李和平

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司 檢化驗中心， 上海 200941)

對洛氏硬度試驗標準GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012可行性和有效性的探討

李和平

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司 檢化驗中心， 上海 200941)

論述了關于洛氏硬度試驗標準GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012的規(guī)定在可行性和有效性方面存在的問題，指出了直接檢驗方法不能幫助工業(yè)試驗室有效保證測試硬度的準確性，而用GB/T 230.2-2012給出的最大允許誤差作為控制限，不能滿足要求較高測試精度試驗室的需要。采用無時效的大批量具有相同標稱值的標準硬度塊進行長期的期間核查，可以對硬度計進行全生命周期穩(wěn)定性的監(jiān)測；結合專業(yè)計量部門每年的間接校驗，全生命周期監(jiān)測方法可以保證硬度計的穩(wěn)定性，同時也保證了硬度計的溯源性和準確性。利用無時效標準硬度塊監(jiān)測硬度計全生命周期的數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計過程控制圖或者趨勢圖的方法比GB/T 230.2-2012規(guī)定的最大允許誤差方法能夠更靈敏地反映硬度計測試結果的偏差，更好地保證硬度計的精度。

洛氏硬度；直接檢驗；間接校驗；期間核查；統(tǒng)計過程控制;無時效標準硬度塊

為了使不同的試驗室能得到一致的試驗結果，需要制定各個試驗室都能夠共同執(zhí)行的試驗方法標準，以便各個試驗室共同遵循。推行標準的目的是為了讓各個試驗室執(zhí)行同一個試驗方法標準，從而得到一致的試驗結果。要想達到這樣的目的，需要不同的試驗人員對于同一個標準有一致的理解而不產(chǎn)生歧義，標準具有良好的可操作性；同時標準還需要具有在嚴格按照標準操作的條件下保證試驗結果準確所必需的有效性。

查看近幾年關于GB/T 228.1-2010(ISO 6892-1:2009)的相關爭論文章[1-12]和相關資料并對比ISO 6892-1:2016，發(fā)現(xiàn)專業(yè)人員對GB/T 228.1-2010(ISO 6892-1:2009)的理解存在很多不一致的地方。這個實例說明在制修訂標準時務必要對標準的可行性和有效性進行充分的驗證和論證。為此，筆者對洛氏硬度試驗標準GB/T 230.1-2009[13]和GB/T 230.2-2012[14]的可行性和有效性進行了探討和分析，提出了自己的一些觀點和看法，以供商榷。

1 要求在工業(yè)試驗室進行直接檢驗是否具有可行性和有效性

GB/T 230.1-2009中第5款要求試驗設備符合GB/T 230.2的要求。GB/T 230.2-2012中第4.1.3款規(guī)定直接檢驗包括：①試驗力的校準；②壓頭的檢測；③壓頭深度測量裝置的校準；④試驗循環(huán)時間的檢測。同時GB/T 230.2-2012中表6還規(guī)定，這4項直接檢驗應在“安裝后首次工作之前”進行，也就是要求工業(yè)試驗室要在現(xiàn)場進行直接檢驗或者請其他機構來進行直接檢驗。筆者認為，這樣的規(guī)定對于工業(yè)試驗室缺乏可行性，對于保證測試結果的準確性也缺乏有效性。

文獻[15]對洛氏硬度金剛石壓頭形狀和尺寸測量技術的發(fā)展歷史進行了回顧。其中:對于金剛石壓頭尺寸的測量，最早采用的是光學投影方法；然后英國國家物理實驗室(NPL)開發(fā)出了結合光學干涉儀和線性可變差動變壓器(LVDT)的傳感器測量技術；隨后意大利國家計量研究院(IMGC)進一步改進旋轉載物臺和接觸金剛石壓頭的位移傳感器，以減小測量不確定度；再之后美國國家標準與技術研究院(NIST)采用既可轉動又可在x-y平面移動的載物臺，采用采樣間隔和步距非常小的觸針表面測量儀(輪廓采樣間隔0.25 μm，輪廓步距0.01 μm)并借助一系列標準物質，使測量洛氏硬度金剛石壓頭曲率半徑的不確定度比英國NPL和意大利IMGC技術的大幅度改善，使測量壓頭曲率半徑的測量不確定度改善到0.4 μm。美國NIST采用該技術重新測量8只由國際著名實驗室測量過的洛氏硬度壓頭(其中6只被判定符合工作級的要求，2只被判定符合標定級的要求)發(fā)現(xiàn)，實際上這8只壓頭中只有3只符合工作級的要求，沒有1只符合標定級的要求。文獻[15]中表2給了一個例子，一個編號為C14738的壓頭，英國BCS測量的曲率半徑為210 μm，滿足對工作級壓頭的尺寸精度要求；意大利IMGC測量的曲率半徑為200 μm，滿足對標定級壓頭的尺寸精度要求；美國NIST測量的曲率半徑為213.2 μm，既不滿足對工作級壓頭尺寸的精度要求，更不滿足對標定級壓頭的尺寸精度要求。

