1、引言
电工钢是构成电机、变压器等磁路的重要原材料，用户对电工钢材料磁性能指标的要求日益提高，特别是对于一些高等级产品，材料的体积密度对电工钢的磁性能指标检测有直接影响；此外，电工钢磁性能以外的其他性能也日益受到关注，如叠片性、延展性（反复弯曲）等。电工钢体积密度、叠装系数和反复弯曲检测方法的国家标准GB/T 19289-2003“电工钢片（带）的密度、电阻率和叠装系数的测量方法”（以下简称“GB/T 19289-2003”）和GB/T 235-1999“金属材料厚度等于或小于3mm薄板和薄带反复弯曲试验方法”（以下简称”GB/T 235-1999”）分别等同采用国际标准IEC 60404-13：1995和ISO 7799-1985。
通过长期的工业检测实践、与下游用户的交流和实验研究，笔者发现现行的国际和国家标准方法存在诸多问题，或测量精度要求不合理、或条文表述与工业应用实际情况有差异，这些问题的存在已影响到标准的实际运作，不利于工业检测与其对应的工业生产的同步快速发展。
本文将依次分析电工钢体积密度、叠装系数和反复弯曲检测的现行标准方法存在的问题，提出可行的改进建议。
2、体积密度
2.1、标准测定方法
GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995对于电工钢密度测定的方法有A、B两种，分别采用电工钢磁性测量的爱泼斯坦试样和单片试样。测量范围仅限于无取向电工钢，由于这种测量方法是基于经验公式，并对待测样品的成分有严格的限制：
硅：ω（Si）≤4%；
铝：0.17ω（Si）-0.28≤ω（Al）≤0.17ω（Si）+0.28和ω（Al）≥0；
其他杂质总量：ω≤0.4%；
其中，ω（Si）为硅的质量分数，ω（Al）为铝的质量分数。
显而易见，对于取向电工钢或者成分超出限制范围的无取向电工钢，上述标准方法将不适用；同时，由于上述方法是相对测量，在一些特定的情况下，其测定值与电工钢材料的真实体积密度是否一致也是需要斟酌的。
工业上有时也采用化学成分（主要是考虑硅和铝）估算电工钢材料的真实体积密度，这一方法在现行国际和国家标准中没有描述，但是历史上国际和国家标准中是有对应内容的，现行ASTM A34M-06仍保留了此方法的内容。
2.2、气体密度计法（真密度法）
历史上，电工钢体积密度检测方法的国际和国家标准中曾参考塑料体积密度检测的国际标准ISO 1183：1987“塑料-非泡沫塑料密度和相对密度的测定方法”（以下简称“ISO 1183：1987”），引用了其中的浸渍法。但是由于浸渍法在电工钢体积密度检测上有一定难度，现行国际和国家标准中取消了对应的内容。实际上，随着技术的进步，在固体体积密度测量方面也出现了一些成熟的方法，国际标准ISO 1183已分为三部分，除浸渍法外，还引入了其他方法，如ISO 1183-3：1999“塑料-非泡沫塑料的密度测定方法第3部分：气体密度计法”；同样ASTM 6226-10“硬质泡沫塑料的开孔体积密度标准测定方法”也有类似介绍气体密度计法，这是一种利用波义耳气体膨胀定律并通过压力等参数变化测量进行密度测定的方法。相对于GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995通过测量电阻再利用经验公式计算得出密度的方法，这种气体密度计法是物理意义上的绝对测量，有时也称作真密度法。
真密度法的依据是波义耳气体膨胀定律，即空间体积不变，空间内气体增加，空间内的压强呈相应比例的增加。真密度法所用的仪器（如图1所示）具有两个已知体积的盒子，盒子间有连通阀门。其中一个是样品盒，可放入待测样品或校准用的标准球，另一为固定体积的参比盒子。用于测定密度的高纯干燥气体注入样品盒内，高纯干燥气体一般是纯度达99.99%以上的隋性气体，如氮气、氦气等。随着气体的增加，样品盒内气压随之升高。当样品盒内气压达到预定值时，停止供气，待气压稳定后，此时气压记为P1。打开通气阀门，样品盒内气体进入参比盒子，待两个盒子的气压稳定后，此时气压记为P2。P1/P2的比值与样品盒内样品的体积有直接关系，可以计算得出。
根据波义耳气体膨胀定律方程
P1（VC-VS）=P2VE。
其中，VS为样品体积，VC为样品盒体积，VE为参比盒子的体积。
图1：真密度仪结构示意图
2.3、平行对比试验
选取高、中、低三个等级的无取向硅钢样品分别采用GB/T 19289-2003和IEC 60404-13；1995的A方法（以下简称“方法A”）和B方法（以下简称“方法B”）、化学成分换算法（以下简称“成分法”）以及真密度测定法进行测定。按照2.2节中描述的真密度测定方法和仪器操作进行测定，测定试验前采用可溯源至美国国家标准研究院（NIST）的不锈钢标准球进行仪器校准。具体相关真密度测定法试验参数如表1所示。
表1：真密度测定法试验参数
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No.
