40Cr13 不銹鋼板維氏硬度測量不確定度的評定

劉琳靜，陳家欣

（1. 湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，湖南 長沙410126；2.廣東省陽江市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東 陽江529500）

所有的測量結(jié)果都具有不確定度[1]，測量過程中的隨機效應(yīng)及系統(tǒng)效應(yīng)均會導(dǎo)致測量不確定度，測量不確定度通常由測量過程的數(shù)學(xué)模型和不確定度的傳播率來評定[2]。測量結(jié)果的不確定度反映了對被測量之值的認(rèn)識不足，借助于已查明的系統(tǒng)效應(yīng)對測量結(jié)果修正后，所得的只是被測量的估計值，而修正值的不確定度以及隨機效應(yīng)導(dǎo)致的不確定依然存在。通過識別影響測量結(jié)果不確定度的主要因素，從而注意對這些因素加以控制，對提高測量準(zhǔn)確度很有實際意義。硬度是金屬材料機械性能的一項重要指標(biāo)。文章對40Cr13 不銹鋼板的金屬維氏硬度（HV0.3）測量結(jié)果不確定度進行分析評定，為檢測工作中的硬度測量不確定度的評定提供參考和借鑒。

1 概 述

1.1 測量依據(jù)

GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[3]

GB/T4340.2-2012《金屬材料維氏硬度試驗第2部分：硬度計的檢驗》

GB/T4340.3-2012《金屬材料維氏硬度試驗第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定》

1.2 環(huán)境條件

根據(jù)GB/T4340.1-2009 試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，實驗室溫度符合標(biāo)準(zhǔn)要求的10℃～35℃，本次試驗的溫度為24℃，相對濕度58%。

1.3 測量設(shè)備

本次試驗采用的測量設(shè)備是DM-2D 顯微維氏硬度計，儀器經(jīng)過計量部門檢定合格，其準(zhǔn)確度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.2-2012 的規(guī)定。本次試驗選用的試驗力為28.4N，保荷時間10s。

1.4 試驗樣品

本次試驗的樣品是40Cr13 不銹鋼板。

1.5 測量過程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-2009，在規(guī)定的環(huán)境條件下，對試樣借助于計量合格的維氏硬度計，選用方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合適的試驗力和壓頭下降速度，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗力保持時間，儀器自動計算得出維氏硬度值。

2 不確定度的來源

維氏硬度計的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)硬度塊測量硬度計、測量重復(fù)性的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊均勻性、最大允許誤差、測量系統(tǒng)壓痕分辨力以及修約引起的不確定度。

3 不確定度分量的評定

3.1 用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊（764HV0.3）測量硬度計的平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1-2009 規(guī)定的方法在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上重復(fù)進行5 次測量，其原始測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗重復(fù)性測量數(shù)據(jù)機計算結(jié)果

檢定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差用極差法計算，SH=R/C（R是極差，當(dāng)n=5 時，極差系數(shù)C=2.33），則：

評定五次測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 對試樣測量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

40Cr13 不銹鋼板試樣用維氏硬度計檢測的平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uH如表2 所示：

表2：40Cr13 不銹鋼板試樣測量數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

對40Cr13 不銹鋼板試樣重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差用極差法計算，當(dāng)n=5 時，極差系數(shù)C=2.33，

評定單次測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為Ux=Sx=20/2.33=8.58。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UCRM

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.3-2012，對于HV0.2～HV5范圍內(nèi)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值＞225 時，標(biāo)準(zhǔn)硬度塊均勻度的最大允許值為2.0%，則：

3.4 最大允許誤差下的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.2-2012，764HV0.3 硬度下Erel=±4%，則：

3.5 測量系統(tǒng)壓痕分辨力的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.2-2012，壓痕0.040≤d≤0.200mm 時，測量裝置分辨力±0.5%d，

3.6 修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)HV 大于100 時，修約區(qū)間為1.0，服從均勻分布，區(qū)間半寬則標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4 擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度

因引入的不確定度分量彼此獨立不相關(guān)，且根據(jù)數(shù)學(xué)模型，傳播系數(shù)所以按照分量方和根的公式進行合成。取置信概率約為95%，包含因子k=2，則擴展不確定度為：

5 測量結(jié)果及其不確定度

試樣的維氏硬度測得值為698.4HV0.3，測得值相對擴展不確定度為Urel=42.82HV，k=2。修約后的測量結(jié)果

6 結(jié) 論

從不確定度的評定計算分析可知，維氏硬度計的精確度是引起不確定度的重要因素，由標(biāo)準(zhǔn)硬度塊引入的不確定度和測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度都不可忽視，壓痕測量系統(tǒng)分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度較小，而修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度很小，基本可以忽略不計。因此，在檢測過程中，首先要選用合適的精密的硬度計和均勻性好的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，其次檢測人員要具備熟練的操作技能，并對影響測量結(jié)果的主要分量加以控制，來提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，不斷提高檢測結(jié)果質(zhì)量水平。