40Cr13 不锈钢板维氏硬度测量不确定度的评定

刘琳静，陈家欣

（1. 湖南生物机电职业技术学院机电工程学院，湖南 长沙410126；2.广东省阳江市质量计量监督检测所，广东 阳江529500）

所有的测量结果都具有不确定度[1]，测量过程中的随机效应及系统效应均会导致测量不确定度，测量不确定度通常由测量过程的数学模型和不确定度的传播率来评定[2]。测量结果的不确定度反映了对被测量之值的认识不足，借助于已查明的系统效应对测量结果修正后，所得的只是被测量的估计值，而修正值的不确定度以及随机效应导致的不确定依然存在。通过识别影响测量结果不确定度的主要因素，从而注意对这些因素加以控制，对提高测量准确度很有实际意义。硬度是金属材料机械性能的一项重要指标。文章对40Cr13 不锈钢板的金属维氏硬度（HV0.3）测量结果不确定度进行分析评定，为检测工作中的硬度测量不确定度的评定提供参考和借鉴。

1 概 述

1.1 测量依据

GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》[3]

GB/T4340.2-2012《金属材料维氏硬度试验第2部分：硬度计的检验》

GB/T4340.3-2012《金属材料维氏硬度试验第3部分：标准硬度块的标定》

1.2 环境条件

根据GB/T4340.1-2009 试验方法标准的规定，实验室温度符合标准要求的10℃～35℃，本次试验的温度为24℃，相对湿度58%。

1.3 测量设备

本次试验采用的测量设备是DM-2D 显微维氏硬度计，仪器经过计量部门检定合格，其准确度满足标准GB/T4340.2-2012 的规定。本次试验选用的试验力为28.4N，保荷时间10s。

1.4 试验样品

本次试验的样品是40Cr13 不锈钢板。

1.5 测量过程

根据标准GB/T4340.1-2009，在规定的环境条件下，对试样借助于计量合格的维氏硬度计，选用方法标准规定的合适的试验力和压头下降速度，采用标准规定的试验力保持时间，仪器自动计算得出维氏硬度值。

2 不确定度的来源

维氏硬度计的不确定度主要来源于标准硬度块测量硬度计、测量重复性的不确定度、标准硬度块均匀性、最大允许误差、测量系统压痕分辨力以及修约引起的不确定度。

3 不确定度分量的评定

3.1 用标准硬度块（764HV0.3）测量硬度计的平均值的标准不确定度

严格按照标准GB/T4340.1-2009 规定的方法在标准硬度块上重复进行5 次测量，其原始测量数据见表1。

表1 试验重复性测量数据机计算结果

检定结果的标准偏差用极差法计算，SH=R/C（R是极差，当n=5 时，极差系数C=2.33），则：

评定五次测量的标准不确定度为：

3.2 对试样测量重复性的标准不确定度

40Cr13 不锈钢板试样用维氏硬度计检测的平均值的标准不确定度uH如表2 所示：

表2：40Cr13 不锈钢板试样测量数据及计算结果

对40Cr13 不锈钢板试样重复测量的标准偏差用极差法计算，当n=5 时，极差系数C=2.33，

评定单次测量的标准不确定度为Ux=Sx=20/2.33=8.58。

3.3 标准硬度块的标准不确定度UCRM

根据标准GB/T4340.3-2012，对于HV0.2～HV5范围内，当标准块硬度值＞225 时，标准硬度块均匀度的最大允许值为2.0%，则：

3.4 最大允许误差下的标准不确定度

根据标准GB/T4340.2-2012，764HV0.3 硬度下Erel=±4%，则：

3.5 测量系统压痕分辨力的标准不确定度

根据标准GB/T4340.2-2012，压痕0.040≤d≤0.200mm 时，测量装置分辨力±0.5%d，

3.6 修约引起的标准不确定度

当HV 大于100 时，修约区间为1.0，服从均匀分布，区间半宽则标准不确定度

4 扩展标准不确定度

因引入的不确定度分量彼此独立不相关，且根据数学模型，传播系数所以按照分量方和根的公式进行合成。取置信概率约为95%，包含因子k=2，则扩展不确定度为：

5 测量结果及其不确定度

试样的维氏硬度测得值为698.4HV0.3，测得值相对扩展不确定度为Urel=42.82HV，k=2。修约后的测量结果

6 结 论

从不确定度的评定计算分析可知，维氏硬度计的精确度是引起不确定度的重要因素，由标准硬度块引入的不确定度和测量重复性引入的标准不确定度都不可忽视，压痕测量系统分辨力引起的标准不确定度较小，而修约引起的标准不确定度很小，基本可以忽略不计。因此，在检测过程中，首先要选用合适的精密的硬度计和均匀性好的标准硬度块，其次检测人员要具备熟练的操作技能，并对影响测量结果的主要分量加以控制，来提高检测结果的准确性，不断提高检测结果质量水平。