GB/T1499.2-2018中維氏硬度試驗方法的探討

韓益民 王文鋒 吳航兵 趙紅全

(1.昆鋼生產制造中心；2.昆鋼科技創新部)

1 概述

《GB/T1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2 部分:熱軋帶肋鋼筋》已于2018年11月開始實施，為了淘汰落后產品，提高鋼筋使用性能，該國標首次將宏觀金相、截面維氏硬度及微觀組織新增為熱軋帶肋鋼筋常規生產檢驗項目。經過一段時間的檢驗實踐，發現維氏硬度試驗方法方面尚有一定可商榷之處。

本文結合實際維氏硬度檢驗中出現的問題，利用數理統計方法進行分析，提出橫截面基圓外圍不同于內部區域襯度的不封閉環稍薄情況下的替代解決辦法，對標準中熱軋帶肋鋼筋心部檢測位置提出探討并加以修正，使熱軋帶肋鋼筋截面維氏硬度的檢測更具備準確性及可操作性。

2 GB/T1499.2-2018 中維氏硬度試驗在實際檢驗中的問題

2.1 GB/T1499.2-2018 中關于維氏硬度試驗的規定

GB/T1499.2-2018 中B.2.2 條款規定:將試樣橫截面中心線心部位置作為中心測試點(HV0)，在試樣橫截面基圓外圍不同于內部區域襯度的不封閉環上確定邊緣測點(HV)，如圖1所示。

圖1 GB/T1499.2-2018 之B.2 鋼筋維氏硬度測點位置

在B.2.3 條款對維氏硬度試驗合格條件作出規定:按GB/T4340.1 進行維氏硬度檢驗，試樣截面維氏硬度測試的載荷為“5 kg”，保持時間為10 s。測得HV0和HV，兩點的硬度差值(HV0-HV) 不大于40HV時判為合格[1]。

2.2 實際熱軋帶肋鋼筋檢驗中維氏硬度試驗的問題

1) 根據GB/T4340.1-2009 之7.5 款規定:“任一壓痕中心到試樣邊緣的距離，對于鋼、銅及銅合金至少應為壓痕對角線長度的2.5 倍。[2]”

對于邊緣有明顯襯度不同于內部但組織深度不足的區域(如圖2中照片b，該明顯襯度區別區域僅厚約 0.12 mm，正常強度的HRB400E、HRB500E熱軋帶肋鋼筋在測試載荷為5 kg時壓痕對角線長度范圍約為0.18 mm-0.24 mm)，在維氏硬度測試載荷為5 kg的情況下難以滿足這一規定，如圖2b 所示，試樣邊緣所得的硬度測試點已嚴重變形，兩對角線長度之差(0.216-0.181 =0.035 mm) 已超出對角線均值(0.199 mm) 的5%(0.199×5 % =0.00995 mm)，該硬度測試點所得測試數據存疑，邊緣測得的維氏硬度值不能真實反應該區域硬度。

圖2 距邊緣不同距離HV5 測試點壓痕形貌

2) 試樣心部出現組織偏析的情況下(如圖2所示)，在試樣心部測得的維氏硬度值會出現偏差，不能正常反應基體組織硬度，會對HV-HV0≤40 HV這一判斷帶來誤判風險。

圖3 典型心部偏析宏觀照片

3 適應于GB/T1499.2-2018中維氏硬度試驗方法研究分析

3.1 試驗設備及研究內容

采用型號為INN0VATESTFALC0N500 荷蘭軼諾維氏硬度計進行維氏硬度試驗研究。

如前所述，GB/T1499.2-2018 中維氏硬度試驗在實際生產檢驗中邊緣及心部硬度測試點位置存在異議，為此，分別對邊緣不封閉環位置和心部偏析位置的維氏硬度試驗方法進行深入研究。

3.2 邊緣不封閉環位置維氏硬度試驗方法研究分析

1) 不同試驗載荷下維氏硬度壓痕對角線計算分析

根據GB/T4340.1-2009 中維氏硬度計算相關公式:HV≈0.1891×F/d2[2];結合實際檢測工作各牌號鋼筋的維氏硬度值范圍一般為160～290 HV，計算出的各載荷下壓痕對角線長度均值，由表1可知，在減小維氏硬度試驗載荷的情況下，可以適度減小維氏硬度測試點距離邊緣的位置。

