1 前言
扭转试验是评价金属线材质量比较简单、比较经济有效的方法，可以反映出试样承受扭转变形的能力和韧性的高低，它具有以下特点：（1）易于显示材料塑性行为和变形能力的大小；（2）较敏感地反映出金属表面缺陷和表面硬化层的性能。在相同的条件下，试样的扭转次数少，则表明试样承受变形能力差、韧性低。
金属线材扭转试验机标准GB/T 239-1999，是10年前等效采用ISO 7800:1984和ISO 9649:1990（内容分别涉及单向扭转试验和双向扭转试验），将两个标准的内容合并在一个标准内。目前，ISO 7800:1984已被ISO 7800:2003替代，该新标准中不涉及双向扭转试验方面的内容。在2007年ISO/TC164南非会议上，比利时针对ISO 7800:2003中的附录C《简单扭转试验破裂类型评估表》提出了勘误表，该勘误表已被EN10218-1:2009标准和会议采纳。为了贯彻积极采用ISO标准的国家战略，需要将现行的金属线材扭转试验标准GB/T 239-1999进行修订，以便与ISO标准核心思想保持一致。另外需引起重视的是，ISO 7800:2003中目前仍缺少大规格线材（直径大于10mm）扭转试验的相关技术内容，冶金行业标准YB/T 4176-2008《金属材料 大规模线材扭转试验方法》中已经对此进行了补充。本次GB/T 239-1999国际修订，在遵循ISO标准原文的基础上，也将补充直径10mm-14mm的钢线材扭转试验方面的技术内容。国际标准ISO 7800：2003与线材扭转试验方法GB/T 239-1999在钢线材的扭转速度上存在较大差异。ISO 7800:2003中规定：d＜1.0mm钢线材试验速度降为原来的三分之一，1.0mm≤d＜10mm钢线材试验速度降为原来的二分之一。这些扭转速度的变化和差异，如果在这次新版标准的修订时不妥善处理，对我国线材及其制品行业的生产和贸易带来不可估量的负面影响。因此，关于扭转速度的内容是本次GB/T239.1标准修订的核心内容之一。
本文重点对新修订标准中大规格钢线材（直径大于10mm）扭转试验的相关技术内容、直径大于10mm钢线材两种转速的技术内容和定标距与比例标距的问题进行说明。
2 关于大规模（直径大于10mm）钢线材扭转试验相关技术内容的说明
大规模金属线材不同于小规模金属线材，其试验方法上主要存在三个问题和一个差异：
（1）合适的试样标距值选择。如果参照GB/T 239-1999表2的规定，对线材直径d＞10mm试样，标距L最小仍取50倍试样直径，试样长度均超过550mm，甚至接近1m。一方面，试样长度因超过现行扭转试验机的试验空间而无法试验；另一方面，试样太长，耗材较多，也不经济。因此，需要规定合适的试样标距值。
（2）合适的试验转速值选择。如果继续参照GB/T 239-1999转速取最小值30r/min,由于试样直径较粗，强度往往也比较高，试样的应变速率高而经常导致试样在夹持部位产生断裂，成为无效试验。高转速虽能缩短试验周期，但低的试验成功率不仅造成无法获得数据，而且损失也很大，因此，需要规定合适的转速值。
（3）大规模线材试样与小规模线材不同，除直径大外，一般强度也高，因而矫直难，装卡难，对试样的矫直和夹持方式都有特殊要求。这不仅需要各标准使用单位根据自身实际总结经验，找出适合自己的试样的矫直和夹持方式，让大规格金属线材试样在试验过程中受夹持部位的受力均匀，不致产生应力集中而影响试验结果，这对试验机提出了高要求。同时，应根据不同的试样材质硬度，选用合适硬度的夹块进行试验，一般推荐夹头的硬度高于试样硬度20HRC左右。
试样夹持的新方式，目前暂时有卡盘式夹具和液压夹具两种。卡盘式夹具虽优于传统的牙块式夹具，但仍然存在试样装卡效率和试验成功率不高的缺点。液压夹具将是适合大规模线材扭转试验最有前途的试样夹持方式。
（4）考虑到0.1mm-10.0mm的金属线材，特别是直径较细的线材，如果在扭转试验过程中存在明显弯曲下挠，容易在夹头位置附近产生附加弯矩，从而导致试样提前破坏。因此，为使试样在试验过程中保持平直，有必要对其施加一定的拉紧力。大规格线材矫直后具有较大的刚性，试验过程中无明显弯曲，因此新修订标准对10mm-14mm试样没有必要提出施加拉紧力的要求。
