金屬材料維氏硬度試驗測量不確定度的評定

張 憲, 穆丹寧

(1. 西安建筑科技大學 冶金工程學院, 西安 710000; 2. 寶鈦集團有限公司, 寶雞 721014)

金屬材料維氏硬度試驗測量不確定度的評定

張 憲1,2, 穆丹寧2

(1. 西安建筑科技大學 冶金工程學院, 西安 710000; 2. 寶鈦集團有限公司, 寶雞 721014)

金屬材料維氏硬度試驗的測量不確定度主要來源于試驗力、標準硬度塊、壓痕對角線長度的測量以及硬度計本身、試驗結果的數值修約等。根據GB/T 4340.1-2009對硬度計和標準硬度塊的要求，結合生產實際，計算了不同試驗力下維氏硬度試驗的測量不確定度。結果表明：硬度計的最大允許誤差引起的測量不確定度所占的權重最大；對于同一維氏硬度，試驗力越大，維氏硬度試驗的測量不確定度則越小，因此在日常檢測中，在滿足要求的情況下，應盡可能選擇較大的試驗力，減小測量不確定度，使試驗結果更加準確可靠。

維氏硬度試驗；測量不確定度；試驗力；最大允許誤差

一切測量結果都不可避免地具有不確定度。所謂測量不確定度就是表征合理地賦予被測量值的分散性，是一個與測量結果相聯系的參數，用來描述測量結果的可疑程度。不確定度越小，則測量結果越可靠，測量水平和質量越高，所以測量不確定度是評價檢測機構能力和水平的最新評價指標[1]。維氏硬度試驗是金屬材料常規力學性能的主要檢驗項目之一，可以測試目前工業上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料(幾個維氏硬度)到很硬的材料(3 000個維氏硬度)都可以測試[2-3]。鈦及鈦合金具有高比強度、低密度、高耐蝕性以及良好的生物相容性等特性，因此被廣泛地應用在航天航空、化工、船舶、醫療器械等領域。鈦及鈦合金的維氏硬度經常作為國家標準和行業標準中需要檢測的主要性能之一，且小載荷維氏硬度試驗在鈦合金常見的β斑、α污染層、硬質夾雜等顯微組織缺陷檢驗中起著至關重要的作用。因此，為了提高維氏硬度試驗結果的可靠性，提升實驗室的檢測能力與水平，正確地評定維氏硬度試驗的測量不確定度是非常必要的。

金屬材料維氏硬度試驗標準GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》規定：除非另有規定，試驗一般在10～35 ℃的溫度范圍、濕度≤65%的環境下進行。某實驗室Wilson-Wolpert Tukon 2100B型維氏硬度計，經計量部門檢定合格，滿足國家和行業相關檢定規程的規定。該實驗室日常檢測試樣為滿足GB/T 4340.1-2009要求的鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等金屬材料。對試樣加載適當的試驗力，保持10 s，測量兩壓痕對角線長度d1和d2，硬度計便會自動顯示出其維氏硬度。

1 試驗材料與試驗方法

根據GB/T 4340.1-2009，在規定的環境條件下，采用經計量檢定合格的維氏硬度計，對符合要求的金屬材料在規定的試驗力下進行維氏硬度試驗。按照標準規定的加載速率、保壓時間、放大倍數和合適的壓痕測量裝置，手動或自動測量兩壓痕對角線長度的平均值，查表或自動讀出硬度。

2 維氏硬度試驗測量不確定度的評定

2.1 建立數學模型

維氏硬度的計算公式如下

式中:d為兩壓痕對角線長度的平均值，mm;F為試驗力，N。

2.2 測量不確定度的來源分析

維氏硬度試驗的測量不確定度主要來源于試驗力、標準硬度塊的均勻性、壓痕對角線長度測量、硬度計本身、試驗結果數值修約等所導致的不確定度分量[4-6]。在穩定的環境條件下，環境因素、試驗力保持時間等引起的不確定度分量所占權重很小，可以忽略不計。由于該實驗室使用的硬度計是經過專門的檢定機構檢驗合格的，其測量允許誤差滿足GB/T 4340.2-2012《金屬材料 維氏硬度試驗 第2部分:硬度計的檢驗與校準》要求，因此試驗力值測量誤差由硬度計的允許誤差決定。所以筆者主要從硬度計、標準硬度塊的均勻性、壓痕對角線長度測量、試驗結果的數值修約等4個方面計算測量不確定度。

