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以钛合金锻件为例的不同标准体系对比分析

发布时间:2024-04-15 16:55:44 浏览次数 :

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。

钛合金锻件

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,提高产品质量,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量标准。这些标准质量参差不齐,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,被广泛用于航空、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,由于它的耐热性、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 1。

b1.jpg

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(金属元素和硼、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(容量法,重量法)和分光光度法,在常见元素的基础上,测重针对单独元素(铝、钒、铬、钼、铜、锆等)提供多种化学分析方法。

从检测范围看,航标由于化学检测方法较多,其检测下限略高于国标和 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量区间内允许差范围来表示,对于某些元素(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量,而不是明确给出某一元素含量区间的通用允许差。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于国标和航标,可见 ASTM 更注重痕量元素的检测。

2.2 室温拉伸

国标、航标和 ASTM 对于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。

b2.jpg

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 对于冲击功的试验标准对比结果见表 3。

b3.jpg

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。

b4.jpg

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/T4161 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。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。

参考文献

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