分享：国内外金属材料焊缝维氏硬度试验的标准化现状

翟莲娜1,2,金静静1,2

(1.上海材料研究所,上海 200437;2.上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437) 

摘 要:介绍了国内外金属材料焊缝维氏硬度试验标准体系的最新进展,对比分析了我国现行 金属材料焊缝维氏硬度试验标准体系中存在的不足。与国际标准相比,我国现行部分金属材料焊 缝维氏硬度试验标准标龄较长,需加快修订。此外,要加强标准间相互引用,实现标准之间的方法 统一。 

关键词:金属材料;焊缝;维氏硬度试验;标准化 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0049-05

焊接是制造业不可或缺的共性基础技术,由于 焊接中焊件结合部分(焊缝)的形成过程涉及到热、 应力和显微组织变化,使其往往成为焊接结构中的 薄弱环节,特别是当焊缝中存在脆硬相(如孪晶马氏 体)时,会降低焊接接头的延性和韧性,容易发生脆 化、断裂等问题[1]。为此,焊缝硬度往往成为焊接工 艺是否合理的重要判断依据,而焊缝硬度主要用维 氏硬度来评价。此外,由于维氏硬度不仅能衡量材 料软硬程度,还能灵敏地反映金属材料在化学成分、 显微组织、热加工工艺及冷加工变形等方面的差异, 故在焊接材料检测和失效分析中也得到广泛应用。 笔者对国内外金属材料焊缝维氏硬度试验标准 体系的最新进展进行了介绍,对比分析了我国现行 焊缝维氏硬度试验标准体系中存在的不足,并提出 了相关建议。

1 国外金属材料焊缝维氏硬度试验标准化

进展 鉴于国际标准化组织(ISO)与欧洲标准化委员 会(CEN)达成的“维也纳协议”中“尽一切可能确保 国际标准和欧洲标准的相一致”原则的实施,目前欧 洲标准和ISO 标准在焊缝试验与检验中已完全等 同,因此,笔者主要分析目前国内应用较多的ISO、 美国和日本金属材料焊缝维氏硬度标准(见表1)的 进展。 表1中美国焊接学会标准 AWSB4.0:2016中 引用的维氏硬度试验方法标准为 ASTM E384《材 料努氏和 维 氏 硬 度 试 验 方 法》,其 上 一 版 本 AWS B4.0:2007引用的维氏硬度试验方法标准有2个, 分别 为 ASTM E28 力 学 试 验 技 术 委 员 会 管 理 的 ASTM E92《材 料 努 氏 和 维 氏 硬 度 试 验 方 法》和 ASTM E04 金 相 技 术 委 员 会 管 理 的 ASTM E384 《材料显微硬度试验方法》,这是因为 ASTM E92- 82(2003)曾于2010年7月被撤销,又于2016年2 月恢复,故 AWSB4.0:2016引用标准的最新版本为 ASTM E384-17和 ASTM E92-17。 从表1可看出,ISO 的焊缝维氏硬度试验标准 体系比较完善。根据焊接接头形式和特点,ISO 通 过制 定 ISO 9015-1:2001,ISO 9015-2:2016,ISO 22826:2005和ISO14271:2017等4个维氏硬度在 焊缝试验中的应用标准来分别规定了焊缝维氏硬度 试验中试验力的选择、样品的制备和试验位置,而具 体的试验原理、试样处置、试验步骤、不确定度等则 由维氏硬 度 的 基 础 标 准ISO6507.1(现 行 标 准 为 ISO6507.1:2018《金属材料维氏硬度试验第 1 部 分:试验方法》)规定。ISO6507是金属材料维氏硬 度试验的系列标准,除了第1部分:试验方法(ISO 6507-1:2018)外,还包括第2部分:硬度计的检验与 校准(ISO6507-2:2018)、第3部分:标准硬度块的 标定(ISO6507-3:2018)和第4部分:硬度值表(ISO 6507-4:2018)等配套标准,这些应用标准、基础标 准和配套标准共同组成了金属材料焊缝维氏硬度试 验的完整标准体系(见图1)。 在焊 缝 维 氏 硬 度 应 用 标 准 中,ISO 9015-1: 2001,ISO9015-2:2016和ISO22826:2005的不同 点是根据焊缝区域和梯度变化大小的不同,选择适 应的试验力。焊缝区域和梯度变化小的,选择小的 试验力,反之,则选择大的试验力。而相同点是试验 方式基本一致,都包括线测试(R 型测试)或点测试 (E型测试)(见图2),通过这种方式可方便地得到 焊缝区域的硬度分布和最大硬度。 对于钢来说,一般情况下,随着硬度的上升,钢 的延性和韧性下降,综合力学性能降低,抗裂能力减 弱。而钢焊接后最高硬度多出现在熔合线附近的热 影响区处,因此,测得热影响区最高硬度的大小,对 预测焊接接头的力学性能及开裂倾向有重要意义。 JISZ3101-1990直接给出了焊接热影响区最大硬 度试验方法,而ISO9015-1:2001则是通过线测试 (R型测试)得到一组数据后找出的热影响区最大硬 度,两者殊途同归。