像意大利IMGC和英國BCS這樣權威的國際機構，測量洛氏硬度金剛石壓頭的精度尚且不能正確地判斷壓頭是否符合標準的要求，因此筆者認為要求工業(yè)試驗室對于普通硬度壓頭進行準確的直接檢驗缺乏可行性，而不準確的測量不僅無效，還容易造成誤導。雖然NIST測量方法的測量不確定度非常小，能夠正確地判斷壓頭是否符合要求，但是由于該方法對測量設備和標準物質的要求很高，因而測量效率低、成本高，只能用于測量少量要求很高的壓頭，如國家硬度試驗標準實驗室的標準壓頭(Reference Diamond Indenters)，而將其用于測量工業(yè)試驗室的普通工作級壓頭不是很現(xiàn)實。

另一方面，從保證測試結果準確性的目的來分析直接檢驗的有效性，也發(fā)現(xiàn)直接檢驗難以達到預期的目的。要想通過直接檢驗保證測試結果的準確性，需要對所有影響測試結果的所有重要因素都進行準確的測量，才能實現(xiàn)對測試結果準確性的有效保證。筆者認為，GB/T 230.2-2012中第4.1.3款規(guī)定的4項直接檢驗沒有能夠覆蓋對于測試結果有重要影響的全部因素，例如文獻[16]報道硬度計的砧座對于薄板試樣的硬度測試結果有重要影響，就沒有包括在這4項直接檢驗之內。

ASTM E18-16[17]把硬度計、壓頭、硬度塊分成不同的等級，不同等級直接檢驗的周期和地點要求也不同，該標準對于一般工業(yè)試驗室用的B級硬度計和壓頭沒有類似GB/T 230.2-2012中“安裝后首次工作之前”進行直接檢驗的要求，只要在新購入時供方提供直接檢驗證書(直接檢驗一般應在制造廠完成)，一般工業(yè)試驗室無需直接檢驗只需間接校驗進行溯源就可以工作了，而國家硬度試驗標準實驗室(如美國NIST)則需要對標準硬度計和壓頭進行嚴格的直接檢驗。筆者認為，這樣的規(guī)定較GB/T 230.2-2012的規(guī)定更為合理，也更具有可行性。

2 要保證硬度計精度，至少需要多少種標準硬度塊進行間接校驗

GB/T 230.2-2012中第5.2.1款要求“對于每一待檢測的標尺，應從表4規(guī)定的每一個硬度范圍中選用標準塊。標準塊的硬度值應接近預期使用的極限值?！备鶕?jù)該標準中的表4，HRA，HRB，HRC，HRF，HR15N，HR30N，HR15T，HR30T等硬度標尺都至少需要3種不同硬度的標準硬度塊。

ASTM E18-16也要求每個硬度標尺都至少需要3種不同硬度的標準硬度塊，但是在沒有需要的3種標準硬度塊的情況下給出了變通的做法：硬度計用能夠得到的一種或兩種需校驗標尺的標準硬度塊進行間接校驗；硬度計還可用有3種標準硬度塊的別的采用同樣載荷的硬度標尺進行間接校驗。這種做法，實質上是通過一種或兩種標準硬度塊間接校驗壓頭、壓痕深度測量裝置等除載荷之外的影響硬度測試結果的因素，通過別的采用同樣載荷的硬度標尺的間校檢驗來校驗載荷。

GB/T 230.2-2012要求每種標尺用3種硬度的標準硬度塊進行校驗，是為了保證標準硬度塊的硬度與要測試的實際試樣的硬度接近。但是，要保證硬度測試的準確性，關鍵是要保證影響測試結果的各個因素都能得到有效控制，而不能依靠標準硬度塊與實際試樣的相似性來保證，因為實際試樣千差萬別，很難保證每種實測的試樣都有對應的標準硬度塊。

