目前， 市場(chǎng)上存在許多標(biāo)準(zhǔn)體系， 各種標(biāo)準(zhǔn)體系間交叉重疊， 內(nèi)容繁雜， 標(biāo)準(zhǔn)水平參差不齊， 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和使用造成了許多障礙。本文以TC4鈦合金鍛件為例， 通過(guò)對(duì)比其關(guān)鍵指標(biāo)試驗(yàn) 方法（化學(xué)成分分析， 室溫拉伸， 沖擊功， 斷裂韌性） 在國(guó)標(biāo)， 航標(biāo)和 ASTM 體系中的差異， 對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)體系的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)， 加強(qiáng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)性的認(rèn)識(shí)，以期對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系的改進(jìn)升級(jí)工作有所幫助。
1、引言
新中國(guó)成立以來(lái)， 經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放 30 多年的發(fā)展， 我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了令人矚目的成 績(jī)。到 2017 年底 我國(guó)共有現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 33547 項(xiàng)， 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)高達(dá) 11 萬(wàn)項(xiàng)。另外， 還有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù) 百萬(wàn)項(xiàng)。這些標(biāo)準(zhǔn)， 構(gòu)成了中國(guó)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系， 對(duì)規(guī)范和指導(dǎo)我國(guó)企業(yè)生產(chǎn)， 提高產(chǎn)品質(zhì)暈， 降低生產(chǎn)成本， 規(guī)范市場(chǎng)秩序， 開(kāi)展國(guó)內(nèi)外貿(mào)易， 從而促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起到了重要作用。
但是， 目前我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系仍然面臨著許多問(wèn)題。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)依照 2017 年新修訂的《中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法》分為國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)五個(gè)層次。其中， 除了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 以外， 其余均為推薦性標(biāo)準(zhǔn)。各標(biāo)準(zhǔn)體系間沒(méi)有嚴(yán)格的業(yè)界劃分， 領(lǐng)域交叉混亂， 內(nèi)容繁雜重復(fù)， 同一產(chǎn)品往往存在大暈標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)暈參差不齊，規(guī)范程度極低，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和使用造成了極大的障礙和困難 。例如， 全國(guó)人大代表孫憲忠舉例說(shuō)， 在他的調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn) ， 僅汽車燃用油標(biāo)準(zhǔn)就有 6000 多個(gè)， 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí) 施難度可想而知。
鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬 ， 因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度小， 耐熱 性好等特點(diǎn)， 被廣泛用千航空、航天、汽車、造船、能源等領(lǐng)域。第一個(gè)實(shí)用的鈦合金是 1954 年美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V ( TC4) 合金， 由千它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好， 而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金， 該合金使用量已占全部鈦合金的 75%~85%。本次研究選擇 TC4 鈦合金鑄件作為研究對(duì)象， 通過(guò)對(duì)比國(guó)標(biāo)、航標(biāo)和 ASTM 體系下有關(guān) TC4 鈦合金鑄件的標(biāo)準(zhǔn)， 分析各標(biāo)準(zhǔn)體系的相通和差異處， 希望對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作的精簡(jiǎn)改進(jìn)有所啟示。
2、對(duì)比分析
本次研究選擇TC4鈦合金鍛件的四項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作為對(duì)比項(xiàng)， 相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)列于表 l 。
表1 國(guó)標(biāo)、ASTM 和航標(biāo)體系下 TC4 鈦合金鍛件選用標(biāo)準(zhǔn)
| 國(guó)標(biāo) | ASTM | 航標(biāo) |
| 化學(xué)成分 | 0 B 4698 系列 | El941, El447 , El409, E539, E2371 | HB 5297 系列 |
| 室溫拉伸 | GB/T 228 | E8/E8M | HB 5143 |
| 沖擊功 | GB/T 229 | E23 | HB 5144 |
| 斷裂韌性 | GB/T 4161 | E399 | HB 5142 |
2.1、化學(xué)成分
針對(duì)鈦合金材料中可能出現(xiàn)的元素， 對(duì)國(guó)標(biāo)， ASTM 和航標(biāo)體系下每種元素的檢測(cè)方法 ， 檢測(cè)范圍進(jìn)行了對(duì)比， 并以某幾種元素為例， 比較了各標(biāo)準(zhǔn)體系下精密度的要求， 列于表XXXXX附件。
從檢測(cè)方法看， 國(guó)標(biāo)以元素為出發(fā)點(diǎn)， 針對(duì)不同元素分別設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)， 并在標(biāo)準(zhǔn)中給出不同檢測(cè)方法， 包括化學(xué)檢驗(yàn)法和儀器檢驗(yàn)法， 方法多樣， 元素涵蓋范圍廣。另外， GB/T 4698.21 中提供的發(fā)光光譜法可同時(shí)檢測(cè)多元素。
ASTM 除了碳， 氫， 氧、氮非金屬元素外， 其他元素（金屬元素和硐、硅）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)全部列在 X 射線熒光光譜法以及耦合等離子體原子發(fā)射光譜法中， 元素涵蓋范圍廣， 方法統(tǒng)一， 系統(tǒng)性， 整合性強(qiáng)。
航標(biāo)的元素檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏化學(xué)方法（容暈法， 重暈法）和分光光度法， 在常見(jiàn)元素的基礎(chǔ)上， 測(cè)重針對(duì)單獨(dú)元素（鋁、饑、銘、鉗、銅、鉛等）提供多種學(xué)化分析方法。
從檢測(cè)范圍看， 航標(biāo)由千化學(xué)檢測(cè)方法較多， 其檢測(cè)下限略高千國(guó)標(biāo)和 ASTM 。國(guó)標(biāo)的部分元素檢測(cè)范圍與 ASTM 相當(dāng)， 但部分元素檢測(cè)下限與 ASTM 相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。