2 我国金属材料焊缝维氏硬度试验标准化 

进展 我国早在1981年就发布了第一个涉及金属焊 缝维氏硬度的试验方法标准 GB2654-1981《焊接 接头及堆焊金属硬度试验法》,1984年,等效采用日 本JISZ3101-76标准制定发布了 GB/T4675.5- 1984《焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方 法》。GB/T4675.5-1984已于2005年作废,而 GB 2654-1981历经1989年和2008年两次修订后,现 行有 效 标 准 为 GB/T2654-2008/ISO9015-1: 2001《焊 接 接 头 硬 度 试 验 方 法》。2011 年 和 2018 年,我 国 又 分 别 发 布 了 GB/T 27552-2011/ISO 9015-2:2003《金属材料焊缝破坏性试验 焊接接头 显微硬度试验》和 GB/T35085-2018/ISO22826 -2005《金属材料焊缝破坏性试验 激光和电子束焊 接接头的维氏和努氏硬度试验》标准,此外,我国也 参照ISO6507制订了系列金属材料维氏硬度试验 方法标准,并由这些焊缝维氏硬度的应用标准、基础 标准和配套标准一起构成了我国现行的焊缝维氏硬 度标准体系(见图3)。 

此外,对压力容器、核反应堆、储槽和舰船等以 钢材为基材,以不锈钢或有色金属为覆材,总厚度不 小于8mm 的轧制、爆炸、堆焊、铸造、爆炸轧制、堆 焊轧制及铸造轧制的单面和双面复合钢板焊接接头 维氏硬度试验,GB/T16957-2012《复合钢板 焊接 接头力学性能试验方法》给予了明确的规定。 除了国标外,我国一些行业也制定了行业标准, 如 CB/T3770-2013《船用钢材焊接接头维氏硬度 试验方法》对船用钢材焊接接头维氏硬度的试验方 法规 定 更 为 详 细,其 他 技 术 内 容 与 GB/T2654- 2008基本一致。

3 我国焊缝维氏硬度试验方法标准存在的 问题 

3.1 焊缝维氏硬度标准体系尚待完善和健全

对比图 准总体上采 1 用 和图3可知,我国的焊缝维氏硬度标 ISO 标准,但还存在以下问题。①电 阻点焊、凸焊及缝焊接头的维氏硬度尚属空白;②GB/T4340系列标准和 GB/T27552-2011尚未随 着ISO 标准的变更而更新;③可喜的是,这些目前 正 处 在 解 决 之 中,GB/T 4340.1-2009,GB/T 4340.4-2009 和 GB/T27552-2011 正 在 修 订 之 中,电阻点焊、凸焊及缝焊接头的维氏硬度试验方法 标准正在制定之中,而 GB/T4340.2-2012,GB/T 4340.3-2012也在筹备修订之中。

