新版金屬材料常用硬度試驗方法標準的解讀

劉波，戴月紅

(鎮江高等專科學校，江蘇 鎮江 212003)

硬度試驗設備簡單，操作迅速、簡便，又可直接在零件或工具上進行試驗而不破壞工件，且可根據測得的硬度值估計出材料的近似抗拉強度和耐磨性。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系，可作為選擇加工工藝時的參考。所以，硬度試驗在生產中廣泛應用，是產品質量檢查和制定合理加工工藝最常用的方法。

常用的硬度試驗方法有洛氏硬度和布氏硬度。這2種試驗方法都有相應的國家標準，現行的國家標準均是2009年修訂的，而其所采用的國際標準現行版本分別為2016版和2014版。因此，2018年由中國鋼鐵工業協會提出對洛氏硬度和布氏硬度試驗方法標準進行修訂。新修訂的2個標準分別為GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》和GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》。針對這2項新版標準，對其變化較大的內容進行介紹，并與舊標準進行分析、比較和解讀，供使用者貫徹新標準時參考。

1 GB/T 230.1—2018

GB/T 230于1983年首次發布，經歷了1991年、2004年、2009年3次修訂，2018年進行了第4次修訂。GB/T 230.1—2018使用重新起草法修改，結構與國際標準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日發布，2018年12月1日正式實施。與舊標準GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》相比，新標準的名稱發生了變化，新標準將標準名稱中所規定的洛氏硬度標尺移至“范圍”一章，兩者主要內容變化如下。

1.1 范圍

新標準規定了標尺為A，B，C，D，E，F，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方法。與舊標準相比主要以下幾點變化：

1)明確了標準適用于固定式和便攜式洛氏硬度計。

2)對特定的材料或產品，明確其適用標準為GB/T 3849.1《硬質合金 洛氏硬度試驗(A標尺)第1部分：試驗方法》和GB/T 9097《燒結金屬材料(不包括硬質合金) 表觀硬度和顯微硬度的測定》。凡不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本標準。

3)球形壓頭的材質由“硬質合金”修改為“碳化鎢合金”。

4)縮小了鋼球壓頭的使用范圍，由“如果在產品標準或協議中有規定時，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品HR30TSm和HR15TSm試驗時才能使用。

5)刪除了“需要指出的是使用2種類型的球進行硬度測試會得出不同的結果”的注釋。

6)將注釋“對于某些材料，適用范圍可能比所規定的要窄”移至4.1。

1.2 符號、縮寫術語和名稱

規定了新標準使用的符號、縮寫術語、名稱和洛氏硬度的表示方法，主要有下面幾點修改：

1)將這一章的名稱“符號及說明”修改為“符號、縮寫術語和名稱”。

2)修改了洛氏硬度HRA和HRB的適用范圍。將“20～88 HRA，試驗允許范圍可延伸至94 HRA”修改為“20～95 HRA”；將“20～100 HRB，如果在產品標準或協議中有規定時，試驗允許范圍可延伸至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的規定。將“如果壓痕具有合適的尺寸，試驗允許范圍可延伸至10 HRC”修改為“當金剛石表面和頂端球面是經過拋光的，且拋光至沿金剛石圓錐軸向距離尖端至少0.4 mm，試驗適用范圍可延伸至10 HRC”。

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

5)刪除了使用硬質合金球壓頭的標尺，硬度符號后面加W。使用鋼球壓頭的標尺，硬度符號后面加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。

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

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

1.3 試驗設備

新標準對硬度計、壓頭做出了規定，并符合GB/T 230.2—2012《金屬材料 洛氏硬度試驗：硬度計的檢驗與校準》或JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計(A,B，C，D，E，F，G，H，K，N，T標尺)》的要求。與舊標準相比，主要有4點不同:

1)增加了引用JJG 112—2013的標準。

2)刪除了對測量系統的規定。

3)增加了金剛石圓錐體壓頭的使用范圍說明，即“僅作為洛氏硬度標尺使用，僅作為表面洛氏硬度標尺使用，同時作為洛氏硬度標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準型洛氏硬度壓頭，鋼球壓頭僅在HR30TSm和HR15TSm時使用，見附錄A。