影響硬度測試的因素主要有：壓頭、壓痕深度測量裝置、載荷、保持載荷時間、加載及卸載速率、砧座、試樣表面及背面質量(如粗糙度、表面與壓頭的垂直度、背面與砧座的密合程度等)、測試的控制和計算軟件等。除了載荷之外，涉及一種壓頭的不同硬度標尺的其他因素應能夠通過這種壓頭的小載荷硬度試驗間接校驗來驗證(因為壓頭的頂部最容易損壞，小載荷硬度試驗能更敏感地反映壓頭頂部的狀況)；而載荷可以采用ASTM E18-16中所給出的同載荷其他硬度標尺間接校驗的方法來校驗，也可采用直接檢驗載荷的方法進行校驗。

3 期間核查的方法能否有效監(jiān)測硬度計的長期穩(wěn)定性

GB/T 230.1-2009中附錄E要求在當天使用硬度計之前，對需要使用的硬度標尺或范圍采用相應的標準硬度塊進行期間核查，是否可接受的判據(jù)是看實際測試值與標準硬度塊證書上給出的標準值之間的差值是否在GB/T 230.2給出的最大允許誤差范圍內。筆者認為，這種方法只是驗證了測試偏差是否在標準規(guī)定的最大允許范圍之內，而難以評估硬度計的長期穩(wěn)定性。

ASTM E18-16推薦保持日常的期間核查記錄，包括日期、測試結果、期間核查用到標樣的標識和標稱值以及核查者的姓名等。將這些記錄進行適當處理后，可以采用統(tǒng)計過程控制圖(Statistical Process Control Chart，SPCC)來評估硬度計的長期穩(wěn)定性，但是由于不同標樣標稱值不同并且實際的偏差不同，在SPCC上會出現(xiàn)不同的臺階。ASTM E18-16強烈推薦采用日常的期間核查記錄數(shù)據(jù)繪制SPCC。筆者認為，采用繪制SPCC方法比GB/T 230.2-2012給出的最大允許誤差法能夠更敏感地反映出硬度計測試結果發(fā)生偏差的傾向。

采用ASTM E18-16中的期間核查方法監(jiān)測硬度計的長期穩(wěn)定性也存在一定的缺陷。因為標準硬度塊的有效期不能覆蓋硬度計的全生命周期，而且不同的標準硬度塊標稱值不同，實際的偏差也不同，因而難以用這樣的標準硬度塊期間核查的方法來監(jiān)測硬度計全生命周期的穩(wěn)定性。

文獻[18]介紹了采用大批量有相同標稱值的無時效標準硬度塊監(jiān)測硬度計全生命周期穩(wěn)定性的方法。這種標準硬度塊具有以下3個方面的特殊性：①超乎尋常的長期穩(wěn)定性，連續(xù)13 a(年)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示無時效，所以可以用來監(jiān)測硬度計的全生命周期穩(wěn)定性；②制作原料非常均勻，所以可以保證大批量制作的標準硬度塊具有相同的標稱值；③定值方法特殊，采用寶鋼檢化驗中心多個試驗室在長時間段的每月比對數(shù)據(jù)統(tǒng)計定值。由于該方法采用的是大量有相同標稱值并且有效期能夠覆蓋硬度計全生命周期的標準硬度塊，所以更換標準硬度塊不會引起監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化；由于采用無時效的標準硬度塊，所以監(jiān)測數(shù)據(jù)不會因為測試的年月不同引起測試數(shù)據(jù)的變化。寶鋼檢化驗中心自2003年8月開始采用這種無時效標準硬度塊監(jiān)測硬度計的穩(wěn)定性，制作了大批量有相同標稱值的無時效標準硬度塊，并建立起監(jiān)測硬度計全生命周期穩(wěn)定性的方法。該方法規(guī)定新硬度計驗收時就要求測試這種無時效標準硬度塊并將測試結果與標稱值進行比較，評估新硬度計是否在可接受的范圍內，并將其作為新硬度計投入使用的必要條件；以后一直用這種無時效標準硬度塊來監(jiān)測硬度計的穩(wěn)定性，直至硬度計報廢。由于在硬度計投用前已經(jīng)請專業(yè)計量機構對硬度計進行了間接校驗，保證了溯源鏈的完整性；投用后每年還會請專業(yè)計量機構對硬度計進行間接校驗，保證了溯源鏈的完整性，所以該方法監(jiān)測了硬度計全生命周期的穩(wěn)定性，同時也保證了硬度計的溯源性和準確性。

