標準的門類:包括基礎,拉伸,壓縮,沖擊,硬度,彎曲,扭轉,剪切,持久,蠕變,松弛,疲勞,斷裂力學,磨損和工藝性能等52個標準,基本能滿足需求。力學性能試驗標準體系的結構和規(guī)模,體系中的各個標準的適用范圍和包含的技術內容將隨著技術的發(fā)展和需求,不斷地充實、提高和完善。由于貿易、經濟全球化,以及技術的高速發(fā)展,目前國際標準和主要發(fā)達國家的國家標準,在力學性能試驗標準化方面的發(fā)展趨勢是:①積極與國際標準接軌,即等同采用、等效采用(或修改采用)國際標準,有利于國際間貿易,戰(zhàn)略性地看好國際標準將來會成為世界統(tǒng)一的標準。②標準體系結構向擴大標準的適用范圍和技術覆蓋面,減少標準數目,方便管理的方向調整。③鼓勵和促進采用自動化測試方法。④新的力學性能試驗標準必須包含測量不確定度闡述的技術內容。⑤高技術領域需求的標準正在加快發(fā)展。我國力學性能試驗標準正在實行體系轉軌,即與國際接軌。順應上述發(fā)展趨勢,必須盡快地建立一個與國際通用性接軌的,科學合理的力學試驗標準體系。
關鍵詞:金屬材料;力學性能試驗;標準化
1 我國力學試驗標準體系發(fā)展歷程和現狀
我國力學性能試驗方法標準化在解放前是空白的,真正意義的標準化工作是在解放后開始的。1952年,重工業(yè)部鋼鐵工業(yè)管理局正式設立標準化科管理標準化工作,并于當年與鋼鐵工業(yè)試驗所(鋼研院的前身)共同組織人員翻譯采用前蘇聯(lián)ΓΟСΤ標準。為了加快采用,分別在北京鋼鐵工業(yè)試驗所和上海材料研究所舉辦理化檢驗標準研討班,對翻譯的9個力學性能試驗標準進行研討并做文字修改后,確認為重工業(yè)部試行標準,即“重試標”。這就開始了我國金屬力學性能試驗方法**代行業(yè)標準。
1959年,冶金工業(yè)部召開標準會議,在原有的重試標、重標和重鋼標的基礎上制定成冶金工業(yè)部標準,即“冶標”,標志著進入**代行業(yè)標準。
1963年,冶金工業(yè)部在鞍鋼召開國內標準審定大會,在行業(yè)標準的基礎上制定成國家標準,大會通過了19個力學性能試驗方法國家標準。從此我國金屬力學性能試驗方法進入國家標準的發(fā)展時期。由于受文化大**運動的影響,從1964年至1977年期間標準化工作沒有實質的進展,僅僅增加了一個標準(總數20個),而此時標準的基本狀態(tài)是,標準門類空缺,常用標準不足,標齡長,標準水平偏低,標準模式基本為20世紀50年代末和60年代初ГОСТ體系的模式,缺乏國際通用性。
從1978年起,國家十分重視標準化工作,實行按領域,按部門歸口(力學性能試驗標準由原冶金部歸口)制定和修訂國家標準。經過約13年的努力,到1991年,力學性能試驗方法國家標準已經達到63個,標準體系已形成,常用標準的門類已具備,標準的水平有了提高。由于貫切了采用國際和國外先進標準的方針,標準的技術模式已由原蘇聯(lián)模式向國際通用標準技術模式轉變,為體系轉軌與國際接軌打下了良好的基礎。自1991年,尤其1995年成立“力學及工藝性能試驗方法標準化分技術委員會”后,標準的發(fā)展方向不再是以填空補缺增加標準以解決標準不足為目的,而是以加快體系轉軌,與國際通用性接軌,調整標準體系結構,提高標準水平,擴大標準的技術覆蓋面,壓縮標準數目,便利管理,完善標準體系為目標。直至2001年,力學及工藝性能試驗方法國家標準數為52個(數目的減少是部分標準進行了合并)。
目前體系的標準數為52個,門類包括:基礎(3個)、拉伸(5個)、壓縮(1個)、沖擊(5個)、彎曲(1個)、硬度(7個)、扭轉(1個)、剪切(1個)、磨損(2個)、疲勞(7個)、持久蠕變(2個)、斷裂力學(4個)和工藝性能(13個)。標準體系的結構見圖1。
我國目前力學試驗標準體系的標準數與國際和國外主要發(fā)達國家標準體系的相比處于中上數量,美國ASTM標準數*多。德國采用國際標準的比例*高。見表1。
2 力學試驗標準化發(fā)展的國際趨勢
