国内外金属材料焊缝维氏硬度试验的标准化现状

翟莲娜, 金静静

(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)

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AWS B4.0:2016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AWS B4.0:2016引用标准的最新版本为ASTM E384-17和ASTM E92-17。

表1 国外金属材料焊缝维氏硬度试验标准Tab.1 Vickers hardness testing standards on welds in of metal materials at abroad

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ISO 14271:2017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ISO 6507.1(现行标准为ISO 6507.1:2018《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》)规定。ISO 6507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(ISO 6507-2:2018)、第3部分：标准硬度块的标定(ISO 6507-3:2018)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)。

图1 ISO现行的金属材料焊缝维氏硬度试验标准体系Fig.1 Current standard system of Vickers hardness testing on welds in of metal materials in ISO

在焊缝维氏硬度应用标准中，ISO 9015-1:2001,ISO 9015-2:2016和ISO 22826:2005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。

图2 线测试(R型测试)及点测试(E型测试)示意图Fig.2 Schematic diagram of a) Row of indentation (R) and indiridual indentations (E)

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。JIS Z3101-1990直接给出了焊接热影响区最大硬度试验方法，而ISO 9015-1:2001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GB 2654-1981《焊接接头及堆焊金属硬度试验法》，1984年，等效采用日本JIS Z3101-76标准制定发布了GB/T 4675.5-1984《焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法》。GB/T 4675.5-1984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/T 2654-2008/ISO 9015-1:2001《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/T 35085-2018/ISO 22826-2005《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ISO 6507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)。

图3 我国现行的金属材料焊缝维氏硬度试验标准体系Fig.2 Current standard system of Vickers hardness testing on welds in metal materials in China

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8 mm 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/T 16957-2012《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/T 3770-2013《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/T 2654-2008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1和图3可知，我国的焊缝维氏硬度标准总体上采用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/T 4340系列标准和GB/T 27552-2011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/T 27552-2011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/T 4340.2-2012，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/T 4340.2-2012和GB/T 4340.3-2012，又有全国力值硬度计量技术委员会制定的检定规程JJG 151-2006《金属维氏硬度计检定规程》和JJG 148-2006《标准维氏硬度块检定规程》，虽然两者都是依据ISO 6507-2和ISO 6507-3编制的，主要技术内容基本相同，但JJG 151-2006和JJG 148-2006依据的是ISO 6507的1997年版，而GB/T 4340.2-2012和GB/T 4340.3-2012依据的是ISO 6507的2005年版，两者还是存在一定差异，如GB/T 4340.3-2012规定标准块的标定周期为5 a(年)，而JJG 148-2006规定标准块首次检定周期为1 a,复检周期为2 a。此外，目前ISO 6507系列标准都是2018年版的，我国计量检定机构大量使用的JJG 151-2006和JJG 148-2006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ISO 9015-2:2016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) ℃。

表2 国内外现行维氏硬度试验标准之间的试验温度差异Tab.2 The difference of test temperature between the current Vickers hardness test standards at home and abroad

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(φ1.2 mm),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/T 33362-2016/ISO 18265:2013《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)。

表3 焊接接头在10 ℃和35 ℃下的抗拉强度Tab.3 Tensile strength of welded joint at 10 ℃ and 35 ℃

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6 HV10。查ASTM E92-2017，得到200 HV10水平下试验方法的重复性限r为6 HV10，再现性限为8.5 HV10，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ISO 9015-2:2016与ISO 9015-2:2003两个版本的区别也说明了这一点。

表4 Q355B钢抗拉强度与维氏硬度换算表Tab.4 Conversion table of tensile strength and Vickers hardness of Q355B steel

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。