布氏硬度國(guó)標(biāo)GB/T231 與美標(biāo)ASTM E10技術(shù)對(duì)比及在實(shí)踐中的應(yīng)用

楊娟

(中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西西安710089)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，國(guó)際合作日益加強(qiáng)，來自歐美等國(guó)家的飛機(jī)轉(zhuǎn)包項(xiàng)目(如波音及英宇航等公司飛機(jī)零部件的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)項(xiàng)目)越來越多。硬度計(jì)量作為飛機(jī)質(zhì)量保障的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，外協(xié)供應(yīng)商要求必須按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E10 規(guī)定的程序來檢驗(yàn)每一個(gè)工件，用來檢測(cè)工件的布氏硬度計(jì)也要求符合ASTM E10 的要求。本文就ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231 的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)，并在實(shí)踐中按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所用的硬度計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)分析，將其應(yīng)用于生產(chǎn)檢驗(yàn)過程之中，從而有效地滿足了要求。

1 ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T231 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析

1.1 比較標(biāo)準(zhǔn)的版次

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前最新版本為ASTM E10 －12 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials;中國(guó)國(guó)標(biāo)當(dāng)前有效版本為GB/T231.2 －2009 《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第2 部分:硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的層次、結(jié)構(gòu)、體例差異

兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)層次、結(jié)構(gòu)、體例差異非常大，這與兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的淵源有關(guān)。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T231 是依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6506，經(jīng)MOD 即修改的方法采用而來，標(biāo)準(zhǔn)文本的層次、結(jié)構(gòu)、體例均與ISO 標(biāo)準(zhǔn)幾乎一致;而ASTM 標(biāo)準(zhǔn)一貫自成體系，遵照了其獨(dú)特的格式和內(nèi)容。拋開這些外在的、表象的差異，重點(diǎn)分析兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的差別。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容上的差異分析

1.3.1 直接檢驗(yàn)

直接檢驗(yàn)的內(nèi)容包括:試驗(yàn)力的校準(zhǔn)、壓頭的檢驗(yàn)、壓痕測(cè)量裝置的校準(zhǔn)和試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間的檢驗(yàn)。對(duì)各項(xiàng)目主要內(nèi)容逐項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

值得注意，較大差異主要體現(xiàn)在壓痕測(cè)量裝置的分辨力和精度要求上。

第一，壓痕測(cè)量裝置分辨力均要求到小數(shù)點(diǎn)后第四位。在ASTM E10 正文中，明確列出了4 種壓頭球直徑所要求的壓痕測(cè)量裝置最小分辨力。

第二，ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求給出了具體的數(shù)值，如表1 第4 項(xiàng)中的4 種情況。國(guó)標(biāo)要求的是相對(duì)值，而不是具體的數(shù)值。在這一點(diǎn)上，美標(biāo)與國(guó)標(biāo)有很大區(qū)別。以最為常用的10 mm 和5 mm 球壓頭為例，分別取這兩種球的有效壓痕上、下限，對(duì)比結(jié)果見表2。表2 中的數(shù)據(jù)顯然比國(guó)標(biāo)的要求低很多。

1.3.2 間接檢驗(yàn)

間接檢驗(yàn)項(xiàng)目中，允許示值誤差有一定差異，而允許示值重復(fù)性相同，見表3。

1.3.3 硬度測(cè)試方法

硬度測(cè)試方法、流程基本相似，最大差異出現(xiàn)在壓痕的測(cè)量方面。美標(biāo)增加了下述要求:

在兩個(gè)互相垂直的方向上測(cè)量每個(gè)壓痕的直徑，對(duì)于在平面上進(jìn)行的試驗(yàn)，同一壓痕最大和最小測(cè)量直徑之差不應(yīng)超過0.1 mm，產(chǎn)品規(guī)范中另有約定的除外。

對(duì)于在曲面上進(jìn)行的測(cè)試，被測(cè)樣品最小曲面半徑至少應(yīng)該大于壓頭球直徑的2.5 倍;測(cè)量時(shí)應(yīng)該測(cè)量橢圓壓痕的長(zhǎng)軸和短軸，以其平均值來計(jì)算布氏硬度。

表1 布氏硬度計(jì)直接檢驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表2 壓痕測(cè)量裝置允許誤差計(jì)算舉例 mm

表3 允許示值誤差和允許示值重復(fù)性對(duì)比

在此項(xiàng)條款中ASTM 標(biāo)準(zhǔn)明確、具體地提出了要求:必須測(cè)出d1，d2兩個(gè)直徑，其差值d1－ d2≤±0.1mm;同時(shí)給出了曲面測(cè)量規(guī)范。但對(duì)于該項(xiàng)，國(guó)標(biāo)并未提及，目前，國(guó)內(nèi)在學(xué)術(shù)界和實(shí)際生產(chǎn)中尚存在爭(zhēng)議和混淆，無明確定論。