2.1 與國際標準接軌
由于經濟貿易全球化,標準與貿易緊密聯(lián)系在一起,世界貿易組織(WTO)鼓勵參與制定國際標準,采用國際標準公平競爭。世界各國,無論是發(fā)達國家或發(fā)展中國家,都認識到國際上有一公認的統(tǒng)一標準對國際間的貿易有利,而同時也看到國際標準將逐漸成為世界各國統(tǒng)一的標準。因此,各國采取積極的態(tài)度靠攏國際標準,與國際標準接軌。在力學性能試驗標準領域,采取何種方式靠攏國際標準,與國際標準接軌,發(fā)達國家與發(fā)展中國家采取的方式有所不同。發(fā)展中國家,例如我國,通過等同采用,等效采用(或修改采用)的方式與國際標準接軌,因為發(fā)展中國家基本上不具有技術**優(yōu)勢。發(fā)達國家采取兩種方式,既采取等同采用,等效采用(或修改采用)方式,也采取把本國先進的國家標準推薦給國際標準組織,變國家標準為國際標準,使國際標準的技術模式向有利于本國技術傾斜的主動方式。
在力學標準方面,毆共體與國際標準組織有“維也納協(xié)議”———歐共體制定出新標準可直接推薦給國際標準組織,而國際標準組織通過了的國際標準,歐共體要采用。因此德國、法國和英國等發(fā)達國家是直接采用國際標準較多的國家。從表1中可看到,德國采用國際標準的比例*高,達到74%。日本有自己的技術優(yōu)勢,自成力學標準體系,但進入20世紀80年代后,也積極采用國際標準,或在國際標準的基礎上制定成本國的標準。近幾年,日本積極參與多項國際標準的制定修訂,并把日本國家標準《金屬材料液氦溫度拉伸試驗方法》推薦給國際標準組織,目前已成為國際標準草案。德國一方面積極采用國際標準,一方面把德國先進的國家標準推薦給國際標準組織,近幾年,推薦并被接納為國際標準草案有《金屬材料萬能硬度試驗》、《金屬材料儀器化的沖擊試驗》和《硬度強度換算》等標準。德國也是*積極參與國際標準制、修訂的國家之一,在硬度試驗方面的標準尤其積極。美國是具有技術優(yōu)勢的國家,ASTM標準具有很高的國際地位和信譽,正因為如此,在20世紀80年代以前美國并不怎么看好國際標準,但隨著國際標準的發(fā)展,國際上看好國際標準的趨勢大大增加,美國感到國際標準日益發(fā)展會對美國的國際貿易競爭不利,后來轉而積極參與國際標準的制定和修訂,爭當分技術委員會秘書國(目前已擔任疲勞和韌性試驗分技術委員會秘書國),目的為了把美國的技術與標準打進國際標準,變美國標準(ASTM標準中大部分為美國國家標準)為國際標準。一個典型的例子是,ISO148:1983《金屬材料V型缺口沖擊試驗》標準所規(guī)定的沖擊試驗機參數與美國ASTM標準的不同,國際上絕大多數國家的國家標準都采用了國際標準規(guī)定的參數,形成了國際上統(tǒng)一的通用標準。美國感到國際標準把ASTM標準排斥在外不利于自己。于是美國主動積極提出修訂ISO148:1983,并擔任修訂負責國,*終把美國標準的沖擊試驗機參數寫進了國際標準,形成了目前國際標準具有兩套沖擊試驗機參數的國際標準。美國在*近幾年十分積極負責和參與制定斷裂力學和疲勞試驗方面的國際標準。我國目前在力學標準方面沒有明顯優(yōu)勢,但我們也要力爭直接參與國際標準的制、修訂工作,把我國國家標準和技術推薦給國際標準組織。我國已承擔修訂ISO1143:1975《金屬材料旋轉彎曲疲勞試驗》的修訂起草工作,準備以我國國家標準為基礎起草國際標準。
各國都花大力氣使國家標準與國際接軌,目的是使本國標準成為與國際標準一致的國際通用標準,以便避免在國際間貿易中貿易的技術壁壘,有利于貿易。所以力學標準與其他領域的標準一樣與國際接軌是大趨勢。
2.2 調整標準體系結構,減少標準數目,擴大技術覆蓋面
