对洛氏硬度试验标准GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012可行性和有效性的探讨

李和平

(上海宝钢工业技术服务有限公司 检化验中心， 上海 200941)

对洛氏硬度试验标准GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012可行性和有效性的探讨

李和平

(上海宝钢工业技术服务有限公司 检化验中心， 上海 200941)

论述了关于洛氏硬度试验标准GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012的规定在可行性和有效性方面存在的问题，指出了直接检验方法不能帮助工业试验室有效保证测试硬度的准确性，而用GB/T 230.2-2012给出的最大允许误差作为控制限，不能满足要求较高测试精度试验室的需要。采用无时效的大批量具有相同标称值的标准硬度块进行长期的期间核查，可以对硬度计进行全生命周期稳定性的监测；结合专业计量部门每年的间接校验，全生命周期监测方法可以保证硬度计的稳定性，同时也保证了硬度计的溯源性和准确性。利用无时效标准硬度块监测硬度计全生命周期的数据，采用统计过程控制图或者趋势图的方法比GB/T 230.2-2012规定的最大允许误差方法能够更灵敏地反映硬度计测试结果的偏差，更好地保证硬度计的精度。

洛氏硬度；直接检验；间接校验；期间核查；统计过程控制;无时效标准硬度块

为了使不同的试验室能得到一致的试验结果，需要制定各个试验室都能够共同执行的试验方法标准，以便各个试验室共同遵循。推行标准的目的是为了让各个试验室执行同一个试验方法标准，从而得到一致的试验结果。要想达到这样的目的，需要不同的试验人员对于同一个标准有一致的理解而不产生歧义，标准具有良好的可操作性；同时标准还需要具有在严格按照标准操作的条件下保证试验结果准确所必需的有效性。

查看近几年关于GB/T 228.1-2010(ISO 6892-1:2009)的相关争论文章[1-12]和相关资料并对比ISO 6892-1:2016，发现专业人员对GB/T 228.1-2010(ISO 6892-1:2009)的理解存在很多不一致的地方。这个实例说明在制修订标准时务必要对标准的可行性和有效性进行充分的验证和论证。为此，笔者对洛氏硬度试验标准GB/T 230.1-2009[13]和GB/T 230.2-2012[14]的可行性和有效性进行了探讨和分析，提出了自己的一些观点和看法，以供商榷。

1 要求在工业试验室进行直接检验是否具有可行性和有效性

GB/T 230.1-2009中第5款要求试验设备符合GB/T 230.2的要求。GB/T 230.2-2012中第4.1.3款规定直接检验包括：①试验力的校准；②压头的检测；③压头深度测量装置的校准；④试验循环时间的检测。同时GB/T 230.2-2012中表6还规定，这4项直接检验应在“安装后首次工作之前”进行，也就是要求工业试验室要在现场进行直接检验或者请其他机构来进行直接检验。笔者认为，这样的规定对于工业试验室缺乏可行性，对于保证测试结果的准确性也缺乏有效性。

文献[15]对洛氏硬度金刚石压头形状和尺寸测量技术的发展历史进行了回顾。其中:对于金刚石压头尺寸的测量，最早采用的是光学投影方法；然后英国国家物理实验室(NPL)开发出了结合光学干涉仪和线性可变差动变压器(LVDT)的传感器测量技术；随后意大利国家计量研究院(IMGC)进一步改进旋转载物台和接触金刚石压头的位移传感器，以减小测量不确定度；再之后美国国家标准与技术研究院(NIST)采用既可转动又可在x-y平面移动的载物台，采用采样间隔和步距非常小的触针表面测量仪(轮廓采样间隔0.25 μm，轮廓步距0.01 μm)并借助一系列标准物质，使测量洛氏硬度金刚石压头曲率半径的不确定度比英国NPL和意大利IMGC技术的大幅度改善，使测量压头曲率半径的测量不确定度改善到0.4 μm。美国NIST采用该技术重新测量8只由国际著名实验室测量过的洛氏硬度压头(其中6只被判定符合工作级的要求，2只被判定符合标定级的要求)发现，实际上这8只压头中只有3只符合工作级的要求，没有1只符合标定级的要求。文献[15]中表2给了一个例子，一个编号为C14738的压头，英国BCS测量的曲率半径为210 μm，满足对工作级压头的尺寸精度要求；意大利IMGC测量的曲率半径为200 μm，满足对标定级压头的尺寸精度要求；美国NIST测量的曲率半径为213.2 μm，既不满足对工作级压头尺寸的精度要求，更不满足对标定级压头的尺寸精度要求。

