显微维氏硬度值测量的不确定度
显微维氏硬度块测量不确定度评定
显微维氏硬度块测量不确定度评定李卫军;文光平;侯春梅【摘要】基于美标ASTM E384-2016的试验方法,结合JJG148-2006《标准金属维氏硬度块》国家计量检定规程,给出了显微维氏标准硬度块测量不确定度评定的一种方法.以标准块V0405-010(标准值为759HV0.3)为例,按规程的测量条件和方法,对其测量不确定度进行了系统的评定.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)023【总页数】3页(P209-211)【关键词】维氏硬度块;显微硬度;不确定度【作者】李卫军;文光平;侯春梅【作者单位】中国航发西安航空发动机有限公司技术中心材料检测处,西安710021;中国航发西安航空发动机有限公司技术中心材料检测处,西安710021;中国航发西安航空发动机有限公司技术中心材料检测处,西安710021【正文语种】中文【中图分类】TH8710 引言对于材料的物理或化学特性进行检测或测量时，任何方法和仪器设备的测量结果，始终存在着不确定性[1]。
因此，人们对于不同测量系统的不确定进行了系统的研究。
金属材料的硬度试验中应用到的标准硬度块也同样存在着测量不确定度。
一般标准硬度块采用优质材料制成，可保证硬度值的可靠性和稳定性。
作为反映硬度块本身的一个技术指标——测量不确定度，将直接影响到对硬度计的测量结果的可信度。
测量不确定度的推广和应用已经成为各类认可、认证机构、质量技术部门和检测实验室关注的焦点之一，本文依据CNAS审核中的《测量不确定度要求》，《测量不确定度要求的实施指南》和《材料理化测量不确定度评估指南及实例》，以及标准JJF-1001-2011[2]《通用计量术语及定义》和JJF 1059—1999[3]《测量不确定度评定与表示》，以及JJG148-2006[4]《标准金属维氏硬度块》国家计量检定规程对金属标准块的显微维氏硬度检测中的测量不确定度进行了研究。
1 测量条件及方法依据美标ASTM E384-2016[5]中对显微维氏硬度的要求，标准硬度块的测量环境条件：温度为（23±5）℃，相对湿度（无凝结）为40%-70%。
维氏硬度试验测量不确定度的评定
维氏硬度试验测量不确定度的评定一、维氏硬度试验概述试验采用上海材料试验机厂生产的数显小负荷维氏硬度计HVs-10， 依据 GB ／T 4340．1-2009《金属材料维氏硬度试验方法第1部分》，对2.1×63Y 铜带在HV 5/30条件下进行试验，测得维氏硬度值HV 5/30。
二、计算公式维氏硬度值HV 5由设备自动计算显示, 所以每个压痕点的硬度Y 直接由硬度计的示值x 给出, 即Y =x 。
三、测量结果在载荷为5000g 、持续时间为15S 的条件下对2.1×63Y 铜带进行连续3次测量，测量值x 分别为x 1=170 HV 5,x 2=173 HV 5,x 3=170 HV 5,根据Y =x 得到Y 1=170 HV 5,Y 2=173 HV 5,Y 3=170 HV 5四、测量不确定度来源的分析维氏硬度值Y 的不确定度来源有如下5项:(1)测量重复性引入的不确定度；(2) 硬度计引入的不确定度；(3）修约引入的不确定度；(4）温度影响引入的不确定度；（5）样品平整性引入的不确定度。
五．标准不确定度分量的评定5.1 维氏硬度值Y 测量重复性引入的标准不确定度评定, u A在载荷为5000g 、持续时间为15S 的条件下对样品进行连续10次测量 重复性硬度计最大允许偏差修约 Y环境平整性载荷为5000g 、持续时间为30S 的条件下对样品进行连续10次测量，数据如下： 次数1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 测量值（HV 5） 214 212 216 215 215 213 214 212 214 216平均值(HV 5） 214.1 应用贝塞尔公式计算单次测量的实验标准差:=--=∑=1)()(12n Y Y Y s n i i i i 1.42 HV 5由于2.1×63Y 铜带的维氏硬度值Y 由1次测量结果给出，所以由重复性引入的标准不确定度A u 等于单次测量的标准偏差)(i Y s ：A u (Y )=)(i Y s =1.42 HV 55.2 硬度计引入的标准不确定度的评定:根据GB ／T 4340．