2 ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 測(cè)量裝置

通過以上比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，兩種標(biāo)準(zhǔn)的主要差異集中在壓痕測(cè)量上。尤其對(duì)鋁合金材料的布氏硬度檢驗(yàn)，大都是采用5/750 HBW 標(biāo)尺，壓痕直徑較小，被測(cè)壓痕有效范圍為1.2 ～3 mm。使用傳統(tǒng)的20X 或40X 光學(xué)顯微鏡顯然不符合要求。

為此我們按照ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓痕測(cè)量裝置提出如下要求:壓痕直徑測(cè)量分辨力達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后第4位;測(cè)量準(zhǔn)確度最大允許誤差小于0.0050 mm;能分別測(cè)量相互垂直的2 個(gè)方向的直徑，并計(jì)算出2 個(gè)直徑相對(duì)差。按照這些要求，選擇了北京哈德技術(shù)公司的QualiscopeII 型布氏壓痕測(cè)量系統(tǒng)，并由中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所對(duì)測(cè)量裝置準(zhǔn)確度按照美標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)。測(cè)量裝置的檢測(cè)結(jié)果如表4 所示。

表4 測(cè)量裝置的檢測(cè)結(jié)果 mm

測(cè)量誤差滿足小于0.0050 mm 的要求;并且該測(cè)量系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量水平、垂直兩個(gè)方向的壓痕直徑，并能夠根據(jù)測(cè)得的2 個(gè)直徑差值，比較計(jì)算出圓度。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

按照ASTM E10 第7 章步驟，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊和實(shí)際工件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果全部滿足ASTM 要求。

被測(cè)工件名稱:飛機(jī)某零件

材料:30CrMnSiNi2A

要求硬度值:在470 ～520HBW5/750 之間

測(cè)量結(jié)果:X 軸讀數(shù)為1.365 mm，Y 軸讀數(shù)為1.363 mm;直徑差為0.002 mm;平均直徑值為1.364 mm

硬度值:504 HBW5/750

按照ASTM E10 X.2.7 直接檢驗(yàn)的不確定度評(píng)估方法，分析布氏測(cè)量結(jié)果的不確定度主要由試驗(yàn)力不確定度uff 和壓痕測(cè)量系統(tǒng)不確定度uii。

經(jīng)檢驗(yàn)，本次測(cè)試所用硬度計(jì)試驗(yàn)力誤差Ef(kgf)=－3kgf，測(cè)量系統(tǒng)誤差Ei(mm)=0.0001mm，測(cè)量系統(tǒng)不確定度ui(mm)=0.0001mm。在硬度值504 HBW5/750 水平時(shí)，不確定度計(jì)算如下:

因此，測(cè)試結(jié)果為 504 HBW5/750、誤差為1.96HBW5/750 時(shí)的不確定度是1.35HBW5/750。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)布氏硬度國(guó)標(biāo)GB/T231 與美標(biāo)ASTM E10的技術(shù)對(duì)比及在實(shí)踐中的應(yīng)用，得出如下結(jié)論:①我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T231 在結(jié)構(gòu)、體例上較美國(guó)ASTM E10 標(biāo)準(zhǔn)有很大差異。②我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T231 與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E10 的檢驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容基本相同，檢驗(yàn)方法也類似，但直接檢驗(yàn)和間接檢驗(yàn)在項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)要求上有一定程度的差異，在結(jié)構(gòu)、體例上有很大差異。③壓痕測(cè)量裝置的分辨力和準(zhǔn)確度要求、壓痕讀取方法差異較大。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)格、量化、具體;我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是等效采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際是國(guó)際平均水平，與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求存在差距。實(shí)際檢定工作中應(yīng)予以重視。④生產(chǎn)實(shí)踐表明，選用合適的壓痕測(cè)量裝置，按ASTM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟進(jìn)行操作，可以有效地進(jìn)行布氏硬度ASTM 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T231.2 －2009 金屬布氏硬度試驗(yàn) 第2 部分:硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)［S］. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

{2］American Association State Highway and Transportation Officials Standard.ASTM E10 － 12 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials ［S］.2010.

［3］中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所. 布氏硬度計(jì)檢定證書［Z］. 北京:中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所.

［4］北京哈德技術(shù)發(fā)展有限公司. 布氏硬度壓痕測(cè)量系統(tǒng)使用說明書［Z］. 北京:北京哈德技術(shù)發(fā)展有限公司.