像意大利IMGC和英国BCS这样权威的国际机构，测量洛氏硬度金刚石压头的精度尚且不能正确地判断压头是否符合标准的要求，因此笔者认为要求工业试验室对于普通硬度压头进行准确的直接检验缺乏可行性，而不准确的测量不仅无效，还容易造成误导。虽然NIST测量方法的测量不确定度非常小，能够正确地判断压头是否符合要求，但是由于该方法对测量设备和标准物质的要求很高，因而测量效率低、成本高，只能用于测量少量要求很高的压头，如国家硬度试验标准实验室的标准压头(Reference Diamond Indenters)，而将其用于测量工业试验室的普通工作级压头不是很现实。

另一方面，从保证测试结果准确性的目的来分析直接检验的有效性，也发现直接检验难以达到预期的目的。要想通过直接检验保证测试结果的准确性，需要对所有影响测试结果的所有重要因素都进行准确的测量，才能实现对测试结果准确性的有效保证。笔者认为，GB/T 230.2-2012中第4.1.3款规定的4项直接检验没有能够覆盖对于测试结果有重要影响的全部因素，例如文献[16]报道硬度计的砧座对于薄板试样的硬度测试结果有重要影响，就没有包括在这4项直接检验之内。

ASTM E18-16[17]把硬度计、压头、硬度块分成不同的等级，不同等级直接检验的周期和地点要求也不同，该标准对于一般工业试验室用的B级硬度计和压头没有类似GB/T 230.2-2012中“安装后首次工作之前”进行直接检验的要求，只要在新购入时供方提供直接检验证书(直接检验一般应在制造厂完成)，一般工业试验室无需直接检验只需间接校验进行溯源就可以工作了，而国家硬度试验标准实验室(如美国NIST)则需要对标准硬度计和压头进行严格的直接检验。笔者认为，这样的规定较GB/T 230.2-2012的规定更为合理，也更具有可行性。

2 要保证硬度计精度，至少需要多少种标准硬度块进行间接校验

GB/T 230.2-2012中第5.2.1款要求“对于每一待检测的标尺，应从表4规定的每一个硬度范围中选用标准块。标准块的硬度值应接近预期使用的极限值。”根据该标准中的表4，HRA，HRB，HRC，HRF，HR15N，HR30N，HR15T，HR30T等硬度标尺都至少需要3种不同硬度的标准硬度块。

ASTM E18-16也要求每个硬度标尺都至少需要3种不同硬度的标准硬度块，但是在没有需要的3种标准硬度块的情况下给出了变通的做法：硬度计用能够得到的一种或两种需校验标尺的标准硬度块进行间接校验；硬度计还可用有3种标准硬度块的别的采用同样载荷的硬度标尺进行间接校验。这种做法，实质上是通过一种或两种标准硬度块间接校验压头、压痕深度测量装置等除载荷之外的影响硬度测试结果的因素，通过别的采用同样载荷的硬度标尺的间校检验来校验载荷。

GB/T 230.2-2012要求每种标尺用3种硬度的标准硬度块进行校验，是为了保证标准硬度块的硬度与要测试的实际试样的硬度接近。但是，要保证硬度测试的准确性，关键是要保证影响测试结果的各个因素都能得到有效控制，而不能依靠标准硬度块与实际试样的相似性来保证，因为实际试样千差万别，很难保证每种实测的试样都有对应的标准硬度块。

