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钛合金锻件的不同标准体系对比分析
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钛合金锻件的不同标准体系对比分析

发布时间 :2021-02-17 22:57:17 浏览次数 :

目前, 市场上存在许多标准体系, 各种标准体系间交叉重叠, 内容繁杂, 标准水平参差不齐, 对标准的选择和使用造成了许多障碍。本文以TC4钛合金锻件为例, 通过对比其关键指标试验 方法(化学成分分析, 室温拉伸, 冲击功, 断裂韧性) 在国标, 航标和 ASTM 体系中的差异, 对各标准体系的特点进行总结, 加强对标准科学性的认识,以期对我国标准体系的改进升级工作有所帮助。

1、引言

新中国成立以来, 经过改革开放 30 多年的发展, 我国的标准化工作取得了令人瞩目的成 绩。到 2017 年底 我国共有现行国家标准 33547 项, 行业标准、地方标准高达 11 万项。另外, 还有企业标准数 百万项。这些标准, 构成了中国的技术标准体系, 对规范和指导我国企业生产, 提高产品质晕, 降低生产成本, 规范市场秩序, 开展国内外贸易, 从而促进我国经济发展和社会进步起到了重要作用。

但是, 目前我国的标准体系仍然面临着许多问题。我国标准依照 2017 年新修订的《中华人民共和国标准化法》分为国 家标准、行业标准、地方标准和团体标准、企业标准五个层次。其中, 除了强制性国家标准 以外, 其余均为推荐性标准。各标准体系间没有严格的业界划分, 领域交叉混乱, 内容繁杂重复, 同一产品往往存在大晕标准。这些标准质晕参差不齐,规范程度极低,对标准的选择和使用造成了极大的障碍和困难 。例如, 全国人大代表孙宪忠举例说, 在他的调研过程中发现 , 仅汽车燃用油标准就有 6000 多个, 标准的实 施难度可想而知。

钛环

钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属 , 因具有强度高、耐蚀性好、密度小, 耐热 性好等特点, 被广泛用千航空、航天、汽车、造船、能源等领域。第一个实用的钛合金是 1954 年美国研制成功的Ti-6Al-4V ( TC4) 合金, 由千它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好, 而成为钛合金工业中的王牌合金, 该合金使用量已占全部钛合金的 75%~85%。本次研究选择 TC4 钛合金铸件作为研究对象, 通过对比国标、航标和 ASTM 体系下有关 TC4 钛合金铸件的标准, 分析各标准体系的相通和差异处, 希望对我国标准化工作的精简改进有所启示。

2、对比分析

本次研究选择TC4钛合金锻件的四项关键试验标准作为对比项, 相应的标准编号列于表 l 。

表1 国标、ASTM 和航标体系下 TC4 钛合金锻件选用标准


国标ASTM航标
化学成分0 B 4698 系列El941, El447 , El409, E539, E2371HB 5297 系列
室温拉伸GB/T 228E8/E8MHB 5143
冲击功GB/T 229E23HB 5144
断裂韧性GB/T 4161E399HB 5142

2.1、化学成分

针对钛合金材料中可能出现的元素, 对国标, ASTM 和航标体系下每种元素的检测方法 , 检测范围进行了对比, 并以某几种元素为例, 比较了各标准体系下精密度的要求, 列于表XXXXX附件。

从检测方法看, 国标以元素为出发点, 针对不同元素分别设立标准, 并在标准中给出不同检测方法, 包括化学检验法和仪器检验法, 方法多样, 元素涵盖范围广。另外, GB/T 4698.21 中提供的发光光谱法可同时检测多元素。

ASTM 除了碳, 氢, 氧、氮非金属元素外, 其他元素(金属元素和硐、硅)检测标准全部列在 X 射线荧光光谱法以及耦合等离子体原子发射光谱法中, 元素涵盖范围广, 方法统一, 系统性, 整合性强。

航标的元素检测标准偏化学方法(容晕法, 重晕法)和分光光度法, 在常见元素的基础上, 测重针对单独元素(铝、饥、铭、钳、铜、铅等)提供多种学化分析方法。

从检测范围看, 航标由千化学检测方法较多, 其检测下限略高千国标和 ASTM 。国标的部分元素检测范围与 ASTM 相当, 但部分元素检测下限与 ASTM 相差一个数量级。

