金属材料维氏硬度试验测量不确定度的评定

宋建利

（中国航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司， 陕西 西安 710089）

不确定度存在于任何结果中。测量不确定度是指合理赋予被测量值的分散性，用来表示测量结果的可信度。即越小的不确定度表示测量结果可信度越大，测量结果的水平越高。在常规力学性能的检验中，维氏硬度试验是主要项目之一。目前工业中应用的绝大部分金属材料都可以利用维氏硬度试验来测量。从几个维氏硬度单位的很软的材料到三千个维氏硬度单位的硬材料都可测量。小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件、薄片材料、刀刃、牙科材料的硬度。显微维氏硬氏试验主要用来测量金属组织中各组成相的硬度，还可以用来测试极小或极薄零件的硬度。零件厚度最薄薄至3 μm。因此，通过维氏硬度试验测量不确定度的正确评定具有十分重要的意义[1]。

1 金属材料不确定度分析概述

1）测量方法：维氏硬度试验采用GB/T 4340.1—1999金属维氏硬度试验第1部分的试验方法进行实验。

2）环境条件：在没有另行规定的情况下，试验的环境条件通常是室温10～35℃。

3）测量设备：本文试验环境条件是27℃。应采用有关计量部门确定合格的维氏硬度计进行测量，测量设备的精确度符合国家相关标准，本文采用的测量设备是HV-5维氏硬度计。

4）被测对象：符合国家相关标准的金属材料硬度试样。

5）测量过程：在固定的环境条件下，借助符合国家标准的维氏硬度计，采用合适的试验力和压头下降速度，保持规定的试验力作用时间及压痕测量装置放大倍数测试满足标准要求的金属材料维氏硬度试样的压痕对角线平均值，借助检查表或计算获得试样的硬度值。该维氏硬度试验测量不确定度评定的方法与结果可提供给各检测实验室作为参考，可以根据试验过程中使用的硬度值范围、硬度计、试验力等条件选择使用不确定度评定方法与其中一部分结果[2]。

2 测量不确定度主要来源分析

主要来源：操作人员在测量压痕对角线长度d1和d2和均值d时带来的标准不确定度；试验力值F的误差带来的不确定度分量；测量结果进行数值修约所带来的不确定度分量；标准硬度块不均匀度带来的不确定度分量；测量装置允许误差所带来的不确定度分量；金刚石压头的两相对面夹角误差带来的不确定度分量。其中，压痕对角线长度d1和d2的算术平均值d的测量误差带来的不确定度分量，包括压痕测量装置的误差带来的不确定度和压痕尺寸重复测量带来的不确定度。其中一部分分量又包含操作人员在测量过程中产生的误差及硬度计测量误差带来的不确定度分量。除此以外，还有加力速度和时间、试验温度、试样状态、试验力保持时间等因素带来的不确定度分量。但是，想要量化这些因素带来的不确定度分量很难，因此，在具体的检测工作中，只要检测时按照相关标准严格进行，就可以忽略这些不确定度分量[3]。

3 合成标准不确定度的计算

由于试验力F值测量误差带来的不确定度分量、压痕对角线长度d1和d2的测量误差带来的不确定度分量以及硬度测试值进行数值修约所导致的不确定度分量是独立不相关的。因此，可用下列公式计算合成标准不确定度：

4 扩展不确定度的评定

5 结语

综上所述，应根据维氏硬度的计算公式计算出各个不确定度分量的传播系数，然后可计算出合成不确定度，而不应该将其各不确定度分量平方和后计算合成不确定度。因为仅当被测量为相互独立的输入量的线性函数时，其传播系数为+1或-1，此时才能够将各不确定度分量平方和后计算合成不确定度。在评定维氏硬度试验测量不确定度时，应该排除某些偏离两压痕对角线平均值的数值，以保证评定结果的准确性。在规定条件下得到的不确定度数据可以用于日后的规范化检测工作，无需每次测试都进行评定。而如果条件变化，则需要重新平等测量不确定度，在评定合成不确定度时，应根据维氏硬度的计算公式计算各不确定度分量的传播系数，然后计算合成不确定度。

[1] 季京，陈卓人，魏毅静，等.金属维氏硬度试验测量不确定度的评定[J].宝钢技术，2005（6）：42-45.

[2] 王承忠.材料理化检验测量不确定度评定方法的研究[J].理化检验 - 物理分册，2007，43（6）：282-286.

[3] 侯婷，贾舒.金属材料维氏硬度试验测量不确定度的评定[J].汽车零部件，2013（5）：37-38.

[4] 苏洪英，吕丹，杨承波，等.金属材料维氏硬度试验测量不确定度的评定[J].物理测试，2008，26（1）：41-43.