影响硬度测试的因素主要有：压头、压痕深度测量装置、载荷、保持载荷时间、加载及卸载速率、砧座、试样表面及背面质量(如粗糙度、表面与压头的垂直度、背面与砧座的密合程度等)、测试的控制和计算软件等。除了载荷之外，涉及一种压头的不同硬度标尺的其他因素应能够通过这种压头的小载荷硬度试验间接校验来验证(因为压头的顶部最容易损坏，小载荷硬度试验能更敏感地反映压头顶部的状况)；而载荷可以采用ASTM E18-16中所给出的同载荷其他硬度标尺间接校验的方法来校验，也可采用直接检验载荷的方法进行校验。

3 期间核查的方法能否有效监测硬度计的长期稳定性

GB/T 230.1-2009中附录E要求在当天使用硬度计之前，对需要使用的硬度标尺或范围采用相应的标准硬度块进行期间核查，是否可接受的判据是看实际测试值与标准硬度块证书上给出的标准值之间的差值是否在GB/T 230.2给出的最大允许误差范围内。笔者认为，这种方法只是验证了测试偏差是否在标准规定的最大允许范围之内，而难以评估硬度计的长期稳定性。

ASTM E18-16推荐保持日常的期间核查记录，包括日期、测试结果、期间核查用到标样的标识和标称值以及核查者的姓名等。将这些记录进行适当处理后，可以采用统计过程控制图(Statistical Process Control Chart，SPCC)来评估硬度计的长期稳定性，但是由于不同标样标称值不同并且实际的偏差不同，在SPCC上会出现不同的台阶。ASTM E18-16强烈推荐采用日常的期间核查记录数据绘制SPCC。笔者认为，采用绘制SPCC方法比GB/T 230.2-2012给出的最大允许误差法能够更敏感地反映出硬度计测试结果发生偏差的倾向。

采用ASTM E18-16中的期间核查方法监测硬度计的长期稳定性也存在一定的缺陷。因为标准硬度块的有效期不能覆盖硬度计的全生命周期，而且不同的标准硬度块标称值不同，实际的偏差也不同，因而难以用这样的标准硬度块期间核查的方法来监测硬度计全生命周期的稳定性。

文献[18]介绍了采用大批量有相同标称值的无时效标准硬度块监测硬度计全生命周期稳定性的方法。这种标准硬度块具有以下3个方面的特殊性：①超乎寻常的长期稳定性，连续13 a(年)监测数据显示无时效，所以可以用来监测硬度计的全生命周期稳定性；②制作原料非常均匀，所以可以保证大批量制作的标准硬度块具有相同的标称值；③定值方法特殊，采用宝钢检化验中心多个试验室在长时间段的每月比对数据统计定值。由于该方法采用的是大量有相同标称值并且有效期能够覆盖硬度计全生命周期的标准硬度块，所以更换标准硬度块不会引起监测数据的变化；由于采用无时效的标准硬度块，所以监测数据不会因为测试的年月不同引起测试数据的变化。宝钢检化验中心自2003年8月开始采用这种无时效标准硬度块监测硬度计的稳定性，制作了大批量有相同标称值的无时效标准硬度块，并建立起监测硬度计全生命周期稳定性的方法。该方法规定新硬度计验收时就要求测试这种无时效标准硬度块并将测试结果与标称值进行比较，评估新硬度计是否在可接受的范围内，并将其作为新硬度计投入使用的必要条件；以后一直用这种无时效标准硬度块来监测硬度计的稳定性，直至硬度计报废。由于在硬度计投用前已经请专业计量机构对硬度计进行了间接校验，保证了溯源链的完整性；投用后每年还会请专业计量机构对硬度计进行间接校验，保证了溯源链的完整性，所以该方法监测了硬度计全生命周期的稳定性，同时也保证了硬度计的溯源性和准确性。