國(guó)標(biāo)和航標(biāo)體系中， 元素檢測(cè)的精確度以不同元素含暈區(qū)間內(nèi)允許差范圍來(lái)表示， 對(duì)千某些元素（例如鐵）有時(shí)直接提供允許差經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。ASTM 選取特定含量的試驗(yàn)樣本送至多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試， 記錄樣本含量， 實(shí)驗(yàn)室數(shù)量， 從實(shí)驗(yàn)室結(jié)果計(jì)算 SM, SR, R 等一系列數(shù)據(jù)。因此， ASTM 的允許差計(jì)算結(jié)果僅針對(duì)選取樣本的特定元素含暈， 而不是明確給出某一元素含暈區(qū)間的通用允許差。受歸一性影響， 這些計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)在實(shí)際使用中可能不如國(guó)標(biāo)和航標(biāo)直接， 但優(yōu)勢(shì)是思路和流程清楚， 數(shù)據(jù)來(lái)源和結(jié)果均有據(jù)可查。對(duì)主要元素碳、氫、氧、氮、銅、鐵在不同標(biāo)準(zhǔn)體系下的精確度進(jìn)行了對(duì)比， 總體來(lái)看， 國(guó)標(biāo)和航標(biāo)的允許差與ASTM的規(guī)定基本保持一致，部分元素存在差異，但影響基本可以忽略（國(guó)標(biāo)的允許差要求有時(shí)比ASTM 更嚴(yán)格）。值得一提的是， ASTM 的元素檢測(cè)范圍下限往往稍低千國(guó)標(biāo)和航標(biāo)， 可見(jiàn) ASTM 更注重痕暈元素的檢測(cè)。
2.2、室溫拉伸
國(guó)標(biāo)、航標(biāo)和 ASTM 對(duì)千室溫拉伸的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。依有關(guān)單位請(qǐng)求， GB/T 228 中的R7號(hào)試樣被用作主要對(duì)比物。
表2 國(guó)標(biāo)、 ASTM 和航標(biāo)體系下 TC4 鈦合金鍛件室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
| GB/T 228 R7 試樣 | ASTM E8/E8M | HB 5143 |
| 試驗(yàn)機(jī) | 按照 GB/T 16825.1進(jìn)行校準(zhǔn)準(zhǔn)確度： 1 級(jí)或優(yōu)于 1 級(jí) | 拉力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足E4 的要求，試驗(yàn)力不超出按 E4 校準(zhǔn)的試驗(yàn)機(jī)的能力范圍 | 試驗(yàn)機(jī)按 JJG 139 和 JJG 475定期
檢定， 示值誤差為±1%, 示值變動(dòng)為 1% , 示值進(jìn)回程差為 2% |
| 試樣規(guī)格 | R7 試樣： 5mm 圓形橫截面試樣，原始標(biāo)距為5d0或 10d0 | 接近的規(guī)格尺寸是 6mm 或者 4mm, 試樣的原始標(biāo)距分別是5d0或者4d0； 客戶未指定是優(yōu)先選用4d0 | 具備相同規(guī)格的試樣尺寸，試樣的原始標(biāo)距指定為25mm或50mm |
| 拉伸速率 | 推薦應(yīng)變速率0.00025s-1， 屈服后拉伸速率為0.0067s -1 | 推薦的屈服階段拉伸應(yīng)變速率為 0.00025s -1 , 但針對(duì)航空用材料（高溫合金和鈦合金），推薦的應(yīng)變速率為0.000083s-1，屈服后的拉伸速率為 0.00083~0 0083s-1 | 推薦的屈服前拉伸速率為 0.00025-
0 0025s-1 , 屈服后的拉伸位移速
率為 0.4Lc/rnm |
| 結(jié)果修約 | 拉伸強(qiáng)度： 修約至 lMPa 斷后伸長(zhǎng)率：
修約至 0 5%: 斷面收縮率： 修約至 1% | 拉伸強(qiáng)度：
<500MPa 時(shí)修約至 IMPa, 500~1000MPa時(shí)修約至10MPa;
伸長(zhǎng)率:
≤3 %時(shí)修約至 0.2%, >3%時(shí)修約至0 5%;
斷面收縮率：
<10% 時(shí)修約至0 5%, ≥10% 時(shí)修約至 1% | 拉伸強(qiáng)度：
≤200MPa 時(shí)修約至lMPa , 200~1000MPa 時(shí)修約至5MPa,≥1000MPa時(shí)修約至10MPa;
伸長(zhǎng)率：
≤5%時(shí)修約至0.1%, ＞5%時(shí)修約至0.5%, ＞10%時(shí)修約至1%;
斷面收縮率：
≤25%時(shí)修約至0.5%,≥10%時(shí)修約至1% |
