ASTME384新旧标准对比及分析

张 杰，房 猛，范 炜，李 颖，韩新利

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

·标准化·

ASTME384新旧标准对比及分析

张 杰，房 猛，范 炜，李 颖，韩新利

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

美国材料与实验协会对其标准ASTME384进行了大幅修改，从新旧两个版本的标准对比入手，较为详细地阐述了新版标准更新的内容。并进一步论述了这些更新对于实验室及操作人员的影响。

显微硬度；精度

0 引 言

我国幅员辽阔，虽然地大物博，但资源分布不均衡，多集中在西部地区。而随着近几年的高速发展，我国成为了世界上最大的发展中国家，经济实力不断攀升。经济的迅速发展使我国成为世界瞩目的焦点，但是快速发展的经济导致能源需求日益增大，资源和环境问题日益突出。由于东部沿海地区经济发展迅速，作为最便捷经济的能源输送方式，管道运输原油和天然气的战略地位日益凸显。2015年中国新建成油气管道总里程0.52万千米，在役油气管道累计12万千米，保障管道安全成为一项重要任务[1]。硬度作为管道力学性能评价的重要指标，能够灵敏地反映金属材料在化学成分、金相组织、热处理工艺等方面的差异[2，3]。美国材料与实验协会的标准ASTM E384—11e1《材料的努氏和维氏硬度标准试验方法Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials》(下文称旧版标准)广泛被国内的管道生产厂家及检测单位采用。今年美国材料与实验协会发布ASTM E384—16《材料的显微硬度标准试验方法 Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials》(下文称新版标准)，与上一版本相比进行了大幅修改。本文从对新旧两个版本的标准对比入手，阐述了新版的更新内容，并进一步论述了这些更新对于实验室设备及操作的影响。

1 实验范围

首先，从两个标准的名称可以看出，新版本标准强调显微硬度，不再包含宏观维氏硬度的相关内容。在ASTM E384发展的过程中先只规定了小实验力(9.807×10-3N到9.807 N)的显微维氏硬度，到后来将ASTM E92合并取代，形成了显微和宏观维氏硬度统一的版本[4，5]，到现在的最新版本再次将大实验力(9.807 N至1176.80 N)的宏观维氏硬度分出。由于多数石油管相关实验多采用HV10，新版标准将不再适用。

新版标准同时将试验机直接检验和标定的内容，以及对维氏、努氏相关硬度试样的制备和标定的内容划归到了标准ASTM E92《金属材料维氏硬度实验方法》。

2 术语

新版标准删除了宏观维氏硬度的定义，同时删除了此部分关于刻度的定义。并将旧版标准试验原理部分的内容拆分，其中的公式部分归入了术语中关于公式的定义之中。而试验原理部分的其它内容在新标准中以实验方法概要的形式列出。新版标准公式部分同样收录了旧版标准中的附表部分关于重复性及误差的计算公式。这一改动使得标准条例更加清晰，公式比较集中，方便使用者集中查询使用。

3 重要性和意义

新版标准对于微压痕硬度实验在旧版的基础上给出了更加具体的应用实例：微压痕硬度实验可用来评估和量化小距离上的硬度变化[6]。这些变化可能来源于局部表面硬化，如喷丸处理、冷拔、火焰淬火、感应淬火，或者渗碳、渗氮、碳氮共渗等过程。也可能来源于一些问题工艺导致的缺陷，如脱碳、局部退火、或者显微结构分离等。

新版标准在这一部分对于实验方法和力值相对老版标准给出了更加详细的讨论，其中包括：

1)由于伴随力值的变化，维氏硬度压痕具有几何相似性，因此维氏压痕更适合用来确定材料性能。

2)里氏硬度由于伴随力的变化压痕不具有相似性，尤其是当力小于200 gf或者大于1 000 gf的时候。因此除了在500 gf的情况下，里氏硬度很少被用来确定材料硬度。