圖1顯示了寶鋼檢化驗中心多個試驗室采用這種無時效標準硬度塊自2004年2月至2017年2月每月一次測試硬度平均值的趨勢圖。

由圖1可見，連續(xù)13 a(年)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示這種無時效標準硬度塊的性能不隨時間的推移而發(fā)生規(guī)律性的上升或下降；根據(jù)時效的機理，如果材料會由于時效發(fā)生性能的變化，其變化規(guī)律是開始變化快后來變化越來越慢。連續(xù)13 a(年)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示這種無時效標準硬度塊的硬度沒有隨著時間的延長而發(fā)生規(guī)律性的變化，根據(jù)時效機理，可以預測只要測試的方法和條件不改變，其硬度50 a(年)甚至100 a(年)也不會變化。因此，可以用這種無時效標準硬度塊來監(jiān)測硬度計全生命周期的穩(wěn)定性。

圖1 無時效標準硬度塊隨時間的硬度變化趨勢圖Fig.1 Hardness tendency of reference hardness blocks without aging effect changing with time

4 討論

直接檢驗的方法要想能夠有效保證測試結果的準確性，需要具備兩個前提條件：①所有影響測試結果的重要因素都需要進行直接檢驗；②對這些影響因素的直接檢驗都具有足夠好的精度。然而，一般工業(yè)試驗室通常不具備這兩項條件。

按照GB/T 230.2-2012中第4.3.1.1.2款規(guī)定，“壓頭的形狀可通過直接測量或通過測量其在投影屏上的投影進行檢測。”采用在投影屏上檢測投影的方法，是英國NPL、意大利IMGC和美國NIST改進之前的測量方法，其測量精度難以可靠判定壓頭是否符合規(guī)定(因為那些改進方法都是為了解決投影方法測量不確定度不能滿足可靠判斷壓頭是否滿足規(guī)定的問題)；如果通過直接測量，采用的測量設備和方法能夠保證的測量不確定度達到什么水平需要仔細分析，即使達到了英國和意大利報告的水平仍然難以可靠地判斷壓頭是否符合規(guī)定；如果采用美國NIST的設備和方法，測量精度雖然能夠滿足可靠判斷壓頭是否符合規(guī)定，但是測量的成本可能會高于普通B級壓頭的價格而不具有商業(yè)可行性?？梢姲凑誈B/T 230.2-2012規(guī)定的直接檢驗方法難以達到保證測試結果精度所必須的“足夠好的精度”。

同樣不可忽視的是4項直接檢驗的內容沒有能夠覆蓋所有影響測試結果的重要因素。比如說砧座對于測試薄板硬度有重要影響；試樣背面與砧座的密合程度對于測試硬度有重要影響；等等。如果直接檢驗的內容沒能覆蓋所有重要影響因素，就不能靠直接檢驗來保證測試結果的準確性。根據(jù)文獻[15-16]和前面第1節(jié)的論述，目前工業(yè)試驗室不具備這兩個前提條件，所以筆者認為直接檢驗不能幫助工業(yè)試驗室有效保證測試結果的準確性。

全部項目直接檢驗應是國家硬度試驗標準實驗室(中國計量院)保證國家基準硬度準確性的方法，部分項目的直接檢驗方法是硬度計生產(chǎn)廠、硬度計壓頭用的硬質合金球和硬度計金剛石壓頭制造者進行產(chǎn)品質量控制的一種方法，但是直接檢驗方法不是工業(yè)試驗室保證測試精度的有效方法。因此，筆者認為GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012要求在工業(yè)試驗室進行直接檢驗是不合理的。

