布氏硬度國標GB/T231 與美標ASTM E10技術對比及在實踐中的應用

楊娟

(中航工業西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西西安710089)

0 引言

隨著全球經濟一體化，國際合作日益加強，來自歐美等國家的飛機轉包項目(如波音及英宇航等公司飛機零部件的轉包生產項目)越來越多。硬度計量作為飛機質量保障的一個重要環節，外協供應商要求必須按照美國標準ASTM E10 規定的程序來檢驗每一個工件，用來檢測工件的布氏硬度計也要求符合ASTM E10 的要求。本文就ASTM E10 標準與我國國家標準GB/T231 的技術指標進行了比對，并在實踐中按照美國標準對所用的硬度計進行了校準分析，將其應用于生產檢驗過程之中，從而有效地滿足了要求。

1 ASTM E10 標準和我國國標GB/T231 技術指標對比分析

1.1 比較標準的版次

美國標準當前最新版本為ASTM E10 －12 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials;中國國標當前有效版本為GB/T231.2 －2009 《金屬布氏硬度試驗 第2 部分:硬度計的檢驗與校準》

1.2 標準的層次、結構、體例差異

兩國標準層次、結構、體例差異非常大，這與兩國標準的淵源有關。中國標準GB/T231 是依據國際標準ISO6506，經MOD 即修改的方法采用而來，標準文本的層次、結構、體例均與ISO 標準幾乎一致;而ASTM 標準一貫自成體系，遵照了其獨特的格式和內容。拋開這些外在的、表象的差異，重點分析兩國標準技術指標的差別。

1.3 標準技術內容上的差異分析

1.3.1 直接檢驗

直接檢驗的內容包括:試驗力的校準、壓頭的檢驗、壓痕測量裝置的校準和試驗循環時間的檢驗。對各項目主要內容逐項進行對比分析，結果見表1。

值得注意，較大差異主要體現在壓痕測量裝置的分辨力和精度要求上。

第一，壓痕測量裝置分辨力均要求到小數點后第四位。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量裝置最小分辨力。

第二，ASTM E10 標準的準確度要求給出了具體的數值，如表1 第4 項中的4 種情況。國標要求的是相對值，而不是具體的數值。在這一點上，美標與國標有很大區別。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，對比結果見表2。表2 中的數據顯然比國標的要求低很多。

1.3.2 間接檢驗

間接檢驗項目中，允許示值誤差有一定差異，而允許示值重復性相同，見表3。

1.3.3 硬度測試方法

硬度測試方法、流程基本相似，最大差異出現在壓痕的測量方面。美標增加了下述要求:

在兩個互相垂直的方向上測量每個壓痕的直徑，對于在平面上進行的試驗，同一壓痕最大和最小測量直徑之差不應超過0.1 mm，產品規范中另有約定的除外。

對于在曲面上進行的測試，被測樣品最小曲面半徑至少應該大于壓頭球直徑的2.5 倍;測量時應該測量橢圓壓痕的長軸和短軸，以其平均值來計算布氏硬度。

表1 布氏硬度計直接檢驗項目技術指標對比

表2 壓痕測量裝置允許誤差計算舉例 mm

表3 允許示值誤差和允許示值重復性對比

在此項條款中ASTM 標準明確、具體地提出了要求:必須測出d1，d2兩個直徑，其差值d1－ d2≤±0.1mm;同時給出了曲面測量規范。但對于該項，國標并未提及，目前，國內在學術界和實際生產中尚存在爭議和混淆，無明確定論。

2 ASTM E10 標準在實際生產中的應用實踐

2.1 測量裝置

通過以上比對分析發現，兩種標準的主要差異集中在壓痕測量上。尤其對鋁合金材料的布氏硬度檢驗，大都是采用5/750 HBW 標尺，壓痕直徑較小，被測壓痕有效范圍為1.2 ～3 mm。使用傳統的20X 或40X 光學顯微鏡顯然不符合要求。

為此我們按照ASTM E10 標準對壓痕測量裝置提出如下要求:壓痕直徑測量分辨力達到小數點后第4位;測量準確度最大允許誤差小于0.0050 mm;能分別測量相互垂直的2 個方向的直徑，并計算出2 個直徑相對差。按照這些要求，選擇了北京哈德技術公司的QualiscopeII 型布氏壓痕測量系統，并由中航工業北京長城計量測試技術研究所對測量裝置準確度按照美標進行了檢驗。測量裝置的檢測結果如表4 所示。

表4 測量裝置的檢測結果 mm

測量誤差滿足小于0.0050 mm 的要求;并且該測量系統能夠同時測量水平、垂直兩個方向的壓痕直徑，并能夠根據測得的2 個直徑差值，比較計算出圓度。

2.2 檢測結果

按照ASTM E10 第7 章步驟，對標準塊和實際工件進行測試，結果全部滿足ASTM 要求。

被測工件名稱:飛機某零件

材料:30CrMnSiNi2A

要求硬度值:在470 ～520HBW5/750 之間

測量結果:X 軸讀數為1.365 mm，Y 軸讀數為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 直接檢驗的不確定度評估方法，分析布氏測量結果的不確定度主要由試驗力不確定度uff 和壓痕測量系統不確定度uii。

經檢驗，本次測試所用硬度計試驗力誤差Ef(kgf)=－3kgf，測量系統誤差Ei(mm)=0.0001mm，測量系統不確定度ui(mm)=0.0001mm。在硬度值504 HBW5/750 水平時，不確定度計算如下:

因此，測試結果為 504 HBW5/750、誤差為1.96HBW5/750 時的不確定度是1.35HBW5/750。

3 結論

經過對布氏硬度國標GB/T231 與美標ASTM E10的技術對比及在實踐中的應用，得出如下結論:①我國標準GB/T231 在結構、體例上較美國ASTM E10 標準有很大差異。②我國標準GB/T231 與美國標準ASTM E10 的檢驗項目內容基本相同，檢驗方法也類似，但直接檢驗和間接檢驗在項目的技術指標要求上有一定程度的差異，在結構、體例上有很大差異。③壓痕測量裝置的分辨力和準確度要求、壓痕讀取方法差異較大。ASTM 標準要求更嚴格、量化、具體;我國標準是等效采用ISO 標準，實際是國際平均水平，與美國等發達國家標準要求存在差距。實際檢定工作中應予以重視。④生產實踐表明，選用合適的壓痕測量裝置，按ASTM 標準規定步驟進行操作，可以有效地進行布氏硬度ASTM 標準測量。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T231.2 －2009 金屬布氏硬度試驗 第2 部分:硬度計的檢驗與校準［S］. 北京:中國標準出版社，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］中航工業北京長城計量測試技術研究所. 布氏硬度計檢定證書［Z］. 北京:中航工業北京長城計量測試技術研究所.

［4］北京哈德技術發展有限公司. 布氏硬度壓痕測量系統使用說明書［Z］. 北京:北京哈德技術發展有限公司.