图1显示了宝钢检化验中心多个试验室采用这种无时效标准硬度块自2004年2月至2017年2月每月一次测试硬度平均值的趋势图。

由图1可见，连续13 a(年)的监测数据显示这种无时效标准硬度块的性能不随时间的推移而发生规律性的上升或下降；根据时效的机理，如果材料会由于时效发生性能的变化，其变化规律是开始变化快后来变化越来越慢。连续13 a(年)的监测数据显示这种无时效标准硬度块的硬度没有随着时间的延长而发生规律性的变化，根据时效机理，可以预测只要测试的方法和条件不改变，其硬度50 a(年)甚至100 a(年)也不会变化。因此，可以用这种无时效标准硬度块来监测硬度计全生命周期的稳定性。

图1 无时效标准硬度块随时间的硬度变化趋势图Fig.1 Hardness tendency of reference hardness blocks without aging effect changing with time

4 讨论

直接检验的方法要想能够有效保证测试结果的准确性，需要具备两个前提条件：①所有影响测试结果的重要因素都需要进行直接检验；②对这些影响因素的直接检验都具有足够好的精度。然而，一般工业试验室通常不具备这两项条件。

按照GB/T 230.2-2012中第4.3.1.1.2款规定，“压头的形状可通过直接测量或通过测量其在投影屏上的投影进行检测。”采用在投影屏上检测投影的方法，是英国NPL、意大利IMGC和美国NIST改进之前的测量方法，其测量精度难以可靠判定压头是否符合规定(因为那些改进方法都是为了解决投影方法测量不确定度不能满足可靠判断压头是否满足规定的问题)；如果通过直接测量，采用的测量设备和方法能够保证的测量不确定度达到什么水平需要仔细分析，即使达到了英国和意大利报告的水平仍然难以可靠地判断压头是否符合规定；如果采用美国NIST的设备和方法，测量精度虽然能够满足可靠判断压头是否符合规定，但是测量的成本可能会高于普通B级压头的价格而不具有商业可行性。可见按照GB/T 230.2-2012规定的直接检验方法难以达到保证测试结果精度所必须的“足够好的精度”。

同样不可忽视的是4项直接检验的内容没有能够覆盖所有影响测试结果的重要因素。比如说砧座对于测试薄板硬度有重要影响；试样背面与砧座的密合程度对于测试硬度有重要影响；等等。如果直接检验的内容没能覆盖所有重要影响因素，就不能靠直接检验来保证测试结果的准确性。根据文献[15-16]和前面第1节的论述，目前工业试验室不具备这两个前提条件，所以笔者认为直接检验不能帮助工业试验室有效保证测试结果的准确性。

全部项目直接检验应是国家硬度试验标准实验室(中国计量院)保证国家基准硬度准确性的方法，部分项目的直接检验方法是硬度计生产厂、硬度计压头用的硬质合金球和硬度计金刚石压头制造者进行产品质量控制的一种方法，但是直接检验方法不是工业试验室保证测试精度的有效方法。因此，笔者认为GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012要求在工业试验室进行直接检验是不合理的。

间接校验是形成溯源链的有效方法，也是一般试验室保证测量结果可溯源性的关键环节。但是要求每种标尺至少用3种硬度范围的标准硬度块并不是唯一有效的方法。每一种压头采用一种标准硬度块进行间接校验再配合进行载荷的直接检验，应该同样能够保证测试结果的准确性。例如，一台硬度计要测试HRB，HRF，HR30T，HR15T硬度，按照GB/T 230.2-2012需要用12个标准硬度块；而如果用一块HR15T标准硬度块校验合格，说明该硬度计的压头、压痕深度测量装置、砧座、控制试验过程和计算测试结果的软件是符合要求的，如果再配合直接计量981 N(100 kgf)，589 N(60 kgf)，294 N(30 kgf)载荷，同样可以保证测试HRB，HRF，HR30T，HR15T硬度结果的可靠性。

