金屬材料維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定

宋建利

（中國(guó)航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710089）

不確定度存在于任何結(jié)果中。測(cè)量不確定度是指合理賦予被測(cè)量值的分散性，用來(lái)表示測(cè)量結(jié)果的可信度。即越小的不確定度表示測(cè)量結(jié)果可信度越大，測(cè)量結(jié)果的水平越高。在常規(guī)力學(xué)性能的檢驗(yàn)中，維氏硬度試驗(yàn)是主要項(xiàng)目之一。目前工業(yè)中應(yīng)用的絕大部分金屬材料都可以利用維氏硬度試驗(yàn)來(lái)測(cè)量。從幾個(gè)維氏硬度單位的很軟的材料到三千個(gè)維氏硬度單位的硬材料都可測(cè)量。小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測(cè)試小型精密零件、薄片材料、刀刃、牙科材料的硬度。顯微維氏硬氏試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)量金屬組織中各組成相的硬度，還可以用來(lái)測(cè)試極小或極薄零件的硬度。零件厚度最薄薄至3 μm。因此，通過(guò)維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的正確評(píng)定具有十分重要的意義[1]。

1 金屬材料不確定度分析概述

1）測(cè)量方法：維氏硬度試驗(yàn)采用GB/T 4340.1—1999金屬維氏硬度試驗(yàn)第1部分的試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2）環(huán)境條件：在沒(méi)有另行規(guī)定的情況下，試驗(yàn)的環(huán)境條件通常是室溫10～35℃。

3）測(cè)量設(shè)備：本文試驗(yàn)環(huán)境條件是27℃。應(yīng)采用有關(guān)計(jì)量部門(mén)確定合格的維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備的精確度符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的測(cè)量設(shè)備是HV-5維氏硬度計(jì)。

4）被測(cè)對(duì)象：符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的金屬材料硬度試樣。

5）測(cè)量過(guò)程：在固定的環(huán)境條件下，借助符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的維氏硬度計(jì)，采用合適的試驗(yàn)力和壓頭下降速度，保持規(guī)定的試驗(yàn)力作用時(shí)間及壓痕測(cè)量裝置放大倍數(shù)測(cè)試滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的金屬材料維氏硬度試樣的壓痕對(duì)角線(xiàn)平均值，借助檢查表或計(jì)算獲得試樣的硬度值。該維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定的方法與結(jié)果可提供給各檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室作為參考，可以根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中使用的硬度值范圍、硬度計(jì)、試驗(yàn)力等條件選擇使用不確定度評(píng)定方法與其中一部分結(jié)果[2]。

2 測(cè)量不確定度主要來(lái)源分析

主要來(lái)源：操作人員在測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度d1和d2和均值d時(shí)帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；試驗(yàn)力值F的誤差帶來(lái)的不確定度分量；測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)值修約所帶來(lái)的不確定度分量；標(biāo)準(zhǔn)硬度塊不均勻度帶來(lái)的不確定度分量；測(cè)量裝置允許誤差所帶來(lái)的不確定度分量；金剛石壓頭的兩相對(duì)面夾角誤差帶來(lái)的不確定度分量。其中，壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度d1和d2的算術(shù)平均值d的測(cè)量誤差帶來(lái)的不確定度分量，包括壓痕測(cè)量裝置的誤差帶來(lái)的不確定度和壓痕尺寸重復(fù)測(cè)量帶來(lái)的不確定度。其中一部分分量又包含操作人員在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差及硬度計(jì)測(cè)量誤差帶來(lái)的不確定度分量。除此以外，還有加力速度和時(shí)間、試驗(yàn)溫度、試樣狀態(tài)、試驗(yàn)力保持時(shí)間等因素帶來(lái)的不確定度分量。但是，想要量化這些因素帶來(lái)的不確定度分量很難，因此，在具體的檢測(cè)工作中，只要檢測(cè)時(shí)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行，就可以忽略這些不確定度分量[3]。

3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

由于試驗(yàn)力F值測(cè)量誤差帶來(lái)的不確定度分量、壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度d1和d2的測(cè)量誤差帶來(lái)的不確定度分量以及硬度測(cè)試值進(jìn)行數(shù)值修約所導(dǎo)致的不確定度分量是獨(dú)立不相關(guān)的。因此，可用下列公式計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)根據(jù)維氏硬度的計(jì)算公式計(jì)算出各個(gè)不確定度分量的傳播系數(shù)，然后可計(jì)算出合成不確定度，而不應(yīng)該將其各不確定度分量平方和后計(jì)算合成不確定度。因?yàn)閮H當(dāng)被測(cè)量為相互獨(dú)立的輸入量的線(xiàn)性函數(shù)時(shí)，其傳播系數(shù)為+1或-1，此時(shí)才能夠?qū)⒏鞑淮_定度分量平方和后計(jì)算合成不確定度。在評(píng)定維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度時(shí)，應(yīng)該排除某些偏離兩壓痕對(duì)角線(xiàn)平均值的數(shù)值，以保證評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。在規(guī)定條件下得到的不確定度數(shù)據(jù)可以用于日后的規(guī)范化檢測(cè)工作，無(wú)需每次測(cè)試都進(jìn)行評(píng)定。而如果條件變化，則需要重新平等測(cè)量不確定度，在評(píng)定合成不確定度時(shí)，應(yīng)根據(jù)維氏硬度的計(jì)算公式計(jì)算各不確定度分量的傳播系數(shù)，然后計(jì)算合成不確定度。

[1] 季京，陳卓人，魏毅靜，等.金屬維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].寶鋼技術(shù)，2005（6）：42-45.

[2] 王承忠.材料理化檢驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定方法的研究[J].理化檢驗(yàn) - 物理分冊(cè)，2007，43（6）：282-286.

[3] 侯婷，賈舒.金屬材料維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].汽車(chē)零部件，2013（5）：37-38.

[4] 蘇洪英，呂丹，楊承波，等.金屬材料維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].物理測(cè)試，2008，26（1）：41-43.