通過(guò)對(duì)比可知， ASTM 的試樣規(guī)格與國(guó)標(biāo)和航標(biāo)接近， 拉伸速率無(wú)明顯區(qū)別。拉伸強(qiáng)度的修約 ， ASTM 與航標(biāo)接近； 伸長(zhǎng)率和收縮率， 航標(biāo)的修約標(biāo)準(zhǔn)比 ASTM 和國(guó)標(biāo)細(xì)致。
2.3 沖擊功
國(guó)標(biāo)、航標(biāo)和 ASTM 對(duì)千沖擊功的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 國(guó)標(biāo)、ASTM 和航標(biāo)體系下 TC4 鈦合金鍛件沖擊功試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
| GB/T 229 | ASTM E23 | HB 5144 |
| 錘刃半徑 | 2mm 或 8mm | 8mm | 2~2.5mm |
| 試樣規(guī)格 | 可采用 U 型缺口或 V 型缺口，且 U 型缺口深度允許2mm 或者 5mm | 試樣規(guī)格為2mm 深度的 V 型缺口試樣和
5mm 深度的U 型缺口試樣 | V 型， U 型各 2mm |
| 試驗(yàn)參數(shù) | 有過(guò)冷度（過(guò)熱度）的補(bǔ)償方法； 要求環(huán)境溫度為 23±5℃, 在氣態(tài)低溫高溫介質(zhì)中
的保溫時(shí)間至少20min | 沒(méi)有過(guò)冷度（過(guò)熱度）的補(bǔ)償方法 ， 要求環(huán)境溫度為 20±5℃,
氣態(tài)高溫低溫介質(zhì)中保溫30min | 未規(guī)定不符合其他環(huán)境溫度下的沖擊試驗(yàn) |
| 結(jié)果修約 | 沖擊能量值有符 號(hào)表示， KV2、KU2 等； 要求試驗(yàn)結(jié)果至少保留兩位有效數(shù)字 | 沒(méi)有符號(hào)表示， 以語(yǔ)言直接描述最終的結(jié)果。對(duì)結(jié)果的數(shù)值修約沒(méi)有要求 |
|
| 結(jié)果有效性判定 | 1）未斷試樣吸收能橄未超過(guò)試驗(yàn)機(jī)能力的 80%, 可以報(bào)出沖擊吸收能量， 或與完全斷裂試樣結(jié)果平均后報(bào)出；
2）試樣吸收能量超過(guò)試驗(yàn)機(jī)能力的 80%, 應(yīng)報(bào)告為近似值， 并注明超過(guò)試驗(yàn)機(jī)能 力的 80%;
3）對(duì)于由于試驗(yàn)機(jī)打擊能量不足， 試樣未完全斷開(kāi)， 吸收能量不能確定， 報(bào)告應(yīng)注明試樣未斷開(kāi)；
4）試樣卡錘， 試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效 | 只規(guī)定了試樣吸收能量超過(guò)試驗(yàn)機(jī)能力的 80%, 否則無(wú)效 | 規(guī)定了誤操作，卡錘現(xiàn)場(chǎng)和試樣有明顯淬火裂紋的結(jié)果無(wú)效 |
對(duì)比可知，國(guó)標(biāo)的錘刃半徑比 ASTM 多了 2mm 選項(xiàng)，而航標(biāo)的錘刃半徑范圍在2~2 .5mm。試驗(yàn)參數(shù)上， 國(guó)標(biāo)提供了過(guò)冷度（過(guò)熱度）的補(bǔ)償方法， 且氣態(tài)高溫低溫介質(zhì)保溫時(shí)間和ASTM 有一定區(qū)別。結(jié)果修約及有效性方面， 國(guó)標(biāo)的規(guī)定較ASTM 更為詳細(xì)。
2.4 斷裂韌性
國(guó)標(biāo)、航標(biāo)和ASTM 對(duì)于斷裂韌性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 國(guó)標(biāo)、 ASTM 和航標(biāo)體系下 TC4 鈦合金鍛件斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
| GB/T 4161 | ASTM E399 | HB 5142 |
| 試樣規(guī)格 | 規(guī)定了三點(diǎn)彎曲、緊湊拉伸兩種試樣規(guī)格， 另外推薦了 C 形拉伸試樣和圓形緊湊拉伸試樣兩種規(guī)格的試樣，要求試樣的設(shè)計(jì)尺寸滿足以下三個(gè)條件，試樣才是有效試樣：
B≥2.5(Kic/Rp0.2)2
a≥2.5(Kic/Rp0.2)2
W-a≥2.5(Kic/Rp0.2)2
| 規(guī)定的試樣規(guī)格與GB/T 4161 相同，試樣的缺口類型增加了山形缺口。試樣尺寸要求滿足韌帶尺寸W-a≥2.5(Kic/Rp0.2)2
的基本條件 |
|