期间核查是保证工业试验室硬度测试结果准确性的最重要的方法。但是一些硬度测试精度要求较高的试验室，如采用GB/T 230.1-2009中附录E的方法，用标准硬度块进行期间核查，用GB/T 230.2-2012给出的最大允许误差作为控制限，则不能满足控制测试精度的需要。例如，有的镀锡板、镀铬板产品标准规定的硬度的允许范围在目标值的正负3个硬度单位之内，硬度计的测试误差应不超过1个硬度单位，GB/T 230.2-2012给出的最大允许误差达到了正负3个硬度单位，远远没有达到控制硬度测试精度的要求，也不能满足ASTM E18-16的要求。

由于国内很多标准硬度块的有效期只有1 a(年)，到试验室可用的有效期更短，不同标准硬度块的标称值也不同，因此使用这种标准硬度块的期间核查数据难以用来监测硬度计全生命周期的稳定性。

采用无时效的大批量具有相同标称值的标准硬度块进行长期的期间核查，可以对硬度计进行全生命周期稳定性的监测。结合专业计量部门每年的间接校验，全生命周期监测方法可以保证硬度计的长期稳定性，同时也保证了硬度计的溯源性和准确性。

利用无时效标准硬度块监测硬度计全生命周期的数据，采用统计过程控制图或者趋势图的方法可以比GB/T 230.2-2012中最大允许误差的方法更灵敏地反映硬度计测试结果的偏差，更好地保证硬度计的测试精度。

国标制定应是系统研究基础上的技术工作，而不仅仅是文字翻译工作。从GB/T 228.1-2010,GB/T 230.1-2009及GB/T 230.2-2012存在的问题看，笔者认为存在着一定的只进行翻译而不注重研究技术原理、可行性和有效性的倾向。

5 结论

(1) 全部项目直接检验应是国家硬度试验标准实验室(中国计量院)保证国家基准硬度准确性的方法，而不是工业试验室保证硬度测试精度的有效方法，因此认为GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012要求在工业试验室进行直接检验是不合理的。

(2) 间接校验是形成溯源链的有效方法，也是一般试验室保证测试结果可溯源性的关键环节，但是要求每种标尺至少用3种硬度范围的标准硬度块并不是唯一有效的方法，采用标准硬度块间接校验配合载荷直接检验的方法，采用少量标准硬度块也可形成有效的溯源链。

(3) 期间核查是工业试验室保证硬度测试结果准确性最有效的方法，但是有效期短的标准硬度块难以起到监测硬度计长期稳定性的作用。采用无时效的大批量具有相同标称值的标准硬度块进行长期的期间核查，可以对硬度计进行全生命周期稳定性的监测；结合专业计量部门每年的间接校验，全生命周期稳定性监测方法既保证了硬度计的稳定性，也保证了其溯源性和准确性。利用无时效标准硬度块监测硬度计全生命周期的数据，采用统计过程控制图或者趋势图的方法可以比GB/T 230.2-2012中的最大允许误差方法更灵敏地反映硬度计测试结果的偏差，更好地保证硬度计的测试精度。

[1] LI H P,ZHOU X,SHEN J Y,etal. Analysis on the issues in ISO 6892-1 and TENSTAND WP4 Report based on the data of confirm tests by 21 laboratories[J]. Journal of Testing and Evaluation,2017,45(3):20150479.

[2] KLINGELHÖFFER H,AEGERTER J,SCHERM T,etal. Discussion on “Analysis on the Issues in ISO 6892-1 and TENSTAND WP4 Report Based on the Data of Confirm Tests by 21 Laboratories”—A refutation of international tensile testing experts[J]. Journal of Testing and Evaluation,2017,45(3):20160526.

[3] LI H P,ZHOU X,LUO D X,etal.Response to “Discussion on ‘Analysis on the Issues in ISO 6892-1 and TENSTAND WP4 Report Based on the Data of Confirm Tests by 21 Laboratories’”[J].Journal of Testing and Evaluation,2017,45(3):20160620.