1.4 試驗程序

試驗程序規定了試驗溫度、試樣放置、試驗力加載和保持時間、相鄰壓痕距離等要求。主要有以下幾點變化:

1)增加了7.2條，要求“使用者應在當天使用硬度計前，對所用標尺根據附錄C進行日常檢查。金剛石壓頭應按附錄D的要求進行檢查”。

2)增加了7.4條，對壓頭提出了要求,壓頭應是上一次間接校準時使用的，若不是上一次間接校準時使用的，壓頭應按照附錄C中對常用的硬度標尺至少使用2個標準硬度塊進行核查(硬度塊按照GB/T 230.2—2012表1中選取高值和低值各1個)。該條款不適用于只更換球的情況。

3)修改了試驗力加載和保持時間。表1為新舊標準內容對比，主要有下面幾點修改。

①刪除了電子控制硬度計的初試驗力施加總時間的要求，增加了初試驗力F0加載時間“不超過2 s”的要求。

③刪除了硬度約為60 HRC及78 HR30N兩種試樣的主試驗力F1的加載時間，增加了對所有HRN和HRTW表面洛氏硬度主試驗力F1加載時間“不超過4 s”的規定。

表1 試驗力加載和保持時間新舊標準對比

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為壓痕直徑的2.5倍”的規定。壓痕之間與壓痕中心距試樣邊緣應有一定距離，因測試部位及附近發生塑性變形，會產生加工硬化。一般情況下，壓痕周圍硬化區的寬度均不超過壓痕直徑的一半。新標準修改的原因是等效采用ISO 6508-1:2016，且試驗結果表明，這些修改對試驗結果均無影響。

1.5 附錄

新標準給出了7個附錄，前6個為規范性附錄，最后1個為資料性附錄。與舊標準相比，主要有以下幾點變化:

1)附錄A有3點不同。

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)解釋了標尺中Sm表示在試驗中使用鋼球壓頭和金剛石試樣支座；b)要求在試驗之前，需要在已知硬度值的薄樣品上進行硬度測試，以確保試樣支座表面不會影響測量結果。

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

2)新標準的附錄C與舊標準的附錄E相對應，由資料性附錄改為規范性附錄，同時修改了附錄C日常檢查程序的內容，增加了“偏差”和“重復性范圍”。使用者應在當天使用硬度計前，對需要使用的每個標尺進行檢查，至少選取1塊與被測試樣硬度值接近的標準硬度塊，至少測試2個點，計算其平均值與標準值之間的差值即為設備偏差b，2個測試值之間的差值即為設備重復性r。

3)新標準的附錄D與舊標準的附錄F相對應，由資料性附錄改為規范性附錄。

4)修改了附錄G硬度測量值的不確定度評定方法。

1.6 其他

1)規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。原則上試樣應具有足夠厚度，試驗面應平坦光滑且與底部平行。

3)試驗報告方面，在舊標準的基礎上，增加了“試驗日期”和“如果轉換成其他硬度，轉換的依據和方法應注明參見GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》”的2項內容；刪除了試驗結果中“洛氏硬度值應至少精確至0.5 HR”的要求，因洛氏硬度計的測量精度大多能精確到0.1 HR，舊標準這種規定沒有必要，且現在的國際標準也無這種規定，所以，新標準將這一修約要求刪除了，試驗結果以實測值為準；與試樣有關的詳細資料內容中，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度值的有關內容，單列為第10章“換算成其他硬度或抗拉強度值”。具體內容為“尚無普通適用的方法將洛氏硬度值精確地換成其他硬度或抗拉強度，因此應避免這種換算，除非通過對比試驗得到可比較的換算方法(參見GB/T 33362—2016)”。

我國最早出現硬度值的換算是GB/T 1172—1974《黑色金屬硬度及強度換算值》，現行版本是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個鋼系的硬度與強度之間的換算值。在有色金屬方面，現行的國家標準是GBN 166—1982《鋁合金硬度與強度換算值》和GB/T 3771—1983《銅合金硬度與強度換算值》，也只有鋁合金、銅合金的強度與硬度換算值，沒有國外標準全面，無法與其建立聯系。新制定的國家標準GB/T 33362—2016使用翻譯法等同采用ISO 18265：2013《Metallic materials-Conversion of hardness values》,該標準是國際上各成員國之間經過多年共同試驗得出的結果，具有權威性，GB/T 1172—1999仍是現行有效版本，其換算數據不夠可靠，缺乏多國、多實驗室的驗證和國際互認，統一執行GB/T 33362—2016可增加數據的可靠性，減小偏差，避免產品驗收時的糾紛。