2-1999《金属材料维氏硬度试验方法第2部分》的规定, 检定合格的硬度计在100-200 HV 5时最大允许偏差为±3%，服从均匀分布,其区间半宽为a=3%,k =3，因此使用该设备测量金属维氏硬度时引入的标准不确定度513%170()3B HV u Y ⨯==2.94 HV 5 523%173()3B HV u Y ⨯==3.00HV 5 533%170()3B HV u Y ⨯==2.94HV 55.3 由修约引入的不确定度1）当检测结果在100HV 5以上修约至1 HV 5，服从均匀分布，其区间半宽为a=0.5 HV 5,k =3 其不确定度为：1B u =50.5HV 3=0.29 HV 52）当检测结果在100HV 5以下修约至0.1HV 5，服从均匀分布，其区间半宽为a=0.05 HV 5，k =3其不确定度为：2B u =50.05HV 3=0.029 HV 5 由修约引入的不确定度为：2212B u u B u B =+=0.29 HV 55.4环境影响引入的不确定度 在试验过程中对环境因素进行严格控制，使之符合试验要求，因此，环境影响引入的不确定度忽略不计。
金属材料维氏硬度试验检测结果测量不确定度的评定
金属材料维氏硬度试验检测结果测量不确定度的评定1 概述1.1 测量方法依据G B/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》。
1.2 评定依据ISO/IEC 17025:2005《检测和校准实验室能力的通用要求》；《JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示》；GB/T 4340.2-2009《金属维氏硬度试验第 2 部分：硬度计的检验》；GB/T 3101-1993《有关量、单位和符号的一般原则》；GB/T 8170-2008《数值修约规则》。
1.3 环境条件根据GB/T 4340.1-2009 试验方法标准的规定，试验一般在室温10 ℃～35 ℃范围进行(除非另有规定)。
本例评定的试验温度为26 ℃±2 ℃，湿度为60％RH。
1.4 测量设备应采用经计量部门检定合格的维氏硬度计，其准确度必须满足G B/T 4340.2-2009 的规定。
本例使用经计量单位检定合格的F V-700 型（日本）硬度计。
1.5 被测对象采用满足国家标准G B/T 4340.1-2009 要求的金属材料维氏硬度试样。
1.6 测量过程根据G B/T 4340.1-2009，在规定环境条件下，对于满足标准要求的金属材料维氏硬度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及合适的压痕测量装置放大倍数测试压痕对角线平均值，通过查表或计算得到所测硬度值。
作为实例，本文选用98.07 N 试验力、力保持时间为15 秒，在自动加力的情况下，测定维氏硬度值（HV10）。
2 建立测量模型根据G B/T 4340.1-2009 标准，维氏硬度测试原理的测量模型为：(1)式中F ―试验力，Nd ―两压痕对角线长度d1 和d2 的算术平均值，mm3 测量不确定度来源的分析和d2 算术平均值d的测量误差引起的不确定度主要来源：两压痕对角线长度d1分量；试验力值误差所引起的不确定度分量；测量结果进行数值修约所导致的不确定度分量。
金属标准块显微维氏硬度检测中的不确定度评定
块的显微维 氏硬度检测 中的不确定度进行研究 。 二 概述
Ｈ Ｖ １０２ 于２Ｆｓｉｎ１３６０ ０ Ｆ
Ｈ ０ — —
１８９１
．
ｄ
１ 测量依据：ＧＢ／Ｔ ４３４０。１—２００９《金属材料维氏硬度试验 第１
式 中 ，Ｆ为试 验 力 （Ｎ），ｄ为 两 压 痕对 角 线 长度 ｄ 和 ｄ。
企业专栏
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金属 标准块显微维 氏硬度检 测 中的 不 确 定 度 评 定
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一 前 言 进行 任何一 种测 量 ，都希望 获得 可靠 的测量 结果 。但