[4] 李和平.关于拉伸试验标准GB/T 228.1-2010主要争论问题的探讨[J].理化检验-物理分册,2016,52(9):597-602.

[5] 高怡斐,梁新帮,邓星临.GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》实施指南[M].北京：中国标准出版社,2012.

[6] 李和平,周星,徐惟诚,等.GB/T 228.1-2010中应力速率的三种理解及在宣贯和实施过程中出现的问题[J].理化检验-物理分册,2013,49(8):489-493.

[7] 王丽英.拉伸试验速率应用的分析与探讨[J].理化检验-物理分册,2014,50(4):235-238,245.

[8] 吕丹,苏洪英,杨承波,等.不同控制模式下拉伸试验速率的测试及方法比较[J].理化检验-物理分册,2012,48(1):47-51,54.

[9] KLINGELHOFFERH,LEDWORUSKI S,BROOKES S.TENSTAND-Work package 4 final report[R]. [S.l.]:[s.n.],2005-01-28.

[10] AEGERTER J,KÜHN H J,FRENZ H,etal. EN ISO 6892-1:2009 tensile testing:Initial experience from the practical implementation of the new standard[J].Materials Testing,2011,53(10):595-603.

[11] 高怡斐.GB/T 228.1-2010中应变速率控制模式(方法A)的解读[J].理化检验-物理分册,2013,49(8):494-496,500.

[12] 李和平,周星,沈佳谊,等.对金属材料拉伸试验方法标准中推荐应变控制和刚度修正方法的验证分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(2):75-82.

[13] GB/T 230.1-2009 金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)[S].

[14] GB/T 230.2-2012 金属材料 洛氏硬度试验 第2部分：硬度计(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)的检验与校准[S].

[15] SONG J F, RUDDER F F, VORBURGER T V,etal. Microform calibrations in surface metrology[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,1995(2):301-310.

[16] LI H P, ZHOU X. The application and effects of thin sheet hardness reference materials without aging effect[C]// 10th Symposium on Recent Advance-ments in the Theory and Practice of Hardness Measurement 2007. Tsukuba:HARDMEKO,2007.

[17] ASTM E18-16 Standard test methods for Rockwell hardness of metallic materials[S].

[18] 李和平,周星.用于监测设备长期稳定性的无时效力学性能标样[J].物理测试,2015,33(3):1-4.

Discussion on Practicability and Validity of Rockwell Hardness Test Standards of GB/T 230.1-2009 and GB/T 230.2-2012

LI Heping

(Testing and Inspection Center, Shanghai Baosteel Industry Technological Service Co., Ltd., Shanghai 200941, China)

The problems existing in the practicability and validity of Rockwell hardness test standards of GB/T 230.1-2009 and GB/T 230.2-2012 were discussed. It is pointed out that direct verification of Rockwell hardness machines to ensure hardness results correct is impracticable for industry laboratories. Another problem is that the control method with permissible bias Rockwell unit in GB/T 230.2-2012 will be invalidity for some laboratories which require better accuracy. Using a large number of reference hardness blocks without aging effect and with the same reference hardness values to monitor the long-term stability of hardness machines in full life circle, combined with indirect verification of the professional measurement department every year, is a valid method for tracing and accuracy. With the daily verification data of these reference hardness blocks to draw statistical process control chart or tendency chart can show the departure of the hardness machines better and guaranteed the accuracy of the hardness machines better than with permissible bias Rockwell unit in GB/T 230.2-2012 for hardness test results.

Rockwell hardness; direct verification; indirect verification; daily verification; statistical process control; reference hardness block without aging effect

10.11973/lhjy-wl201708001

2017-05-02

李和平(1955-)，男，教授级高工，主要从事钢铁产品出厂检验的力学试验方法和质量保证工作，13856057940@139.com

TG115.5

A

1001-4012(2017)08-0533-05