国标和航标体系中, 元素检测的精确度以不同元素含晕区间内允许差范围来表示, 对千某些元素(例如铁)有时直接提供允许差经验计算公式。ASTM 选取特定含量的试验样本送至多个实验室进行测试, 记录样本含量, 实验室数量, 从实验室结果计算 SM, SR, R 等一系列数据。因此, ASTM 的允许差计算结果仅针对选取样本的特定元素含晕, 而不是明确给出某一元素含晕区间的通用允许差。受归一性影响, 这些计算获得的数据在实际使用中可能不如国标和航标直接, 但优势是思路和流程清楚, 数据来源和结果均有据可查。对主要元素碳、氢、氧、氮、铜、铁在不同标准体系下的精确度进行了对比, 总体来看, 国标和航标的允许差与ASTM的规定基本保持一致,部分元素存在差异,但影响基本可以忽略(国标的允许差要求有时比ASTM 更严格)。值得一提的是, ASTM 的元素检测范围下限往往稍低千国标和航标, 可见 ASTM 更注重痕晕元素的检测。

钛饼

2.2、室温拉伸

国标、航标和 ASTM 对千室温拉伸的试验标准对比结果见表2。依有关单位请求, GB/T 228 中的R7号试样被用作主要对比物。

表2 国标、 ASTM 和航标体系下 TC4 钛合金锻件室温拉伸试验标准对比


GB/T 228 R7 试样ASTM E8/E8MHB 5143
试验机按照 GB/T 16825.1进行校准准确度: 1 级或优于 1 级拉力试验机应满足E4 的要求,试验力不超出按 E4 校准的试验机的能力范围试验机按 JJG 139 和 JJG 475定期   检定, 示值误差为±1%, 示值变动为 1% , 示值进回程差为 2%
试样规格R7 试样: 5mm 圆形横截面试样,原始标距为5d0或 10d0接近的规格尺寸是 6mm 或者 4mm, 试样的原始标距分别是5d0或者4d0; 客户未指定是优先选用4d0具备相同规格的试样尺寸,试样的原始标距指定为25mm或50mm
拉伸速率推荐应变速率0.00025s-1, 屈服后拉伸速率为0.0067s -1推荐的屈服阶段拉伸应变速率为 0.00025s -1 , 但针对航空用材料(高温合金和钛合金),推荐的应变速率为0.000083s-1,屈服后的拉伸速率为 0.00083~0 0083s-1推荐的屈服前拉伸速率为 0.00025-   0 0025s-1 , 屈服后的拉伸位移速   率为 0.4Lc/rnm
结果修约拉伸强度: 修约至 lMPa 断后伸长率:   修约至 0 5%: 断面收缩率: 修约至 1%拉伸强度:
<500MPa 时修约至 IMPa, 500~1000MPa时修约至10MPa;
伸长率:
≤3 %时修约至 0.2%, >3%时修约至0 5%;
断面收缩率:
<10% 时修约至0 5%, ≥10% 时修约至 1%
拉伸强度:
≤200MPa 时修约至lMPa , 200~1000MPa 时修约至5MPa,≥1000MPa时修约至10MPa;
伸长率:
≤5%时修约至0.1%, >5%时修约至0.5%, >10%时修约至1%;
断面收缩率:
≤25%时修约至0.5%,≥10%时修约至1%

通过对比可知, ASTM 的试样规格与国标和航标接近, 拉伸速率无明显区别。拉伸强度的修约 , ASTM 与航标接近; 伸长率和收缩率, 航标的修约标准比 ASTM 和国标细致。

2.3 冲击功

国标、航标和 ASTM 对千冲击功的试验标准对比结果见表3。

表3 国标、ASTM 和航标体系下 TC4 钛合金锻件冲击功试验标准对比


GB/T 229ASTM E23HB 5144
锤刃半径2mm 或 8mm8mm2~2.5mm
试样规格可采用 U 型缺口或 V 型缺口,且 U 型缺口深度允许2mm 或者 5mm试样规格为2mm 深度的 V 型缺口试样和   5mm 深度的U 型缺口试样V 型, U 型各 2mm
试验参数有过冷度(过热度)的补偿方法; 要求环境温度为 23±5℃, 在气态低温高温介质中   的保温时间至少20min没有过冷度(过热度)的补偿方法 , 要求环境温度为 20±5℃,   气态高温低温介质中保温30min未规定不符合其他环境温度下的冲击试验
结果修约冲击能量值有符 号表示, KV2、KU2 等; 要求试验结果至少保留两位有效数字没有符号表示, 以语言直接描述最终的结果。对结果的数值修约没有要求
结果有效性判定1)未断试样吸收能橄未超过试验机能力的 80%, 可以报出冲击吸收能量, 或与完全断裂试样结果平均后报出;
  2)试样吸收能量超过试验机能力的  80%, 应报告为近似值, 并注明超过试验机能  力的 80%;    
  3)对于由于试验机打击能量不足, 试样未完全断开, 吸收能量不能确定, 报告应注明试样未断开;    
      4)试样卡锤, 试验结果无效
只规定了试样吸收能量超过试验机能力的 80%, 否则无效规定了误操作,卡锤现场和试样有明显淬火裂纹的结果无效