在本标准的修订中，通过大量的试验研究和统计分析，从技术与经济相结合的角度提出了合适的试样标距值（22d或22D）和试验转速值（2r-4r或0.03r-0.1r/s）。依据提出的试样标距值和试验转速值，又对不同钢种、不同规格和不同产地的线材进行了大量验证试验，进一步验证了所提出试样标距值和转速值的合格性。图1是部分大规格钢线材扭转速度与扭转次数统计标准差之间关系的统计数据，图4是部分大规模钢线材扭转速度与最大扭转应变统计标准差之间关系的统计数据。
图1 部分大规模钢线材标距与扭转次数统计标准差之间关系的统计数据
图2 部分大规模钢线材标距与最大扭矩应变统计标准差之间关系的统计数据
图3 部分大规模钢线材扭转速度与扭转次数统计标准差之间关系的统计数据
图4 部分大规模钢线材扭转速度与最大扭转应变统计标准差之间关系的统计数据
3 关于钢制线材两种扭转速度技术内容的说明
在ISO 7800:2003表3中，各种规格钢制线材的扭转速度上限由较大程度的降低，而铜及铜合金、铝及铝合金扭转速度与GB/T 239-1999标准保持一致。一方面，扭转速度的快慢是否会对扭转性能造成决定性影响需要加以试验验证，与此同时，降低转速可能导致试验效率的降低。
经过武钢、贵州钢绳股份有限公司和华凌集团湘潭钢铁公司的共同努力，共进行了14个规格1700多件试样的转速验证试验，对钢线材按GB/T239-1999标准和国际标准进行多种不同试验速度的扭转试验。表1和表2是部分钢线材扭转试验转速与扭转次数之间关系的统计数据，其他部分数据见文献[10]。试验数据的统计分析表明，两种试验速度对线材扭转次数（平均值和标准偏差）影响非常小，故本标准修订采用两种试验速度，供使用标准者选择，但在试验报告中需注明试验速度。
表1 部分钢线材扭转试验转速与扭转次数之间关系的统计数据
表2 部分钢线材扭转试验转速与扭转次数之间关系的统计数据
综合上述数据分析，对于d＜1.0mm、1.0mm≤d＜10mm以及d＞10.0mm等不同规格的钢线材，虽然ISO 7800:2003规定的试验速度比GB/T 239-1999有不同程度的降低，但是采用两种不同转速所获得的扭转次数（平均值）以及样本标准差均非常接近，因此在新修订国标GB/T 239.1-20XX中除了采用ISO 7800：2003规定的转速外，仍保留GB/T239-1999中的较快转速有充分的科学依据。
4 关于定标距与比例标距技术问题的说明
关于夹头间试样长度是取定标距还是比例标距的问题，不同的试验方法标准取向不同，不同的产品标准规定不同，选取两种标距的效果各有优劣。
ISO 7800中比例标距L的规定，其目的显然是在设备能力允许情况下（L=300mm），尽量取较长的试样，以增加发现缺陷的概率。但ISO 7800中有关比例标距的规定同时也给试验条件的确定带来了一定的混乱。有关比例标距的规定同时也给试验条件的确定带来了一定的混乱。它不仅反映在同档次线材，例如规格1mm≤d(D)＜5mm的线材，其对应的标距在100mm-300mm之间剧烈变化，更突出的是在相邻档次临界范围内的线材，例如d=0.9mm和d=1.1mm，其对应的标距分别是180mm和110mm。这就造成规格相近的线材，其试验条件存在明显差异，而这种差异对扭转次数的影响是确实存在的。
美国ASTM A938-07《线材扭转试验方法标准》推荐采用203mm的固定标距下的扭转次数比例换算。采用其它标距时，最小扭转次数需要按203mm的固定标距下的扭转次数比例换算。采用固定标距具有以下几个优点：（1）减少调节夹头间距的时间，提高检测效率；（2）在ISO标准中，小规格线材采用了较小的标距长度，降低了缺陷暴露的机会，致使扭转试验检验钢丝表面质量的能力下降，采用统一标距后可以更加敏感地反映小规格钢丝表面缺陷对扭转性能的影响；（3）可以灵敏地反映钢丝直径变化对扭转性能的影响。
对于产品标准，有的是选取定标距，如API-9A《钢丝绳规范》和所有异型钢丝（绳）的国内外产品标准；有的是选取比例标距，如我国所有圆形钢丝(绳)产品标准和所有铝钢复合圆形丝（绳）的国内外产品标准（GB/T 17937-2009、ASTM B515-98、ASTM B502、IEC 1232:1993）。以上的这些不同选择主要取决于产品特点和使用的传统习惯，只要产品标准规定好或供需双方协商好，夹头间试样长度无论是取定标距还是取比例标距，都不会影响扭转试验的应用。考虑到我国线材及其制品行业绝大多数产品扭转试验长期使用比例标距的历史习惯，所以此次新修订的GB/T 239.1标准仍然参照ISO 7800:2003采用比例标距。 |
