新版金屬材料常用硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的解讀

劉波，戴月紅

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作迅速、簡(jiǎn)便，又可直接在零件或工具上進(jìn)行試驗(yàn)而不破壞工件，且可根據(jù)測(cè)得的硬度值估計(jì)出材料的近似抗拉強(qiáng)度和耐磨性。此外，硬度與材料的冷成形性、可加工性、焊接性等工藝性能存在一定聯(lián)系，可作為選擇加工工藝時(shí)的參考。所以，硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，是產(chǎn)品質(zhì)量檢查和制定合理加工工藝最常用的方法。

常用的硬度試驗(yàn)方法有洛氏硬度和布氏硬度。這2種試驗(yàn)方法都有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均是2009年修訂的，而其所采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行版本分別為2016版和2014版。因此，2018年由中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)提出對(duì)洛氏硬度和布氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。新修訂的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》和GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。針對(duì)這2項(xiàng)新版標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其變化較大的內(nèi)容進(jìn)行介紹，并與舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、比較和解讀，供使用者貫徹新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)參考。

1 GB/T 230.1—2018

GB/T 230于1983年首次發(fā)布，經(jīng)歷了1991年、2004年、2009年3次修訂，2018年進(jìn)行了第4次修訂。GB/T 230.1—2018使用重新起草法修改，結(jié)構(gòu)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6508-1：2016《Metallic materials-Rockwell hardness test-Part 1:Test method》基本一致。GB/T 230.1—2018于2018年5月14日發(fā)布，2018年12月1日正式實(shí)施。與舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)》相比，新標(biāo)準(zhǔn)的名稱發(fā)生了變化，新標(biāo)準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)名稱中所規(guī)定的洛氏硬度標(biāo)尺移至“范圍”一章，兩者主要內(nèi)容變化如下。

1.1 范圍

新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了標(biāo)尺為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，K，15N，30N，45N，15T，30T和45T的金屬材料洛氏硬度和表面洛氏硬度的試驗(yàn)方法。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比主要以下幾點(diǎn)變化：

1)明確了標(biāo)準(zhǔn)適用于固定式和便攜式洛氏硬度計(jì)。

2)對(duì)特定的材料或產(chǎn)品，明確其適用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3849.1《硬質(zhì)合金 洛氏硬度試驗(yàn)(A標(biāo)尺)第1部分：試驗(yàn)方法》和GB/T 9097《燒結(jié)金屬材料(不包括硬質(zhì)合金) 表觀硬度和顯微硬度的測(cè)定》。凡不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3)球形壓頭的材質(zhì)由“硬質(zhì)合金”修改為“碳化鎢合金”。

4)縮小了鋼球壓頭的使用范圍，由“如果在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議中有規(guī)定時(shí)，允許使用鋼球壓頭”修改為“僅在滿足附錄A的情況下才可使用”，即鋼球壓頭只在薄產(chǎn)品HR30TSm和HR15TSm試驗(yàn)時(shí)才能使用。

5)刪除了“需要指出的是使用2種類型的球進(jìn)行硬度測(cè)試會(huì)得出不同的結(jié)果”的注釋。

6)將注釋“對(duì)于某些材料，適用范圍可能比所規(guī)定的要窄”移至4.1。

1.2 符號(hào)、縮寫術(shù)語和名稱

規(guī)定了新標(biāo)準(zhǔn)使用的符號(hào)、縮寫術(shù)語、名稱和洛氏硬度的表示方法，主要有下面幾點(diǎn)修改：

1)將這一章的名稱“符號(hào)及說明”修改為“符號(hào)、縮寫術(shù)語和名稱”。

2)修改了洛氏硬度HRA和HRB的適用范圍。將“20～88 HRA，試驗(yàn)允許范圍可延伸至94 HRA”修改為“20～95 HRA”；將“20～100 HRB，如果在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議中有規(guī)定時(shí)，試驗(yàn)允許范圍可延伸至10 HRBW”修改為“10～100 HRBW”。