| 試驗(yàn)參數(shù) | 斷裂韌性試驗(yàn)的拉伸速率應(yīng)為0.5~3MPa.sqrt(m)/s | 應(yīng)力強(qiáng)度因子的加載速率在0.55~2.75MPa.sqrt(m)/s | 應(yīng)力強(qiáng)度因子速率同ASTM E399 |
| 試驗(yàn)結(jié)果修約 | 規(guī)定Kic結(jié)果保留三位有效數(shù)字 |
|
|
| 結(jié)果有效性判定 | 規(guī)定試樣厚度、裂紋長(zhǎng)度、韌帶尺寸都要大于2.5(KqRp02)2, 且Pmax/Pq 要求小于1.10, 否則是無(wú)效 | 只要韌帶尺寸大于2.5(Kq/Rp0.2)2, 且 Pmax/Pq要求小于1.10, 則Kq為有效的Kic, 否則是無(wú)效 | 試樣厚度、裂紋長(zhǎng)度大于2.5(Kq/Rp20)2，且Pmax/Pq要求小于1.10, 否則是無(wú)效 |
通過(guò)對(duì)比可知， 試樣規(guī)格上， ASTM 添加了山形缺口類型， 尺寸要求較國(guó)標(biāo)較為簡(jiǎn)單。參數(shù)方面， GB/T 4161要求斷裂韌性試驗(yàn)的拉伸速率應(yīng)為0.5~3MPa·sqrt(m)/s;ASTM E399要求應(yīng)力強(qiáng)度因子的加載速率在0.55~2.75MPa·sqrt(m)/s。HB 5142的應(yīng)力強(qiáng)度因子速率與ASTM E399 相同。結(jié)果修約及判定方面，對(duì)于KIC實(shí)驗(yàn)無(wú)效的判定， 國(guó)標(biāo)比 ASTM 多出了試樣厚度和裂紋長(zhǎng)度規(guī)定， 而航標(biāo)未規(guī)定韌帶尺寸。
3、結(jié)論
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB大部分修改采用的ISO標(biāo)準(zhǔn)， 根據(jù)ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制修訂情況完成相應(yīng)的國(guó)標(biāo)制修訂工作， 最新版本更新相對(duì)較晚發(fā)布。HB是由原中航工業(yè)的研究所制定的航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 版本基本以1996年的版本為主，目前更新較少， 因此，在本次對(duì)比中， 航標(biāo)的存在感明顯弱于國(guó)標(biāo)和ASTM。ASTM是美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)更新頻率相對(duì)較高。
總體看來(lái)，國(guó)標(biāo)和ASTM的標(biāo)準(zhǔn)各有優(yōu)點(diǎn)。以化學(xué)成分分析為例， 國(guó)標(biāo)更注重方法的可用性， 基本所有的仲裁方法都是化學(xué)檢測(cè)法， 試驗(yàn)流程和結(jié)果分析也更加理論化； 而ASTM 標(biāo)準(zhǔn)注重系統(tǒng)性和普適性， 整體結(jié)構(gòu)清晰，尤其是將絕大部分元素并入光譜檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，有效地簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜程度 ，降低了管理難度， 使標(biāo)準(zhǔn)能夠更好地履行規(guī)范市場(chǎng)的作用。
另外， 在本次對(duì)比中， 發(fā)現(xiàn)國(guó)標(biāo)和航標(biāo)存在著許多交叉重復(fù)的內(nèi)容， 這對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)推廣和管理工作造成了極大的阻礙， 這種現(xiàn)象在筆者進(jìn)行的另一項(xiàng)研究工作中也有體現(xiàn)。為此， 應(yīng)該盡快展開(kāi)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)精簡(jiǎn)工作， 通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的內(nèi)容， 完整性， 適用性， 科學(xué)依據(jù)， 規(guī)范性， 更新頻率等因素， 取其精華， 除其繁冗， 形成一個(gè)綜合完善的標(biāo)準(zhǔn)體系， 一個(gè)真正有實(shí)力參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。
相關(guān)鏈接