3)如果实验旨在得到一个明确的材料硬度值，如洛氏硬度，那么这一实验多数情况下只能通过500 gf的里氏硬度获得。

4)相对于维氏硬度，里氏硬度由于压痕两对角线差异较大，更适合用来确定特别小距离上的硬度变化。

5)由于高精度光学显微镜在测量尺寸小于20 μm压痕时的困难，原则上小于25 gf的实验应该只用来做定性分析。

4 仪器

在仪器部分，新版标准在旧版的基础上提高了要求，对于某些要求进行了更加细致的阐述。

1)首先，也是最重要的变化，新版标准要求对于实验仪器的测量装置在测量1 μm到200 μm的对角线长度时，报告精度须达到0.1 μm。而旧版标准规定，小于40 μm的对角线长度测量的报告精度为0.25 μm。大于40 μm的对角线长度，报告精度取0.5 μm或0.5%中的较大者。

2)新版标准将旧版实验过程中对于仪器的部分规定提到了仪器部分。并具体增加了部分要求说明，如：加载速度部分强调，操作者通常不要调整加载速度；振动控制方面，在实验进行中操作者尽量避免碰触仪器的基础上增加了尽量不要触碰桌子；将详细的维氏努氏压头鉴定标准归到了标准E92，并在压痕检测更换的内容里添加不要用手触摸压头；对于实验设备的柯勒照明，新版要求实验者可以根据说明书进行亮度调节。

3)新版标准在维氏压头部分强调对于偏差的晶体组织，可能产生畸形的压痕和无效的实验结果

4)新版标准对由电脑进行图像分析软件进行压痕长度测量的新型硬度实验机进行了介绍，并提出了相关的规定。如果电脑屏幕宽高比为4：3或者更大，要测量维氏压痕两对角线长度，应使视场最大高度小于视场宽度的75%。

5 试样

由于新版标准简化了对试样要求的描述，减少了对试样的强制限制，但内容不如旧版本分条清晰。变化如下：

1)新版标准取消了旧版中对于测试面必须与压头轴线垂直的具体规定，而是以“试样表面必须杜绝一切可能引起误差的问题”替代。

2)新版标准强调任何非平面上的硬度测试都是不推荐的。并将旧版标准里对于在球面或圆柱表面测试时的维氏硬度修正因子的内容删除。

3)新版标准对于试样的厚度未做具体规定，旧版标准要求试样厚度至少为压痕深度的十倍。

4)对于可以轻度浸蚀的情况，新版标准有所增加。新版标准为：当确定分相或组分微压痕硬度时，或当评估隔离区与未隔离区的硬度时，或其他小区域时轻度浸蚀是确定目标或者感兴趣区域必须的过程，这样压痕才能被确定位置。

5)新版标准增加了“有些材料与其他材料相比更易于在表面准备中导致损坏”这部分内容的具体描述，指出：通常情况，在相同的压力作用下，面心立方晶格金属(如：奥氏体不锈钢、铜及其合金、镍及其合金、金和银)在压痕周围表现出更大的变形域相比与一个体心立方晶格金属(如：铁素体和马氏体钢)。

6 程序

新版标准对于程序过程的描述更加简洁完善，更加方便指导操作过程[7],变化如下：

1)在本节开始，新版标准增加了打开照明系统和测试仪电源。

2)新版标准在本部分未对试验温度做出规定，只在附录X4，轻实验力微压痕硬度实验推荐规范(压痕对角线长度小于20 um)里，推荐实验温度为(23±3)℃。

3)选择实验压头，并相对旧版标准指出一些实验仪器可以自动更换压头。

4)将试样放置在测试平台上。新版标准特意强调到以上表面为基准平面的试样镶嵌夹持装置。这一装置可以很方便地完成上下表面不平行的试样的试验。如果使用粘土固定试样，一定要使用特别硬的粘土，并且使用大的压力将试样固定在粘土里。