2.3 相對標準不確定度分量的評定

2.3 A組與B組分娩結局對比 A組除剖宮產、產褥期感染率外，其余不良結局發生率均低于B組，差異有統計學意義(均P<0.05)。見表3。

2.3.1 硬度計最大允許誤差引入的相對標準不確定度分量uref,E

2.3.2 標準硬度塊均勻性引入的相對標準不確定度分量uref，CRM

2.3.3 壓痕測量裝置的分辨力引入的相對標準不確定度分量uref，ms

2.4 合成標準不確定度的評定

按照JJF1059.1-2012的規定和GB/T4340.1-2009的要求，最終報告的測量不確定度有效數字保留到個位，并按照GB/T8170-2008《數值修約規則與極限數值的表示和判定》對測量結果進行數值修約。所以，合成標準不確定度uc=0.017 9×350=6.265≈6 HV。

2.5 擴展不確定度的評定

取置信因子k=2，則擴展不確定度U=uc·k=6×2=12 HV。

2.6 測量不確定度報告

按照JJF 1059.1-2012中第5款“測量不確定度的報告與表示”的規定，試驗鈦合金標準硬度塊的維氏硬度試驗結果報告如下：HV=350 HV，U=12 HV，k=2。

2.7 討論

為了研究不同試驗力對維氏硬度試驗測量不確定度的影響，按照前面的評定步驟分別計算了350HV5標準硬度塊在試驗力分別為98.07，9.807，4.904，2.942，1.961N時的維氏硬度測量不確定度，結果見表1。從表1可以看出：硬度計的最大允許誤差引入的相對標準不確定度uref,E是維氏硬度試驗測量不確定度的主要來源，所占的權重最大，而試驗結果的數值修約導致的測量不確定度uref,rou所占的權重最小，甚至可以忽略不計；對于同一維氏硬度(350 HV)，隨著試驗力的減小，合成標準不確定度和擴展不確定度均逐漸增大。也就是說，試驗力越大，維氏硬度試驗的測量不確定度則越小。

表1 不同試驗力的測量不確定度Tab.1 The measurement uncertainty for different test forces

3 結論

(1) 在進行維氏硬度試驗時，硬度計最大允許誤差引起的標準不確定度uref,E是維氏硬度試驗測量不確定度的主要來源；而試驗結果的數值修約引入的標準不確定度uref,rou所占的權重最小，甚至可以忽略不計。

(2) 對于同一維氏硬度(350 HV)，隨著試驗力的減小，合成標準不確定度和擴展不確定度均逐漸增大。因此，在日常金屬材料的維氏硬度試驗過程中，在滿足標準或客戶要求的情況下，應盡可能選擇較大的試驗力，減小測量不確定度，使試驗結果更加準確可靠。

[1] 季京, 陳卓人,魏毅靜,等.金屬維氏硬度試驗測量不確定度的評定[J].寶鋼技術,2005(6):42-45,48.

[2] 蘇洪英,呂丹,楊承波,等.金屬材料維氏硬度試驗測量不確定度的評定[J].物理測試,2008,26(1):41-43.

[3] 黃書澤,丁彪,鄒鳳平,等.試驗載荷對維氏硬度測試誤差的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(2):127-130.

[4] 胡水江,李生初,楊航飛,等.金屬材料維氏硬度測量不確定度的評定[J].金屬制品,2009,35(1):59-60.

[5] 孟祥亮.銅管顯微維氏硬度測定結果的不確定度評定[J].理化檢驗-物理分冊,2011,47(10):641-643.

[6] 王承忠.測量不確定度直接評定法和綜合評定法的幾個典型實例 第一講 直接評定法及其實例[J].理化檢驗-物理分冊,2006,42(4):210-215.

Evaluation of Measurement Uncertainty of Vickers Hardness Test of Metal Materials

ZHANG Xian1,2, MU Danning2

(1. Institute of Metallurgical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710000, China;2. Baoti Group Ltd., Baoji 721014, China)

The measurement uncertainty of metal material Vickers hardness test mainly results from test force, standard hardness block, measurement of indentation diagonal length, hardness tester itself, test result rounding off, etc. According to the requirements for hardness testers and standard hardness blocks in GB/T 4340.1-2009, combined with the production practice, the measurement uncertainty of Vickers hardness test with several different test forces was calculated. The results show that the measurement uncertainty derived from the maximum permissible error of the hardness tester was the largest. For the same Vickers hardness, the larger the test force was, the smaller measurement uncertainty of Vickers hardness test was. Therefore, in daily testing, under the premise of meeting the requirements, the test force should be chosen as large as possible to reduce the measurement uncertainty and make the test results more accurate and reliable.

Vickers hardness test; measurement uncertainty; test force; maximum permissible error

10.11973/lhjy-wl201706008

2016-11-19

張 憲(1986-)，男，碩士研究生，主要從事鈦及鈦合金研究

穆丹寧(1985-)，女，碩士，主要從事鈦及鈦合金研究,mudanning1985@126.com

TG115.5; TB938.2

A

1001-4012(2017)06-0410-03