硬 度 范 围 （２００－３００） ＨＶＯ．０５
一
＇
ｙ的灵敏系数 Ｃ ＝ ｕ ｙ＝１
（２）试验力级数 ：０．０２５，０．０５，０．１，０．２，０．３，０．５，１ｋｇｆ
四 测量不确定度的来源及估算
（３）示 值 允许 误 差 范 围
ห้องสมุดไป่ตู้
在测量过程 中，对金属标准硬块维 氏硬度测量不确定度
现代传输 ｌ ３１
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（４）试件最大高度 ：７０ｍ
理的赋予被测量之值 的分散性与测量 结果相联 系的参数 。同
（５）测微鼓轮 最小分度值：０．２５ＩＪ ｍ
时，许 多检测实验室根据 ＩＳＯ／ＩＥＣ１７０２５：２００６标准和 《实验
４ 对象：金属标准硬度块 ，样品名Ｖ１１９—１５３
室资质认定评审准则》要求进行试验室管理 的认可及资质认
示 值 允 许 误 差 ± ５．０％
贵金属显微维氏硬度检测中的不确定度研究
摘 要： 通过分析贵金属显微硬度检测中的不确定度 ，计算 了 各不确定度分量所 占的权重，从 而得 到了Ｈ Ｖ０ ２ （ ５ ７ ． １ ０ － ３ ０ ９ ） 范 围内的相对 不确 定度 为 １ ． ２ ２ ％－ ６ ． ２ ８ ％。 关键词 ： 金属材料；不确定度 ；显微硬度；贵金属 中 图分 类号 ：Ｔ Ｇ１ １ ３ ． ２ ５ １ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ ４ — ０ ６ ７ ６ （ ２ ０ １ ３ ） Ｓ １ ． ０ １ ８ ３ － ０ ３
Ｓ ｉ ｎ ｏ — Ｐ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｕ ｍ Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｋｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ ６ ５ ０ １ ０ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｔ ｙ ｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｈ ａ ｒ ｄ ｎ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗａ ｓ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｓ
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ Ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｕ ｍ Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ ，
２ 结果与讨论
２ ． １ 不确定度测试分析过程 中的影响因素分析 显 微 硬度 测 试 过 程 中的数 学 公 式 是 取 ） ， 代表 硬度 测量 中样 品的硬度 测量值 ， ） 代表 根据 半
韦氏硬度计测量结果的不确定度评定-最终
1.概述1．1测量依据：JJG944－2013《金属韦氏硬度计》1.2测量环境条件：室内温度（23±5）℃，相对湿度不超过70%。
1.3测量标准：标准韦氏硬度块，（均匀度：≤0.5HW ，稳定度：≤0.3HW ） 1.4测量方法：握紧韦氏硬度计上、下手柄，在标准韦氏硬度块的工作面上均匀分布测定五点，计算出韦氏硬度计算术平均值，其与标准韦氏硬度块的硬度值之差为韦氏硬度计的示值误差。
两相邻压痕中心之间的距离及压痕中心与标准块边缘的距离分别不小于6mm 和3mm 。
1.5测量对象：韦氏硬度计，测量范围：（5～18）HW ，MPE ：±1.0HW 。