5)压痕间隔：新版标准再次强调了不同晶体结构晶体的问题，指出面心立方晶格金属加工硬化比体心立方晶格金属更为显著，因此压痕间隔也要更加严格。

6)对于需要比标准规定间隔更为接近的压痕间隔时，新版标准给出了一种方法。相对通常的一条直线从试样表面到内部的排法，可以通过平行错列的方式获得整体上更加靠近的压痕。

7 报告

在这一部分新版标准提到可以报告95%的置信区间[8]。并且说明由于硬度测量的历史，且传统的kg/mm2的单位并不属于国际标准单位，所以硬度值的结果报告里一般不出现单位。同时由于冶金协会并不习惯使用GPa为单位的硬度值，而且以GPa为单位表述的硬度值范围较小。所以通常使用一个比较宽松的国际单位制。GPa单位的硬度表述一般不予推荐。

8 精度和误差

1)删除了旧版标准中关于各个因素对于试验精度影响程度的推导过程，而是以文字叙述替代。总结为：对于维氏硬度，在测量对角线长度时的错误带来的影响要比实验力及压头几何上更大的错误还大。在努氏硬度测量长对角线长度时的错误对结果精度产生的影响要比实验力上更大的错误还大。但是两面夹角上的错误会对努氏硬度测量的精度产生显著影响[9]。

2)新版标准将旧版中关于多实验室微压痕测量结果的讨论放到了附录3，使得标准正文简洁明了。

9 与其它硬度或抗拉强度值的换算

新版标准指出载荷大于25 gf的微压痕维氏硬度值与宏观维氏硬度值基本一致。旧版标准为载荷大于100 gf。

10 结论

ASTM E384-16版将内容主体回归到显微硬度上，不再覆盖宏观维氏硬度的内容。对于显微硬度部分，两个版本的标准对比发现，新版标准提高了试验的某些具体规定，如试验报告精度和为保证试验精度的注意事项；对于某些具体要求如试样厚度、压痕间隙等规定更为灵活，使得本标准在科研实验方面更加灵活方便。但由于内容上取消了宏观维氏硬度的内容，对于石油管道方面最常用的HV10硬度实验，本标准将不再适用。

[1] 陶美娟. 金属材料力学性能试验[M].北京:科学普及出版社,2014.

[2] 杨辉其.新编金属硬度试验[M].北京:中国计量出版社，2005．

[3] 高 鹏.2015年中国油气管道建设新进展[J].国际石油经济, 2016,39(3)：60-65.

[4] 陈亚军.表面显微硬度国内外检测标准探析[J] 表面技术, 2015,44(6):98-103.

[5] 杨 光.几种薄膜涂层硬度测试方法的比较[J].表面技术, 2008,37(2):85-87.

[6] 李凤云.美国标准化调研报告[J].冶金标准化与质量, 2004(3):292-297.

[7] 樊东黎.维氏和努氏显微硬度测量[J].热处理,2013,28(5):66-72.

[8] 张宏伟. 中美金属材料维氏硬度试验标准差异分析[J].核标准计量与质量, 2015,29(4)：18-22.

[9] 蔡丽清. 维氏硬度试验及其主要影响因素分析[J]. 物理测试,2008,26(3):21-23.

Comparative Analysis of the New and Old ASTM E384 Standards

ZHANG Jie, FANG Meng, FAN Wei, LI Ying, HAN Xinli

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The Standard E384 was heavily revised by ASTM International. The updated content was listed in detail by comparing the difference between the two issues of the standard. And the analysis of the impact of the change to the laboratories and the operators was discussed. Key words：microindentation hardness; precision

张 杰，男，1989年生，助理工程师，2014年毕业于中国科学院力学研究所流体力学专业，现从事石油管相关检测与研究工作。E-mail：zhangjie019@cnpc.com.cn。

TG

A

2096-0077(2017)01-0083-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.020

2016-08-01 编辑：葛明君)