3)修改了洛氏硬度HRC適用范圍，延伸至10 HRC的規(guī)定。將“如果壓痕具有合適的尺寸，試驗(yàn)允許范圍可延伸至10 HRC”修改為“當(dāng)金剛石表面和頂端球面是經(jīng)過拋光的，且拋光至沿金剛石圓錐軸向距離尖端至少0.4 mm，試驗(yàn)適用范圍可延伸至10 HRC”。

4)刪除了洛氏硬度標(biāo)尺表格中主試驗(yàn)力F1列，增加標(biāo)尺常數(shù)S和全量程常數(shù)N的兩列。總試驗(yàn)力=主試驗(yàn)力+初試驗(yàn)力，因初試驗(yàn)力和總試驗(yàn)力均已知，故主試驗(yàn)力沒必要列出。

5)刪除了使用硬質(zhì)合金球壓頭的標(biāo)尺，硬度符號(hào)后面加W。使用鋼球壓頭的標(biāo)尺，硬度符號(hào)后面加S的說明。但在洛氏硬度的表示方法中增加了注釋。

①GB/T 230以前版本允許使用鋼球壓頭，加后綴S表示。

②HR30TSm和HR15TSm在附錄A進(jìn)行了定義，使用S和m表明使用鋼球壓頭和金剛石試樣支承臺(tái)。

③按新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)尺為A，C，D，N的洛氏硬度試驗(yàn)的壓頭均為金剛石圓錐，標(biāo)尺后不須附加W符號(hào)。其余標(biāo)尺除薄產(chǎn)品HR30TSm和HR15TSm(最大厚度為0.6 mm至產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所示最小厚度、最高硬度值為82 HR30TSm或93 HR15TSm的薄金屬片)外，洛氏硬度試驗(yàn)均為碳化鎢合金球壓頭，標(biāo)尺后都必須附加W符號(hào)。

6)S的名稱由“給定標(biāo)尺的單位”修改為“給定標(biāo)尺的標(biāo)尺常數(shù)”；N的名稱由“給定標(biāo)尺的硬度數(shù)”修改為“給定標(biāo)尺的全量程常數(shù)”。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度計(jì)、壓頭做出了規(guī)定，并符合GB/T 230.2—2012《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》或JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計(jì)(A,B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，K，N，T標(biāo)尺)》的要求。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，主要有4點(diǎn)不同:

1)增加了引用JJG 112—2013的標(biāo)準(zhǔn)。

2)刪除了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)定。

3)增加了金剛石圓錐體壓頭的使用范圍說明，即“僅作為洛氏硬度標(biāo)尺使用，僅作為表面洛氏硬度標(biāo)尺使用，同時(shí)作為洛氏硬度標(biāo)尺和表面洛氏硬度使用”。

4)增加了球形壓頭的2條注釋。

①球形壓頭通常由1個(gè)壓頭球和壓頭體組成,如果接觸試樣的端部為球形的單體壓頭，則必須滿足GB/T 230.2—2012中6.3.1尺寸、形狀、拋光、硬度的要求以及GB/T 230.2—2012中6.3.2的性能要求，這種端部為球形的單體壓頭也可以使用。

②碳化鎢合金球壓頭為標(biāo)準(zhǔn)型洛氏硬度壓頭，鋼球壓頭僅在HR30TSm和HR15TSm時(shí)使用，見附錄A。

1.4 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)程序規(guī)定了試驗(yàn)溫度、試樣放置、試驗(yàn)力加載和保持時(shí)間、相鄰壓痕距離等要求。主要有以下幾點(diǎn)變化:

1)增加了7.2條，要求“使用者應(yīng)在當(dāng)天使用硬度計(jì)前，對(duì)所用標(biāo)尺根據(jù)附錄C進(jìn)行日常檢查。金剛石壓頭應(yīng)按附錄D的要求進(jìn)行檢查”。

2)增加了7.4條，對(duì)壓頭提出了要求,壓頭應(yīng)是上一次間接校準(zhǔn)時(shí)使用的，若不是上一次間接校準(zhǔn)時(shí)使用的，壓頭應(yīng)按照附錄C中對(duì)常用的硬度標(biāo)尺至少使用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行核查(硬度塊按照GB/T 230.2—2012表1中選取高值和低值各1個(gè))。該條款不適用于只更換球的情況。

