Table 1.常用的維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，硬度試驗(yàn)是研究材料力學(xué)性能、選定加工工藝和保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。硬度測(cè)試常見(jiàn)的方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、努氏硬度、肖氏硬度和里氏硬度測(cè)試。維氏硬度試驗(yàn)不僅能衡量材料的軟硬程度，還能靈敏地反映金屬材料在化學(xué)成分、顯微組織、熱加工工藝及冷加工變形等方面的差異，故在材料評(píng)價(jià)、制造過(guò)程質(zhì)量控制和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系主要由試驗(yàn)方法、硬度計(jì)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)硬度塊標(biāo)定3個(gè)部分標(biāo)準(zhǔn)組成，常用的維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
由表1可知：除ASTM標(biāo)準(zhǔn)外，其他國(guó)家如日本、歐洲及我國(guó)等均為采標(biāo)ISO標(biāo)準(zhǔn)，但歐洲的EN和日本的JIS均已采標(biāo)最新現(xiàn)行的ISO標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)只有試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)了最新的ISO標(biāo)準(zhǔn)，硬度計(jì)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊標(biāo)定尚未更新，且由于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的歷史原因，國(guó)內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室還依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG 151—2006和JJG 148—2006檢定規(guī)程檢定/校準(zhǔn)硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，其使用頻率大于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2024和GB/T 4340.3—2012。
CNAS-CL01-A011:2018 《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則在金屬材料檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用說(shuō)明》中7.2.1.1節(jié)指出：“使用不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)之間的差異部分，包括試樣尺寸和精度、對(duì)設(shè)備的要求、試驗(yàn)過(guò)程的要求、計(jì)算結(jié)果的修約等”。為此，筆者重點(diǎn)選取了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23、ISO 6507.1:2023和GB/T 4340.1—2024，并以力學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的HV1和HV10為例，分別從硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊要求、試樣要求、日常（周期性）檢查/期間核查、壓痕測(cè)量等方面進(jìn)行差異對(duì)比分析。
1. 國(guó)內(nèi)外常用維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差異
1.1 硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊要求
維氏硬度試驗(yàn)對(duì)硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的要求主要由其引用的硬度計(jì)檢驗(yàn)/校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)中給出。鑒于ISO、GB和ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系中對(duì)于壓痕測(cè)量允許誤差、示值誤差及對(duì)角線測(cè)量值重復(fù)性的定義不一致，有的采用硬度HV進(jìn)行計(jì)算，有的采用壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d進(jìn)行計(jì)算，為了便于三者之間的進(jìn)行比較，筆者在比較不同標(biāo)準(zhǔn)差異時(shí)，將其統(tǒng)一按硬度表示（見(jiàn)表2和表3）。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2012原文給出的重復(fù)性數(shù)據(jù)按壓痕尺寸表示，此處換算成按硬度表示。示值誤差系按ISO 6507-2:2018中表5的公式計(jì)算得出。標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23附錄A1，A2，A3原文給出的示值誤差和重復(fù)性數(shù)據(jù)按壓痕尺寸表示，此處換算成按硬度表示。
Table 2.維氏硬度計(jì)要求差異
Table 3.標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的差異
由表2可知：標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023對(duì)硬度計(jì)的要求基本一致，兩者與標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23的要求則有差異。對(duì)于壓痕測(cè)量允許誤差要求，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2012或標(biāo)準(zhǔn)JJG 151—2006；而對(duì)于示值誤差和重復(fù)性要求，在不同的標(biāo)尺或硬度值范圍，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2012或標(biāo)準(zhǔn)JJG 151—2006的要求不一致，互有高低。
由表3可知：在維氏標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的校準(zhǔn)周期方面，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.3—2012和ISO 6507-3:2018規(guī)定的校準(zhǔn)周期為5 a，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)JJG 148—2006規(guī)定的校準(zhǔn)周期為1 a，而標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23沒(méi)有約束規(guī)定；在標(biāo)準(zhǔn)塊的壓痕尺寸要求方面，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024附錄D中對(duì)硬度計(jì)、對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)和壓頭的期間核查進(jìn)行規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇在合適的標(biāo)尺下按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.3—2012校準(zhǔn)且與所使用硬度水平相近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，目前最新有效的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.3—2012中8.3.e）規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)硬度塊證書應(yīng)附有“有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)壓痕的位置及所測(cè)定的對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值等信息”；標(biāo)準(zhǔn)ISO 6507-3:2018中10.e）和標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23附錄A4“標(biāo)準(zhǔn)維氏和努氏硬度塊的標(biāo)定”中A 4.8.1.1也規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)硬度塊證書應(yīng)附有“每個(gè)壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值和位置”，。而標(biāo)準(zhǔn)JJG 148—2006的檢定證書中僅提供標(biāo)準(zhǔn)值和均勻度，并沒(méi)有“標(biāo)準(zhǔn)壓痕”的規(guī)定，這樣的維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)塊就不具備進(jìn)行壓痕測(cè)量裝置的間接檢驗(yàn)功能，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024的實(shí)施要求。