力學標準體系中每個標準其適用范圍和技術覆蓋面應盡可能寬,尤其通用標準。如果標準使用范圍窄,要建立多個標準才能達到所需要的覆蓋面,這樣會造成體系標準數目龐大,勢必給標準的管理帶來不利。國際標準組織通過對標準的修訂實行對標準體系結構進行大的改進,*突出的是硬度標準方面的結構調整,把布氏硬度試驗相關的3個(試驗方法、硬度計檢驗、硬度塊標定)標準,洛氏硬度相關的4個(洛氏和表面洛氏試驗方法、硬度計檢驗、硬度塊標定)標準和維氏硬度試驗相關的4個(維氏方法、小負荷維氏方法、硬度計檢驗、硬度塊標定)標準,分別合并成一個標準,即用一個標準編號下包括試驗方法、硬度計檢驗和硬度塊標定三部分。這樣由原來的11個標準變成了3個大標準,但其技術內容與適用范圍并沒有減少。這樣的調整有三大優(yōu)點:體系標準數目減少有利于管理,標準的修訂同步,用戶查找方便,這是一個科學合理的標準體系結構。我國力學試驗標準也采取了國際標準同樣的調整辦法,取得類似的效果。使得10年前63個國家標準數目減少至目前的52個,但適用范圍和技術覆蓋面并沒有減少。
2.3 鼓勵和促進采用自動化測試方法
實現力學性能自動化測試是力學性能試驗標準技術發(fā)展方向。由于計算機和軟件技術的發(fā)展,必然推動力學性能試驗自動化方法的應用。目前,**電子萬能和液壓萬能試驗機都裝備有常規(guī)拉伸性能、n2值和r2值等自動測試系統(tǒng)、甚至裝備有斷裂力學性能(包括KIC,CTOD等)自動測試系統(tǒng)。在硬度試驗方面,洛氏、維氏等硬度自動測試系統(tǒng)早已出現。在長時試驗方面,鋼絞線應力松弛自動測試系統(tǒng)也已在應用。顯然,測試技術的發(fā)展和進步必然促使標準的相應發(fā)展和提高,標準應要及時反映技術的進步。所以,在國際標準、美國ASTM標準、歐洲標準中涉及自動化試驗方法的規(guī)定已日見增多。例如,國際標準ISO6892∶1998《金屬材料室溫拉伸試驗》對于規(guī)定非比例延伸強度、規(guī)定總延伸強度和斷后伸長率這些性能的測定,標準規(guī)定可采用自動化裝置(例如微處理機等)測定。國標GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對所規(guī)定的12項拉伸性能的10項(斷面收縮率和規(guī)定殘余延伸強度除外)都規(guī)定了可采用自動化測試系統(tǒng)進行測定。美國ASTME8M-00b《金屬材料拉伸試驗方法》對斷裂伸長率和斷后伸長率規(guī)定可以采用自動方法測定,并指明自動方法測定斷后伸長率的重復性優(yōu)于人工方法,從而提倡了采用自動化測試方法。歐洲標準EN10002-1∶2001《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫拉伸試驗方法》在其附錄A中規(guī)定了7項拉伸性能可以采用自動化測試方法進行測定,并規(guī)定測試系統(tǒng)的檢驗要求。美國ASTM標準制定了兩個與自動化測定力學性能相關的標準,即ASTME1856-1997《萬能試驗機用計算機化數據采集系統(tǒng)評定指南》和ASTME1942-1998《循環(huán)疲勞和斷裂力學試驗用數據采集系統(tǒng)評定指南》。這兩個標準分別用于對拉伸性能自動化測試系統(tǒng),循環(huán)疲勞和斷裂力學自動化測試系統(tǒng)的測定結果與常規(guī)方法一致性的評定。我國正在制定《萬能試驗機用計算機數據采集系統(tǒng)評定指南》標準,為自動化方法測定性能的準確和一致性提供保證。
2.4 力學試驗標準將必須包含試驗方法的測量不確定度闡述的技術內容