5)新增了參考文獻。新標準給出了11個參考文獻。

2 GB/T 231.1—2018

GB/T 231于1962年首次發布，經歷了1984年、2002年、2009年3次修訂。2018年進行了第4次修訂。GB/T 231.1—2018使用重新起草法修改采用國際標準ISO 6506-1：2014《Metallic materials-Brinell hardness test-Part1:Test method》，在結構上與ISO 6506-1：2014基本一致。GB/T 231.1—2018于2018年5月14日發布，2019年2月1日正式實施。新標準與舊標準GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》相比，主要內容變化、分析和解讀如下。

2.1 范圍

新標準規定了金屬材料布氏硬度試驗的原理、符號及說明、試驗設備、試樣、試驗程序、結果的不確定度和試驗報告。刪除了“本部分規定的布氏硬度試驗范圍上限為650 HBW”的規定,增加了“本部分適用于固定式布氏硬度計和便攜式布氏硬度計”。對于特殊材料或產品的布氏硬度試驗，明確了參考標準為“GB/T 9097和本部分”。

2.2 規范性引用文件

新標準中列出了5個規范性引用文件的編號和名稱。相比舊標準，新標準對原4個文件引用保留了3個，刪除了JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，但是將JJF 1059.1—2012作為參考文獻。增加了2個引用文件，即GB/T 9097和JJG 150《金屬布氏硬度計》。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本標準。使用者可根據這些規范性引用文件查閱原文以加深對新標準的了解。

2.3 試驗程序

本次修訂，對試驗程序方面的規定主要有以下幾點變化：

1)增加了“試驗前應按照附錄B核查硬度計的狀態”的要求，同時將原“資料性附錄”修改為“規范性附錄”。實驗室可按如下方案參考實施,使用者應在當天使用硬度計前，對所使用的硬度標尺和范圍進行日常檢查，選用按照GB/T 231.3—2012《金屬材料 布氏硬度試驗 第3部分：標準硬度塊的標定》標定的標準硬度塊至少打一個壓痕，如果示值誤差在GB/T 231.2—2012《金屬材料 布氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與標準》規定的范圍內，則硬度計為滿意，同時將標準硬度塊檢查的信息反映在原始記錄中。

2)試驗力的選擇應保證壓痕直徑在(0.24～0.6)D之間，如果壓痕直徑超出了這個區間，舊標準沒作要求，新標準規定“應在試驗報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測量既可采用手動也可采用自動測量系統，且增加了手動測量方法，具體內容為“對于手動測量系統，測量每個壓痕相互垂直方向的2個直徑，用2個讀數的平均值計算布氏硬度。對于表面研磨的試樣，建議在與磨痕方向夾角大約45°方向測量壓痕直徑”。

5)增加了硬度結果的修約要求，即“將試驗結果修約到3位有效數字”。

2.4 其他

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

2)試驗設備增加了引用JJG 150。

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

4)結果的不確定度方面，明確了硬度試驗與來源類型無關；增加了8.3條，具體內容為“所有識別出分量對不確定度的貢獻不一定總能量化。在這種情況下，對A類標準不確定度的估算可以通過對試樣重復試驗的統計分析獲得。對A類和B類標準不確定度合成時，應注意各分量的貢獻不重復計算”。

5)增加了3項試驗報告內容，即“如果壓痕直徑與壓頭直徑的比值不在0.24～0.60之間，應注明其比值”，“試驗日期”和“當轉換成另一硬度標尺的硬度值時，轉換標準應注明”。

6)新增了參考文獻。新標準給出7個參考文獻。

3 結束語

GB/T 230.1—2018和GB/T 231.1—2018是規定金屬材料硬度試驗方法的兩項非常重要的國家標準。為了更好地貫徹和執行新標準，筆者將新版標準中變化較大的內容整理出來，并與舊標準進行分析、比較、說明和必要的解釋，以便使用者對其不同之處有清晰的認識，從而更好地理解、宣傳和貫徹新標準。