從標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的檢定/校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提供的證書方面來(lái)看，附有每個(gè)壓痕的對(duì)角線尺寸和位置，對(duì)日常檢查更方便。在標(biāo)準(zhǔn)塊硬度均勻度方面，不同標(biāo)準(zhǔn)的要求也各有差異。對(duì)于以硬度百分比表示的約400 HV1標(biāo)準(zhǔn)塊，我國(guó)和ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其均勻度的要求均為4%，低于標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23的要求（3%）?；谝陨蠈?duì)硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊差異的對(duì)比分析得出，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求普遍比ISO標(biāo)準(zhǔn)要高。
1.2 試樣要求
試樣表面制備要求的差異如表4所示。由表4可知：標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23的規(guī)定更具體明確。
Table 4.試樣表面制備要求的差異
1.3 日常（周期性）檢查/期間核查
日常（周期性）檢查/期間核查的主要差異如表5所示。由表5可知：在對(duì)壓痕對(duì)角線測(cè)量系統(tǒng)的日常檢查方面，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023有明確要求且具可操作性，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23無(wú)相關(guān)內(nèi)容；在核查記錄方面，日常檢查所測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)保存一段時(shí)間，以便監(jiān)測(cè)硬度計(jì)的再現(xiàn)性和測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024未考慮硬度計(jì)的日常性能（再現(xiàn)性）及差異較大情況下測(cè)量不確定度貢獻(xiàn)的計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)ISO 6507-1:2023附錄D提出了可以適當(dāng)?shù)匕渌淮_定度貢獻(xiàn)中有硬度計(jì)日常檢查時(shí)的再現(xiàn)性變化，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23中A1.6.1節(jié)指出，建議保留日常檢查結(jié)果的記錄應(yīng)包括檢查日期、測(cè)量結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定值、標(biāo)塊識(shí)別信息及核查人員姓名等，并規(guī)定了根據(jù)日常檢查所測(cè)數(shù)據(jù)，可采用控制圖方法或定量計(jì)算硬度計(jì)的再現(xiàn)性等多種方式監(jiān)測(cè)硬度計(jì)的再現(xiàn)性，其附錄X1中給出的硬度測(cè)量不確定度計(jì)算公式[5]?？梢?jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23更具可操作性。
Table 5.日常（周期性）檢查/期間核查的主要差異
1.4 壓痕測(cè)量
壓痕測(cè)量的差異如表6所示。由表6可知：從壓痕放大倍數(shù)來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23提出了應(yīng)使用可以對(duì)完整壓痕成像的最大放大倍數(shù)，并給出了常用物鏡的放大倍數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23推薦的顯微鏡總放大倍數(shù)的選擇如表7所示，顯微鏡總放大倍數(shù)為物鏡放大倍數(shù)乘以目鏡放大倍數(shù)，表中列出了推薦的顯微鏡總放大倍數(shù)為10倍目鏡放大倍數(shù)。因此標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23比標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023更具可操作性。此外，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23規(guī)定放大倍數(shù)宜盡可能的放大，直到壓痕長(zhǎng)度不宜超過(guò)視場(chǎng)寬度的75%（以確保落在物鏡平場(chǎng)內(nèi)），而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023的規(guī)定是放大到視場(chǎng)的25%到75%之間即可，由于壓痕圖像被盡量放大，可使壓痕對(duì)角線的測(cè)量準(zhǔn)確度更高。
Table 6.壓痕測(cè)量的差異
Table 7.ASTM E92-23推薦的顯微鏡總放大倍數(shù)的選擇
2. 結(jié)語(yǔ)
（1） 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023對(duì)硬度計(jì)的要求基本一致，兩者與標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23的要求有差異。對(duì)于壓痕測(cè)量允許誤差要求，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23要略高；而對(duì)于示值誤差和重復(fù)性要求，在不同的標(biāo)尺或硬度值范圍，三者要求不一致，互有高低。
（2）在試樣要求、壓頭檢查、壓痕放大倍數(shù)選擇、期間核查記錄處理等方面，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定更具體且便于操作，這一點(diǎn)對(duì)僅使用GB和ISO標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室也可借鑒。
（3）標(biāo)準(zhǔn)GB 4340.1—2024和ISO 6507-1:2023關(guān)于使用標(biāo)準(zhǔn)塊上壓痕檢查對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)定，在驗(yàn)證壓痕測(cè)量系統(tǒng)有效性的同時(shí)，還可修正檢測(cè)人員對(duì)壓痕尖端“卡線”習(xí)慣帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92-23。
（4）標(biāo)準(zhǔn)JG 148—2006證書內(nèi)容缺少壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度尺寸，無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2024中檢查對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的要求，同時(shí)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)塊有效期缺乏依據(jù)、也與ISO標(biāo)準(zhǔn)沖突。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2012和GB/T 4340.3—2012內(nèi)容也有所滯后，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。目前，由全國(guó)試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口管理的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.2—2012和GB/T 4340.3—2012已列入修訂計(jì)劃（計(jì)劃號(hào)：20230594-T-604、20230595-T-604），且已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)階段，不日將發(fā)布。為此，建議盡快修訂標(biāo)準(zhǔn)JJG 148—2006或廣泛推廣使用最新的GB/T 4340.3，以滿足維氏硬度試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用需求。
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