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项目
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条件参数
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备注
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1
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样品盒
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135m3
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大样品盒
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2
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气体
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高纯氦
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纯度：99.99%
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3
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气压
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103.5kPa
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15.0psi
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4
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校准
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NIST不锈钢标准球
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直径约47mm
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5
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样品重量
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300-340g
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/
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6
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温度
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25℃
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测量系统温度
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方法A、方法B和成分法都是基于化学成分经验公式转算的方式。试验表明，这三种方法的测定结果一致性较差，尤其是方法A、方法B的原理完全一致，但是测定结果却相差悬殊，而这一差异很难仅从对应样品材料本身的不均匀性得到解释。真密度法不同于前三种方法，是直接测定密度的方法，其测量系统精度较高，具有完全可靠的测量溯源依据；此外从平行对比结果来看，真密度法的测定结果与名义密度较为接近，因此建议标准中增加该密度测定方法（如图2所示）。
图2：密度测定平行对比试验
3、叠装系数
3.1、试样
叠装系数直接关系到电工钢下游用户使用时的叠片性能，在工业检测中检测频率较高，属常规检测项目。为省去另外制备样品的工作，工业检测中的规模化检测通常采用爱泼斯坦试样，GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995也认可这种操作模式。然而，GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995关于试样的尺寸公差和相关测量准确度的规定与GB/T 3655-2008“用爱泼斯坦方圈测量电工钢片（带）磁性能的方法”（以下简称“GB/T 3655-2008”）和IEC 60404-2：2008中对爱泼斯坦试样的相关规定并不一致，致使工业生产检测中对于标准内容的贯彻执行出现矛盾。
如表2所示，两类标准对样品重量、样品长度和宽度的测量准确度和公差要求均不一致，若采用爱泼斯坦试样则不符合标准GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995的规定。而针对叠装系数试样另行制作一套精度控制方法及设备，对于工业检测来说不切实际。
表2：GB/T 19289-2003与GB/T 3655-2008对试样精度规定的差异
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No.
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项目
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GB/T 19289-2003与IEC 60404-13：1995
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GB/T 3655-2008/ IEC 60404-2：2008/
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1
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样品重量
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±0.33%
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±0.1%
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2
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样品长度
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±0.33%
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±0.5mm
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3
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样品宽度
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±0.33%
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±0.2mm
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表3：以爱泼斯坦试样的尺寸公差和相关测最准确度为基础对至装系数试样相关参数的修正建议
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项目
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GB/T 19289-2003/IEC 60404-13：1995
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GB/T 3655-2008/ IEC 60404-2：2008
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建议修正精度
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||
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参数
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精度
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参数
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精度
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||
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样品重量
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-
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±0.33%
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-
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±0.1%
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±0.1%
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样品长度
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280~320mm
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±0.33%
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280~320mm
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±0.5mm
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±0.2%
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样品宽度
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30mm
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±0.33%
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30mm
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±0.2mm
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±0.7%
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压片高度
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-
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±0.3%
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-
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-
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±0.3%
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允许精度
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-
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±0.7%
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-
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-
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±0.8%
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以爱泼斯坦试样的尺寸公差和相关测量准确度为基准，将叠装系数试样的尺寸公差和相关测量准确度要求稍微修正即可顺利化解上述问题，且对方法的重复性指标无明显影响，如表3所示。
对比修正前后叠装系数检测的重复性指标，如下：
按照标准GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995的相关精度要求计算重复性指标（总误差）：
参照标准GB/T 3655-2008和IEC 60404-2：2008中爱泼斯坦试样修订叠装系数检测对样品参数要求后，相关检测的重复性指标（总误差）：
可见，按标准IEC 60404-2：2008和GB/T 3655-2008中爱泼斯坦试样修订叠装系数检测对样品参数要求，叠装系数系统测量重复性指标无明显变化，不影响检测质量，但对于工业检测来讲却使得相关实际操作合理有效。
3.2、测且点位置
标准GB/T 19289-2003和IEC 60404-13：1995中规定样品叠装高度测量点的位置可有两种形式，一种为4点测量，一种为2点测量。其中，对于2点测量，要求测量点的位置是位于样品短边的中间位置。在工业检测中，可能有各种实际的需求和限制，在样品对角线对称的短边附近位置进行测量是工业检测常见的选择，但是现行标准对此没有规定。因此有必要增加在样品对角线对称的短边附近位置进行测量的描述。
表4：盈装系数测且点的位置
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No.