間接校驗是形成溯源鏈的有效方法，也是一般試驗室保證測量結果可溯源性的關鍵環(huán)節(jié)。但是要求每種標尺至少用3種硬度范圍的標準硬度塊并不是唯一有效的方法。每一種壓頭采用一種標準硬度塊進行間接校驗再配合進行載荷的直接檢驗，應該同樣能夠保證測試結果的準確性。例如，一臺硬度計要測試HRB，HRF，HR30T，HR15T硬度，按照GB/T 230.2-2012需要用12個標準硬度塊；而如果用一塊HR15T標準硬度塊校驗合格，說明該硬度計的壓頭、壓痕深度測量裝置、砧座、控制試驗過程和計算測試結果的軟件是符合要求的，如果再配合直接計量981 N(100 kgf)，589 N(60 kgf)，294 N(30 kgf)載荷，同樣可以保證測試HRB，HRF，HR30T，HR15T硬度結果的可靠性。

期間核查是保證工業(yè)試驗室硬度測試結果準確性的最重要的方法。但是一些硬度測試精度要求較高的試驗室，如采用GB/T 230.1-2009中附錄E的方法，用標準硬度塊進行期間核查，用GB/T 230.2-2012給出的最大允許誤差作為控制限，則不能滿足控制測試精度的需要。例如，有的鍍錫板、鍍鉻板產(chǎn)品標準規(guī)定的硬度的允許范圍在目標值的正負3個硬度單位之內，硬度計的測試誤差應不超過1個硬度單位，GB/T 230.2-2012給出的最大允許誤差達到了正負3個硬度單位，遠遠沒有達到控制硬度測試精度的要求，也不能滿足ASTM E18-16的要求。

由于國內很多標準硬度塊的有效期只有1 a(年)，到試驗室可用的有效期更短，不同標準硬度塊的標稱值也不同，因此使用這種標準硬度塊的期間核查數(shù)據(jù)難以用來監(jiān)測硬度計全生命周期的穩(wěn)定性。

采用無時效的大批量具有相同標稱值的標準硬度塊進行長期的期間核查，可以對硬度計進行全生命周期穩(wěn)定性的監(jiān)測。結合專業(yè)計量部門每年的間接校驗，全生命周期監(jiān)測方法可以保證硬度計的長期穩(wěn)定性，同時也保證了硬度計的溯源性和準確性。

利用無時效標準硬度塊監(jiān)測硬度計全生命周期的數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計過程控制圖或者趨勢圖的方法可以比GB/T 230.2-2012中最大允許誤差的方法更靈敏地反映硬度計測試結果的偏差，更好地保證硬度計的測試精度。

國標制定應是系統(tǒng)研究基礎上的技術工作，而不僅僅是文字翻譯工作。從GB/T 228.1-2010,GB/T 230.1-2009及GB/T 230.2-2012存在的問題看，筆者認為存在著一定的只進行翻譯而不注重研究技術原理、可行性和有效性的傾向。

5 結論

(1) 全部項目直接檢驗應是國家硬度試驗標準實驗室(中國計量院)保證國家基準硬度準確性的方法，而不是工業(yè)試驗室保證硬度測試精度的有效方法，因此認為GB/T 230.1-2009和GB/T 230.2-2012要求在工業(yè)試驗室進行直接檢驗是不合理的。

(2) 間接校驗是形成溯源鏈的有效方法，也是一般試驗室保證測試結果可溯源性的關鍵環(huán)節(jié)，但是要求每種標尺至少用3種硬度范圍的標準硬度塊并不是唯一有效的方法，采用標準硬度塊間接校驗配合載荷直接檢驗的方法，采用少量標準硬度塊也可形成有效的溯源鏈。

(3) 期間核查是工業(yè)試驗室保證硬度測試結果準確性最有效的方法，但是有效期短的標準硬度塊難以起到監(jiān)測硬度計長期穩(wěn)定性的作用。采用無時效的大批量具有相同標稱值的標準硬度塊進行長期的期間核查，可以對硬度計進行全生命周期穩(wěn)定性的監(jiān)測；結合專業(yè)計量部門每年的間接校驗，全生命周期穩(wěn)定性監(jiān)測方法既保證了硬度計的穩(wěn)定性，也保證了其溯源性和準確性。利用無時效標準硬度塊監(jiān)測硬度計全生命周期的數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計過程控制圖或者趨勢圖的方法可以比GB/T 230.2-2012中的最大允許誤差方法更靈敏地反映硬度計測試結果的偏差，更好地保證硬度計的測試精度。

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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，教授級高工，主要從事鋼鐵產(chǎn)品出廠檢驗的力學試驗方法和質量保證工作，13856057940@139.com

TG115.5

A

1001-4012(2017)08-0533-05