对比可知,国标的锤刃半径比 ASTM 多了 2mm 选项,而航标的锤刃半径范围在2~2 .5mm。试验参数上, 国标提供了过冷度(过热度)的补偿方法, 且气态高温低温介质保温时间和ASTM 有一定区别。结果修约及有效性方面, 国标的规定较ASTM 更为详细。

2.4 断裂韧性

国标、航标和ASTM 对于断裂韧性的试验标准对比结果见表4。

表4 国标、 ASTM 和航标体系下 TC4 钛合金锻件断裂韧性试验标准对比


GB/T 4161ASTM E399HB 5142
试样规格规定了三点弯曲、紧凑拉伸两种试样规格, 另外推荐了 C 形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样两种规格的试样,要求试样的设计尺寸满足以下三个条件,试样才是有效试样: B≥2.5(Kic/Rp0.2)2
 a≥2.5(Kic/Rp0.2)2
  W-a≥2.5(Kic/Rp0.2)2
规定的试样规格与GB/T 4161 相同,试样的缺口类型增加了山形缺口。试样尺寸要求满足韧带尺寸W-a≥2.5(Kic/Rp0.2)2   的基本条件
试验参数断裂韧性试验的拉伸速率应为0.5~3MPa.sqrt(m)/s应力强度因子的加载速率在0.55~2.75MPa.sqrt(m)/s应力强度因子速率同ASTM E399
试验结果修约规定Kic结果保留三位有效数字

结果有效性判定规定试样厚度、裂纹长度、韧带尺寸都要大于2.5(KqRp02)2, 且Pmax/Pq 要求小于1.10, 否则是无效只要韧带尺寸大于2.5(Kq/Rp0.2)2, 且 Pmax/Pq要求小于1.10, 则Kq为有效的Kic, 否则是无效试样厚度、裂纹长度大于2.5(Kq/Rp20)2,且Pmax/Pq要求小于1.10, 否则是无效

通过对比可知, 试样规格上, ASTM 添加了山形缺口类型, 尺寸要求较国标较为简单。参数方面, GB/T 4161要求断裂韧性试验的拉伸速率应为0.5~3MPa·sqrt(m)/s;ASTM E399要求应力强度因子的加载速率在0.55~2.75MPa·sqrt(m)/s。HB 5142的应力强度因子速率与ASTM E399 相同。结果修约及判定方面,对于KIC实验无效的判定, 国标比 ASTM 多出了试样厚度和裂纹长度规定, 而航标未规定韧带尺寸。

3、结论

国家标准GB大部分修改采用的ISO标准, 根据ISO国际标准的制修订情况完成相应的国标制修订工作, 最新版本更新相对较晚发布。HB是由原中航工业的研究所制定的航空工业标准, 版本基本以1996年的版本为主,目前更新较少, 因此,在本次对比中, 航标的存在感明显弱于国标和ASTM。ASTM是美国材料与试验协会制定的团体标准,标准更新频率相对较高。

钛法兰

总体看来,国标和ASTM的标准各有优点。以化学成分分析为例, 国标更注重方法的可用性, 基本所有的仲裁方法都是化学检测法, 试验流程和结果分析也更加理论化; 而ASTM 标准注重系统性和普适性, 整体结构清晰,尤其是将绝大部分元素并入光谱检测标准,有效地简化了标准的复杂程度 ,降低了管理难度, 使标准能够更好地履行规范市场的作用。

另外, 在本次对比中, 发现国标和航标存在着许多交叉重复的内容, 这对我国标准推广和管理工作造成了极大的阻碍, 这种现象在笔者进行的另一项研究工作中也有体现。为此, 应该尽快展开我国标准系统精简工作, 通过对比现有标准体系的内容, 完整性, 适用性, 科学依据, 规范性, 更新频率等因素, 取其精华, 除其繁冗, 形成一个综合完善的标准体系, 一个真正有实力参与国际标准化竞争的标准体系。

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