分享：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)

    摘 要: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(shù)值修約等.根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９對硬度計和標準硬度塊的要求,結合生產(chǎn)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.

關鍵詞:維氏硬度試驗;測量不確定度;試驗力;最大允許誤差

中圖分類號:TG１１５．５;TB９３８．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０４１０Ｇ０３

EvaluationofMeasurementUncertaintyofVickersHardnessTestofMetalMaterials

ZHANGXian１,２,MUDanning

(１．InstituteofMetallurgicalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an７１００００,China;

２．BaotiGroupLtd．,Baoji７２１０１４,China)

    Abstract:ThemeasurementuncertaintyofmetalmaterialVickershardnesstestmainlyresultsfromtest

force,standardhardnessblock,measurementofindentationdiagonallength,hardnesstesteritself,testresult

roundingoff,etc．Accordingtotherequirementsforhardnesstestersandstandardhardnessblocksin GB/T

４３４０．１－２０９,combinedwiththeproductionpractice,themeasurementuncertaintyofVickershardnesstestwith

severaldifferenttestforceswascalculated．Theresultsshowthatthemeasurementuncertaintyderivedfromthe

maximumpermissibleerrorofthehardnesstesterwasthelargest．ForthesameVickershardness,thelargerthetestforcewas,thesmallermeasurementuncertaintyofVickershardnesstestwas．Therefore,indailytesting,underthepremiseofmeetingtherequirements,thetestforceshouldbechosenaslargeaspossibletoreducethe

measurementuncertaintyandmakethetestresultsmoreaccurateandreliable．

    Keywords:Vickershardnesstest;measurementuncertainty;testforce;maximumpermissibleerror

    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(lián)系的參數(shù),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(zhì)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(guī)力學性能的主要檢驗項目之一,可以測試目前工業(yè)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(３０００個維氏硬度)都 可 以 測 試[２Ｇ３].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(yī)療器械等領域.鈦及鈦合金的維氏硬度經(jīng)常作為國家標準和行業(yè)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(zhì)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/T４３４０．１－２００９«金屬材 料 維 氏 硬 度 試 驗 第 １ 部 分:試 驗 方法»規(guī)定:除非另有規(guī)定,試驗一般在１０~３５℃的溫度范 圍、濕 度 ≤６５％ 的 環(huán) 境 下 進 行. 某 實 驗 室WilsonＧWolpertTukon２１００B型維氏硬度計,經(jīng)計量部門檢定合格,滿足國家和行業(yè)相關檢定規(guī)程的規(guī)定.該實驗室日常檢測試樣為滿足 GB/T４３４０．１－２００９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?shù)脑囼灹?保持１０s,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.筆者根據(jù)JJF１０５９．１－２０１２«測量不確定度評定與表示»和 GB/T４３４０．１－２００９對硬度計和標準硬度塊的要求,并結合生產(chǎn)實際,計算了３５０HV５鈦合金標 準 硬 度 塊 在 試 驗 力 分 別 為 ９８．０７,４９．０３５,９．８０７,４．９０４,２．９４２,１．９６１N 時的維氏硬度試驗測量不確定度,以明確試驗力對維氏硬度試驗測量不確定度的影響,為實驗室檢測人員日常工作和建立健全檢測實驗室質(zhì)量評價體系提供參考.

１ 試驗材料與試驗方法

    根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９,在規(guī)定的環(huán)境條件下,采用經(jīng)計量檢定合格的維氏硬度計,對符合要求的金屬材料在規(guī)定的試驗力下進行維氏硬度試驗.按照標準規(guī)定的加載速率、保壓時間、放大倍數(shù)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(shù)學模型

維氏硬度的計算公式如下:

HV ＝０．１８９１F/d２ (１)

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(shù)值修約等所導致的不確定度分量[４Ｇ６].在穩(wěn)定的環(huán)境條件下,環(huán)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(jīng)過專門的檢定 機 構 檢 驗 合 格 的,其 測 量 允 許 誤 差 滿 足GB/T４３４０．２－２０１２«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(shù)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

２．３．１ 硬度計最大允許誤差引入的相對標準不確定度分量uref,E以３５０HV５,即４９．０３５N 載荷、３５０ HV 硬度為例,根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９第５．１款規(guī)定,硬度計應 符 合 GB/T４３４０．２－２０１２ 的 規(guī) 定.查 GB/T４３４０．２－２０１２中表５得,４９．０３５N,３５０HV 時,硬度計的最大允許誤差Eref＝±３％,半寬a＝ Eref .由于硬度計的最大允許誤差引入的不確定度屬于均勻分布,

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,CRMGB/T４３４０．２－２０１２規(guī)定,標準硬度塊應符合GB/T４３４０．３－２０１２«金屬材料 維氏硬度試驗 第３部分:標 準 硬 度 塊 的 標 定»第 ７．２ 款 的 規(guī) 定. 查GB/T４３４０．３－２０１２中表 ４ 得,４９．０３５ N,３５０ HV時,標準 硬 度 塊 最 大 允 許 值 Jrel ＝１％,半 寬 a＝Jrel /２.硬度塊的不均勻性是最大值與最小值的差,屬于反三角正弦分布,k＝√2 ,則

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根據(jù) GB/T４３４０．１－２００９第５．３款,壓痕測量裝 置 應 符 合 GB/T ４３４０．２－２０１２ 的 規(guī) 定. 查GB/T４３４０．２－２０１２中表 ３ 發(fā)現(xiàn),壓痕測量裝置的分辨 力 是 由 壓 痕 對 角 線 長 度 確 定 的.４９．０３５ N,３５０HV時,由 式 (１)計 算 得 d ＝０．１６２８ mm,０．０４０mm＜d≤０．２mm,此時壓痕測量裝置的分辨力為０．５％d,半寬a＝分辨力/２.由于壓痕測量裝置的分辨力引入的不確定度屬于均勻分布,k＝√3所以

２．３．４ 數(shù)值修約引入的相對標準不確定度分量uref,rou CNASＧGL１０:２００６«材料理化檢驗測量不確定度評估 指 南 及 實 例»中 表 ４Ｇ１８ 查 得,４９．０３５ N,３５０HV時,修 約 間 隔 導 致 的 不 確 定 度 urou ＝０．２９HV,則

２．４ 合成標準不確定度的評定由于以上分量相互獨立,所以相對合成標準不確定度

按 照 JJF １０５９．１－２０１２ 的 規(guī) 定 和 GB/T４３４０．１－２００９的要求,最終報告的測量不確定度有效數(shù)字保留到個位,并按照 GB/T８１７０－２００８«數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定»對測量結果進 行 數(shù) 值 修 約. 所 以,合 成 標 準 不 確 定 度uc＝０．０１７９×３５０＝６．２６５≈６HV.

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＝１２HV.

２．６ 測量不確定度報告

   按照JJF１０５９．１－２０１２ 中 第 ５ 款“測 量 不 確定度的報告與表示”的規(guī)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 ＝３５０HV,U ＝ １２HV,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(shù) 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(３５０HV),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.

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(shù)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(３５０HV),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.

（文章來源：材料測試網(wǎng)-理化檢驗-物理分冊）