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IEC 60404-13：1995
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建议改进
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备注
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1
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2点测量（小方红点）
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增加
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2
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不变
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||
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3
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增加
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4、反复弯曲
4.1、各标准方法的差异
电工钢反复弯曲检测是材料延展性表征的常规项目。由于我国尚没有电工钢的反复弯曲检测国家标准，现行产品检验标准参照就是国家标准GB/T 235-1999。国家标准GB/T 235-1999的适用范围涵盖整个金属材料，电工钢的产品特性相对独特，因此其试验条件和参数对于电工钢的适用性值得商榷，且部分试验条件并不明确，导致供货双方有时对于产品性能存在争议。实际上，除欧洲外，国内外电工钢用户在反复弯曲检测方法基本是一致的，如JIS C 2550-2000“电磁钢带试验方法”以及ASTM 720-02（R2007）“无取向电工钢延展性标准试验方法”。国家标准对于现实使用的电工钢反复弯曲检测方法的具体规定是空缺的。各反复弯曲标准的试验条件及参数在试验条件参数及试样要求上有诸多差异。因此，研究不同试验条件对反复弯曲试验结果的影响具有重要的现实意义。
如表5所示，各标准方法主要存在四个方面的差异：
①试样的试验方向，平行于轧制方向还是垂直于轧制方向；
②弯曲时，试样多少张力合适；
③试样宽度；
④弯曲半径。
表5：各反复弯曲标准试验条件及参数的差异对比
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No.
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项目
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GB/T 235-1999（ISO 7799）
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ASTM 720-02（R2007）
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JIS C 2550-2000
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1
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试样宽度
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机加工的试样其宽度应为20-25 mm；对于宽度小于20mm的薄带产品，试样宽度应为原产品的全宽度
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检测的试样宽度约30mm，长度不短于150mm
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检测的试样应为宽度为30mm，长度为250mm-320mm的长方形
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2
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试样方向
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未明确
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长轴平行于轧制方向的试样5片，长轴垂直于轧制方向的试样5片
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未明确
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3
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张力
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为了确保试验时试样与圆柱支座的圆弧面连续接触，应对试样施加一定的拉紧力。除非相关产品标准另有规定，施加的拉紧力不应使试样所受拉应力超过材料标称抗拉强度的2%
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将试样牢固地夹紧在弯曲设备尚，夹紧时拉伸弹簧以施加张力
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张力：约70N
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4
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弯曲半径
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0.3mm＜a≤0.5mm（a为试样厚度）
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弯曲试样的固定夹持半径约为5mm
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半径5mm
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4.2、不同试验条件对比试验
如图3、4、5所示，平行对比不同试样方向、张力、试验宽度以及弯曲半径对弯曲次数的影响（其中图3、4的数据来源于傅志强等的文献）。试验样品为冷轧无取向硅钢，试样方向涵盖纵向（平行于轧制方向）、横向（垂直于轧制方向），张力范围包括20N、40N、60N、80N四个力值，弯曲半径综合考虑各标准方法设定2.5mm、5mm、7.5mm三种规格。试验设备为反复折弯机，弯曲角度90°。
4.3、试验结果分析
1）张力试验选用弯曲半径适中的5mm，试样宽度综合各标准选用30mm，分别进行纵向和横向的试验。如图2所示，随着张力的增加，弯曲次数下降非常明显，但是至60N后下降趋于平稳。
2）弯曲试验考虑上述分析，张力选用平稳段的60N，试样宽度30mm，分别进行纵向和横向的试验。如图3所示，弯曲半径越小，弯曲次数越少；弯曲半径越大，弯曲次数越多。
图3：不同张力对比图
3）试样宽度试验的张力继续选用60N，弯曲半径选用适中的5mm，分别进行纵向和横向的试验。如图4所示，20mm、25mm、30mm的弯曲次数基本趋同，可见试样宽度对弯曲次数没有影响。
图4：不同弯曲半径对比图
图5：不同试样宽度对比图
5、总结
标准方法的根本特性是具有广泛的适用性和严谨性并存，从而获得广泛的认同和应用。随着工业生产的快速发展，工业检测始终保持与之相应的步调，因此为之服务的标准时刻面临着新的问题和挑战。分析电工钢检测标准中的新问题、新矛盾点，实验研究并提出改进办法，有利于电工钢检测标准不断修正以保证其广泛适用性和严谨性，促进电工钢工业检测水平的长足发展。
收稿时间：2012年
来源：宝钢
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