3.2 我国的维氏硬度配套的校准/检定标准除国标

外还有检定规程 维氏硬度计和标准维氏硬度块的校准/检定既 有全国试验机标委会制定的 GB/T4340.2-2012 和 GB/T4340.3-2012,又有全国力值硬度计量技 术委员会制定的检定规程JJG151-2006《金属维 氏硬度计检定规程》和JJG148-2006《标准维氏硬 度块检定规程》,虽然两者都是依据ISO6507-2和 ISO6507-3编制的,主要技术内容基本相同,但JJG 151-2006和JJG148-2006依据的是ISO6507的 1997年版,而 GB/T4340.2-2012和 GB/T4340.3 -2012依据的是ISO6507的2005年版,两者还是 存在一定差异,如 GB/T4340.3-2012规定标准块 的标定周期为5a(年),而JJG148-2006规定标准 块首次检定周期为1a,复检周期为2a。此外,目前 ISO6507系列标准都是2018年版的,我国计量检 定机 构 大 量 使 用 的 JJG151-2006 和 JJG148- 2006严重滞后于国际标准的现象应及时纠正。

3.3 各标准规定的试验温度不同

试验温度变化对金属材料的维氏硬度有较大的 影响,一般来说,温度升高测得的硬度偏低,反之偏 高。为使维氏硬度数据能再现,维氏硬度试验方法 标准都对试验温度进行了明确的规定,但国内外现 行的维氏硬度试验标准仍存在试验温度规定不一致 的现象(见表2)。 从表2可看出,国内外金属材料维氏硬度方法标 准规定试验一般在10~35 ℃下进行,对于温度要求 严格 的 试 验,ISO 和JIS 规 定 试 验 温 度 应 为(23± 5)℃,ASTM 未给出具体范围。除ISO9015-2:2016 外,ISO和我国的焊缝维氏硬度标准都规定试验应 (或宜)在(23±5)℃下进行,而 AWS 和JIS规定按相 应的材料维氏硬度标准进行,即一般在10~35 ℃下 进行,对于温度要求严格的试验应取(23±5)℃。 为了分析试验温度对金属材料焊接接头力学性 能的 影 响,笔 者 取 Q355B 钢 为 母 材,使 用 焊 丝 ER50C6(?1.2mm),采用气体保护焊对其进行焊接,然后将焊接接头分别在10 ℃和35 ℃条件下进 行横 向 拉 伸 试 验,试 验 结 果 如 表 3 所 示。 根 据 GB/T33362-2016/ISO18265:2013《金属材料 硬 度值的换算》表 A.1可得出 Q355B这类非合金钢硬 度与抗拉强度的换算关系(见表4)。 

结合表3和表4可知,10 ℃和35 ℃下抗拉强 度平均值仅相差18 MPa,对应的维氏硬度约相差 6HV10。查 ASTM E92-2017,得到200HV10水 平下试验方法的重复性限r 为6 HV10,再现性限 为8.5HV10,由此可见,在10~35 ℃时,维氏硬度 随温度变化不大,从试验成本、效率和准确度综合考 量,维氏硬度试验温度规定为:“试验一般在 10~ 35 ℃室温下进行,对于温度要求严 格 的 试 验 应 取 (23±5)℃”较为合理。表 2 列出的ISO9015-2: 2016与ISO9015-2:2003 两个版本的区别也说明 了这一点。 

4 结束语 

我国现行的标准基本采用ISO 标准,从数量上 已经逐步和ISO 国际标准接轨,但与国际标准相比 较,部分标准标龄较长,需加快修订,以进一步完善 标准体系,使标准体系朝着更加系统化、规范化方向 发展。此外,我国现行的标准仍需进一步提高标准 化水平,实现标准之间的方法统一,即应加强相互引 用,而不应单个标准自成体系。同时,要在尽可能使 用国内标准的同时,不断追踪国外先进技术成果和 先进标准,及时研究各国标准新动态,加快标准的更 新速度,为我国焊接行业的稳步发展创造良好条件。

来源：材料与测试网