表1 不同試驗載荷下維氏硬度壓痕對角線均值

2) 不同試驗載荷維氏硬度測試準確度及精確度統計分析

3) 隨著試驗載荷的減小，維氏硬度壓痕隨之變小，同一硬度計在不同載荷下測量的系統誤差、人為的測量誤差及由于試樣內部組織對試驗測試值影響可能隨之發生變化，須對各試驗載荷下所測得的維氏硬度值精密度及準確度是否存在顯著差異進行對比統計分析。

采用通過校準的標準塊兩塊(標準塊1:編號V88061，標定硬度值247HV5，均勻度0.6 %;標準塊2:編號V088018，標定硬度值477HV3，均勻度0.8 %)，分別采用5 kg、3 kg、2 kg、1 kg不同試驗載荷分別對標準塊進行維氏硬度試驗(各隨機測量8 個維氏硬度值數據)，對所得數據采用格魯布斯(Grubbs) 檢驗對數據進行分析并剔除異常數據;采用F檢驗法分別對試驗數據方差(由于GB/T1499.2-2019 規定，其余載荷均與5 kg載荷進行對比) 分析各試驗載荷下的精密度(隨機誤差) 是否存在顯著差異;采用T檢驗法分別對試驗數據均值分析各試驗載荷下的準確度(系統誤差) 是否存在顯著差異;三種數據分析檢驗方法置信水平取值均為α=95 %。原始數據及統計分析結果見表2所示。

表2 不同載荷下維氏硬度試驗精密度及準確度統計分析結果

續 表

由表2數據統計分析結果可知，在不同硬度標準塊下，相對于5 kg試驗載荷，3 kg、2 kg、1 kg載荷進行的試驗在系統誤差(準確度) 方面沒有顯著差異;但是在隨機誤差上，1 kg載荷進行的試驗數據存在顯著差異;2 kg載荷進行的試驗數據存在一定差異(不顯著，但差異稍大)，3 kg載荷進行的試驗數據未發現明顯差異。

據此統計分析結果，用3 kg載荷替代5 kg載荷進行試驗在精密度和準確度上均不存在顯著差異，即可用HV3 替代HV5 進行硬度試驗，HV2 替代HV5 則需要慎重使用，不能用HV1 替代HV5 進行試驗。

故此，在試樣橫截面基圓外圍不同于內部區域襯度的不封閉環上確定邊緣測點(HV) 應根據該不封閉環厚度確定如下:

(1) 不封閉環厚度≥0.60 mm時，熱軋帶肋鋼筋維氏硬度試驗可按照試驗載荷“5 kg” 進行;

(2) 不封閉環厚度在0.40 mm-0.60 mm區間時，采用試驗載荷“3 kg” 替代“5 kg” 進行維氏硬度試驗;

(3) 不封閉環厚度<0.40 mm時，邊緣維氏硬度試驗值參考意義存疑，應依據金相顯微組織結果進行判斷。

3.3 心部位置維氏硬度試驗方法研究分析

心部位置對維氏硬度測試值的影響主要來源于心部組織偏析，對心部各位置的維氏硬度值代表性開展的針對性研究分析如圖4所示:在熱軋帶肋鋼筋截面上對心部不同位置進行維氏硬度(HV5)試驗，將每個測試點位置的維氏硬度值(Xi) 與去除邊緣位置后整個心部的維氏硬度均值之差值(Xi-) 來衡量每個測試點位置之間的差異(或離散) 程度，隨機選取各生產基地不同規格(Φ12 mm～Φ32 mm)、不同牌號(HRB400E、HRB500E) 共計104 組數據進行統計分析(圖5、表3)，分析結果顯示，3/8 位置(大多開始出現組織偏析區域位置) 和1/2 位置(即GB/T1499.2-2018 中規定的心部位置) 離散程度及數據波動性較大，而1/4 位置離散程度及數據波動性最小，故最能代表心部維氏硬度的測試位置點應位于截面1/4 位置處。

表3 心部各位置維氏硬度離散程度統計分析

圖4 心部不同維氏硬度測試點位置

圖5 心部各位置維氏硬度離散程度

4 結論

綜上所述，在實際檢驗工作依據GB/T1499.2-2018 對熱軋帶肋鋼筋進行維氏硬度試驗中，可采取以下操作:

(1) 對于熱軋帶肋鋼筋邊緣維氏硬度測試:當橫截面基圓外圍不同于內部區域襯度的不封閉環厚度小于0.40 mm時，依據金相檢驗結果對其進行判定;當不封閉環厚度在0.40-0.60 mm區間時，可采取試驗載荷“3 kg” 替代“5 kg” 進行維氏硬度試驗。

(2) 在心部組織偏析時，心部位置維氏硬度試驗測試點選取試樣截面1/4 區域位置。