3)修改了試驗(yàn)力加載和保持時(shí)間。表1為新舊標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對(duì)比，主要有下面幾點(diǎn)修改。

①刪除了電子控制硬度計(jì)的初試驗(yàn)力施加總時(shí)間的要求，增加了初試驗(yàn)力F0加載時(shí)間“不超過2 s”的要求。

③刪除了硬度約為60 HRC及78 HR30N兩種試樣的主試驗(yàn)力F1的加載時(shí)間，增加了對(duì)所有HRN和HRTW表面洛氏硬度主試驗(yàn)力F1加載時(shí)間“不超過4 s”的規(guī)定。

表1 試驗(yàn)力加載和保持時(shí)間新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

4)修改了兩相鄰壓痕中心之間的距離，由原來“壓痕直徑的4倍”修改為“壓痕直徑的3倍”，且刪除了兩相鄰壓痕中心之間的距離“不應(yīng)小于2 mm”的要求，增加了“任一壓痕中心距試樣邊緣的距離至少應(yīng)為壓痕直徑的2.5倍”的規(guī)定。壓痕之間與壓痕中心距試樣邊緣應(yīng)有一定距離，因測(cè)試部位及附近發(fā)生塑性變形，會(huì)產(chǎn)生加工硬化。一般情況下，壓痕周圍硬化區(qū)的寬度均不超過壓痕直徑的一半。新標(biāo)準(zhǔn)修改的原因是等效采用ISO 6508-1:2016，且試驗(yàn)結(jié)果表明，這些修改對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均無影響。

1.5 附錄

新標(biāo)準(zhǔn)給出了7個(gè)附錄，前6個(gè)為規(guī)范性附錄，最后1個(gè)為資料性附錄。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，主要有以下幾點(diǎn)變化:

1)附錄A有3點(diǎn)不同。

①修改了HR30TSm和HR15TSm最高硬度值，由“80 HR30T”修改為“82 HR30TSm”，“90 HR15T”修改為“93 HR15TSm”。

②增加了2條注釋。a)解釋了標(biāo)尺中Sm表示在試驗(yàn)中使用鋼球壓頭和金剛石試樣支座；b)要求在試驗(yàn)之前，需要在已知硬度值的薄樣品上進(jìn)行硬度測(cè)試，以確保試樣支座表面不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

③修改了薄產(chǎn)品HR30TSm和HR15TSm使用的壓頭，明確了試驗(yàn)使用的壓頭直徑為1.587 5 mm的硬化鋼球，且符合GB/T 230.2—2012的要求。

2)新標(biāo)準(zhǔn)的附錄C與舊標(biāo)準(zhǔn)的附錄E相對(duì)應(yīng)，由資料性附錄改為規(guī)范性附錄，同時(shí)修改了附錄C日常檢查程序的內(nèi)容，增加了“偏差”和“重復(fù)性范圍”。使用者應(yīng)在當(dāng)天使用硬度計(jì)前，對(duì)需要使用的每個(gè)標(biāo)尺進(jìn)行檢查，至少選取1塊與被測(cè)試樣硬度值接近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，至少測(cè)試2個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值即為設(shè)備偏差b，2個(gè)測(cè)試值之間的差值即為設(shè)備重復(fù)性r。

3)新標(biāo)準(zhǔn)的附錄D與舊標(biāo)準(zhǔn)的附錄F相對(duì)應(yīng)，由資料性附錄改為規(guī)范性附錄。

4)修改了附錄G硬度測(cè)量值的不確定度評(píng)定方法。

1.6 其他

1)規(guī)范性引用文件增加了JJG 112—2013。

2)試樣方面，刪除了“建議試樣表面粗糙度Ra值不大于1.6 μm”的要求。原則上試樣應(yīng)具有足夠厚度，試驗(yàn)面應(yīng)平坦光滑且與底部平行。