由于試驗室認證和質量保證體系等普遍要求測量的不確定度評估,這就直接關系到力學性能試驗方法的測量不確定度。正因如此,國際標準組織和歐洲標準組織都規(guī)定,凡與試驗技術相關的新標準應包含“闡述不確定度”的內容,或給出一種基于相關標準規(guī)定的誤差計算試驗方法準確度的方法。近幾年新制定或新修訂的國際標準,例如,ISO6506-1∶1999《金屬材料布氏硬度試驗方法》,在標準中給出了有關不確定度的說明;ISO6892∶1998《金屬材料室溫拉伸試驗》在附錄J中給出了拉伸試驗的不確定度估計方法,在附錄K中給出了根據試驗室間對比試驗得到的復現性結果。美國標準ASTME8M-00b《金屬材料拉伸試驗方法》給出了測定屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率的精密度,在附錄中給出了上述4項性能測試的精密度統(tǒng)計。歐洲標準EN10002-1∶2001《金屬材料室溫拉伸試驗》的附錄J中規(guī)定了拉伸試驗的不確定度估計方法,給出了根據試驗室間對比試驗得到的復現性結果。我國標準GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在附錄J中給出了與國際標準相同的不確定度估計方法,在附錄K中給出了根據試驗室間對比試驗得到的復現性結果。隨著試驗數據的積累和試驗技術的提高,試驗方法的測量不確定度勢必構成為標準方法中不可缺少的重要技術內容。試驗方法的測量不確定度估計方法和評定方法的標準化將成為力學試驗標準化的重要工作方面。
由于前述的國際標準組織和歐洲標準組織的規(guī)定,標準中闡述試驗方法不確定度的需要,導致使用力學標準物質(標準試樣)測定不確定度的科學方法的發(fā)展。在硬度試驗方面,使用標準硬度塊測定硬度試驗系統(tǒng)的準確度已是普遍的方法。在沖擊試驗方面,歐共體標準局已研發(fā)出CRM13(20J),CRM14(30J),CRM15(80J)和CRM16(120J)四種能量水平的持證書標準沖擊試樣,已在應用。其它試驗方面,歐共體標準局研發(fā)出的CRM425標準蠕變試樣(工作條件:T=600℃,σ=160MPa)已提供使用。美國也研發(fā)出用304不銹鋼制成的100h持久試驗標準試樣。歐共體標準局研發(fā)的室溫拉伸試驗標準試樣正在完成的認證程序之中。類似地,用于低周疲勞試驗測量不確定度估測的標準試樣正在研發(fā)之中。隨著力學標準試樣的發(fā)展,采用標準試樣測定試驗方法的測量不確定度將是一種的趨勢。
2.5 高技術領域需求的標準發(fā)展加快
在航空、航天、艦艇、核能和兵器等領域要求高性能、高質量、高可靠、長壽命和高**的產品設計,這就需要特殊的和綜合的力學性能參數,例如,疲勞性能參數、持久蠕變參數、準靜態(tài)斷裂性能參數、動態(tài)斷裂性能參數和超高及低溫力學性能參數等,于是相應的標準試驗方法的需求增加。近幾年,國際標準組織立項制定和修訂的力學性能試驗標準中,高技術領域需求的標準占有高的比例。例如KIC試驗標準、統(tǒng)一的準靜態(tài)斷裂韌度試驗標準、疲勞裂紋擴展速率試驗標準、疲勞試驗統(tǒng)計設計和數據分析標準、軸向應變控制疲勞試驗標準、儀器化的沖擊試驗標準、萬能硬度試驗標準、超低溫(液氦溫度)拉伸試驗標準和管環(huán)周向屈服強度試驗標準等(這些標準部分已完成)。這些標準的多半在我國國家標準體系中還未具有,主要發(fā)達國家的國家標準體系也未全部具備這些標準。國際標準組織制定這些標準是各國所需求的,高技術領域需求的標準加快發(fā)展的趨勢明顯。
3 我國力學試驗標準化的發(fā)展
我國力學試驗標準化今后一段時期的發(fā)展仍是繼續(xù)實行體系轉軌,與國際接軌。順應前述的國際發(fā)展趨勢,結合本國特點繼續(xù)提高和完善力學標準體系。力學性能試驗標準屬于通用性標準,標準試驗方法要具有國際通用性并適應國內外貿易需求,要達到這樣的目的,對于我國,合適的途徑就是直接采用具有國際通用性的國際標準。將標準體系與國際接軌,是戰(zhàn)略性目標。凡國內需要,而國際標準體系中有相應的標準,應積極采用,而且應盡可能地等同采用,如不能等同采用,應修改采用,提高對國際標準的采標率。如國內需要,國際標準體系中未有相應的標準,應積極采用國外先進標準或國內制定。積極采用國際國外先進標準是我國的一項經濟技術政策,目的是盡快將我國的標準與國際接軌,提高標準水平,有利于國內和國際間貿易。