3)試驗(yàn)報(bào)告方面，在舊標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了“試驗(yàn)日期”和“如果轉(zhuǎn)換成其他硬度，轉(zhuǎn)換的依據(jù)和方法應(yīng)注明參見GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》”的2項(xiàng)內(nèi)容；刪除了試驗(yàn)結(jié)果中“洛氏硬度值應(yīng)至少精確至0.5 HR”的要求，因洛氏硬度計(jì)的測(cè)量精度大多能精確到0.1 HR，舊標(biāo)準(zhǔn)這種規(guī)定沒有必要，且現(xiàn)在的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也無這種規(guī)定，所以，新標(biāo)準(zhǔn)將這一修約要求刪除了，試驗(yàn)結(jié)果以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)；與試樣有關(guān)的詳細(xì)資料內(nèi)容中，增加了“包括試樣表面的曲率”。

4)將原第9章中洛氏硬度值換算成其他硬度或抗拉強(qiáng)度值的有關(guān)內(nèi)容，單列為第10章“換算成其他硬度或抗拉強(qiáng)度值”。具體內(nèi)容為“尚無普通適用的方法將洛氏硬度值精確地?fù)Q成其他硬度或抗拉強(qiáng)度，因此應(yīng)避免這種換算，除非通過對(duì)比試驗(yàn)得到可比較的換算方法(參見GB/T 33362—2016)”。

我國(guó)最早出現(xiàn)硬度值的換算是GB/T 1172—1974《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，現(xiàn)行版本是GB/T 1172—1999，是以鋼材的主要合金成分分類的，只列出了碳鋼及部分合金鋼共9個(gè)鋼系的硬度與強(qiáng)度之間的換算值。在有色金屬方面，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GBN 166—1982《鋁合金硬度與強(qiáng)度換算值》和GB/T 3771—1983《銅合金硬度與強(qiáng)度換算值》，也只有鋁合金、銅合金的強(qiáng)度與硬度換算值，沒有國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)全面，無法與其建立聯(lián)系。新制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33362—2016使用翻譯法等同采用ISO 18265：2013《Metallic materials-Conversion of hardness values》,該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上各成員國(guó)之間經(jīng)過多年共同試驗(yàn)得出的結(jié)果，具有權(quán)威性，GB/T 1172—1999仍是現(xiàn)行有效版本，其換算數(shù)據(jù)不夠可靠，缺乏多國(guó)、多實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證和國(guó)際互認(rèn)，統(tǒng)一執(zhí)行GB/T 33362—2016可增加數(shù)據(jù)的可靠性，減小偏差，避免產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)的糾紛。

5)新增了參考文獻(xiàn)。新標(biāo)準(zhǔn)給出了11個(gè)參考文獻(xiàn)。

2 GB/T 231.1—2018

GB/T 231于1962年首次發(fā)布，經(jīng)歷了1984年、2002年、2009年3次修訂。2018年進(jìn)行了第4次修訂。GB/T 231.1—2018使用重新起草法修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6506-1：2014《Metallic materials-Brinell hardness test-Part1:Test method》，在結(jié)構(gòu)上與ISO 6506-1：2014基本一致。GB/T 231.1—2018于2018年5月14日發(fā)布，2019年2月1日正式實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)與舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》相比，主要內(nèi)容變化、分析和解讀如下。

2.1 范圍

新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了金屬材料布氏硬度試驗(yàn)的原理、符號(hào)及說明、試驗(yàn)設(shè)備、試樣、試驗(yàn)程序、結(jié)果的不確定度和試驗(yàn)報(bào)告。刪除了“本部分規(guī)定的布氏硬度試驗(yàn)范圍上限為650 HBW”的規(guī)定,增加了“本部分適用于固定式布氏硬度計(jì)和便攜式布氏硬度計(jì)”。對(duì)于特殊材料或產(chǎn)品的布氏硬度試驗(yàn)，明確了參考標(biāo)準(zhǔn)為“GB/T 9097和本部分”。

2.2 規(guī)范性引用文件

新標(biāo)準(zhǔn)中列出了5個(gè)規(guī)范性引用文件的編號(hào)和名稱。相比舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原4個(gè)文件引用保留了3個(gè)，刪除了JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，但是將JJF 1059.1—2012作為參考文獻(xiàn)。增加了2個(gè)引用文件，即GB/T 9097和JJG 150《金屬布氏硬度計(jì)》。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本標(biāo)準(zhǔn)。使用者可根據(jù)這些規(guī)范性引用文件查閱原文以加深對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的了解。

2.3 試驗(yàn)程序

本次修訂，對(duì)試驗(yàn)程序方面的規(guī)定主要有以下幾點(diǎn)變化：

1)增加了“試驗(yàn)前應(yīng)按照附錄B核查硬度計(jì)的狀態(tài)”的要求，同時(shí)將原“資料性附錄”修改為“規(guī)范性附錄”。實(shí)驗(yàn)室可按如下方案參考實(shí)施,使用者應(yīng)在當(dāng)天使用硬度計(jì)前，對(duì)所使用的硬度標(biāo)尺和范圍進(jìn)行日常檢查，選用按照GB/T 231.3—2012《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定》標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊至少打一個(gè)壓痕，如果示值誤差在GB/T 231.2—2012《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的范圍內(nèi)，則硬度計(jì)為滿意，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)硬度塊檢查的信息反映在原始記錄中。

2)試驗(yàn)力的選擇應(yīng)保證壓痕直徑在(0.24～0.6)D之間，如果壓痕直徑超出了這個(gè)區(qū)間，舊標(biāo)準(zhǔn)沒作要求，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中注明壓痕直徑與壓頭直徑的比值d/D”。

4)明確了壓痕直徑的光學(xué)測(cè)量既可采用手動(dòng)也可采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，且增加了手動(dòng)測(cè)量方法，具體內(nèi)容為“對(duì)于手動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量每個(gè)壓痕相互垂直方向的2個(gè)直徑，用2個(gè)讀數(shù)的平均值計(jì)算布氏硬度。對(duì)于表面研磨的試樣，建議在與磨痕方向夾角大約45°方向測(cè)量壓痕直徑”。

5)增加了硬度結(jié)果的修約要求，即“將試驗(yàn)結(jié)果修約到3位有效數(shù)字”。

2.4 其他

1)修改了球形壓頭的材質(zhì)。由“硬質(zhì)合金”修改為“碳化鎢合金”，與洛氏硬度試驗(yàn)方法相同。

2)試驗(yàn)設(shè)備增加了引用JJG 150。

3)試樣方面的修改，刪除了“建議表面粗糙度參數(shù)Ra值不大于1.6 μm”的要求；增加了注釋“對(duì)于使用較小壓頭，有可能需要拋光或磨平試樣表面”。

4)結(jié)果的不確定度方面，明確了硬度試驗(yàn)與來源類型無關(guān)；增加了8.3條，具體內(nèi)容為“所有識(shí)別出分量對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)不一定總能量化。在這種情況下，對(duì)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算可以通過對(duì)試樣重復(fù)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析獲得。對(duì)A類和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成時(shí)，應(yīng)注意各分量的貢獻(xiàn)不重復(fù)計(jì)算”。

5)增加了3項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，即“如果壓痕直徑與壓頭直徑的比值不在0.24～0.60之間，應(yīng)注明其比值”，“試驗(yàn)日期”和“當(dāng)轉(zhuǎn)換成另一硬度標(biāo)尺的硬度值時(shí)，轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)注明”。

6)新增了參考文獻(xiàn)。新標(biāo)準(zhǔn)給出7個(gè)參考文獻(xiàn)。

3 結(jié)束語

GB/T 230.1—2018和GB/T 231.1—2018是規(guī)定金屬材料硬度試驗(yàn)方法的兩項(xiàng)非常重要的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地貫徹和執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)，筆者將新版標(biāo)準(zhǔn)中變化較大的內(nèi)容整理出來，并與舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、比較、說明和必要的解釋，以便使用者對(duì)其不同之處有清晰的認(rèn)識(shí)，從而更好地理解、宣傳和貫徹新標(biāo)準(zhǔn)。