2．数学模型式中：δ－被测韦氏硬度计的示值误差HW HW －韦氏硬度计的示值HW HW b －－标准韦氏硬度块的示值HW3．方差与灵敏系数 3.1方差：由（1）式得3.2灵敏系数4．计算分量标准不确定度4.1示值重复性测量引入的不确定度分量（A 类评定）将韦氏硬度计用硬度值为15.6HW 的标准韦氏硬度块重复进行10次测量，重复性测量 结果如下：（单位：HW ）222221212)(u c u c u c +=δ)4(1/)3(1//21-=∂∂==∂∂=∂∂=b ii HW c HW c x f c δδbHW HW -=δ其算术平均值22.1511==∑=ni i X n X HW单次实验标准差28.01)(12=--=∑=n X Xs ni iHW实际测量情况，在重复条件下连续测量5次，以该5次测量值的算术平均值作为测量结果，可得到12.0528.051===s u HW4.2标准韦氏硬度块引入的不确定度分量根据标准韦氏硬度块检定证书给出的均匀度为0.4HW,得：12.0324.02==u HW4.3由韦氏硬度计示值分辨力引入的不确定度分量 韦氏硬度计分辨率为0.1HW ，则带来的标准不确定度为06.031.03==u HW5．合成标准不确定度6．扩展不确定度k ＝2 7、测量不确定度汇总和报告HW18.006.012.012.0222232221=++=++=u u u u c HW4.018.02=⨯==c ku U测量不确定度一览表。
维氏硬度计的测量不确定度评定
文件制修订记录1. 目的本文件用于维氏硬度计校准过程中，测量设备、人员、环境条件的等因素引起的不确定度评定，使计量人员能够准确、有效地评定维氏硬度计的测量结果不确定度。
2. 适用范围本文件适用于实验室所有维氏硬度计的测量结果不确定度评定。
3. 引用文件GJB 3756-1999《测量不确定度表示与评定》 JJG151《金属维氏硬度计检定规程》4. 测量方法（JJG151《金属维氏硬度计检定规程》）用符合要求的标准硬度块对维氏硬度计进行示值测量，在每个硬度块上测量5次，5次测量的算术平均值和硬度块标准值之差即为硬度计的示值误差。
下面针对不同标尺示值误差的测量不确定度进行评定。
5. 数学模型 数学模型b m H H h -=∆式中: h ∆——硬度计示值误差； H m ——硬度计示值的算术平均值； H b ——硬度块的标准值。
各输入量的灵敏系数为:6、各输入量的标准不确定度分量的评定 6.1输入量H m 的标准不确定度分量u （H m ）输入量H m 的不确定度主要是硬度计重复性引起的，来源于硬度计和标准硬度块的均匀度两个因素，由于硬度计示值是硬度计在标准硬度块上的不同区域测量得到的结果，其测量特殊性是不能再同一点重复测量，所以我们用硬度块的均匀度和硬度计的分辨力进行计算。
（1）分辨力导致的不确定度分量u 1硬度计的分辨力为1HV ，估计为均匀分布，取k ＝3，则分辨力带来的标准不确定度分量为：u 1＝1HV/23＝0.3HV1H Δhm 1=∂∂=c 1H Δh b2-=∂∂=c（2）硬度块均匀度导致的不确定度分量u 2根据硬度块的证书，以790HV1为例，其均匀度为0.6%，估计为均匀分布，取k ＝3，则硬度块均匀度带来的标准不确定度分量为：u 2＝790HV1×0.6%/3＝2.7HV 其他硬度值不确定度分量u 2见表1。
表1(3) 输入量H m 的标准不确定度分量u （H m ）u 2（H m ）= u 12 +u 22则不同硬度值下的标准不确定度分量u （H m ）见表2。
维氏硬度试验的测量不确定度评定
THESIS技TH论坛维氏硬度试验的测量不确定度评定虞祯君张弊(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海200438)摘要：维氏硬度试验的测量不确定因素主要来源于待测试样、标准硬度块、试验人员、硬度计等方面。
依据GB/T4340.1—2009标准，并结合实际情况，评定了维氏硬度试验测量的不确定度。
结果表明，在评定硬度计的测量误差时，系统误差方法获得的标准不确定度分量小于最大允许误差方法获得的标准不确定度分量。
通过本次对不确定度各分量的评定可以看出，维氏硬度试验的不确定度主要来自于硬度计、待测试样和标准硬度块引入的不确定度分量，试验人员引入的不确定度分量较小，因此在日常测试中，除了严格按照标准进行试验外，实验室还应关注设备的计量和维保、试样的前期制备、标准硬度块的采购与保存。
关键词：维氏硬度试验;测量不确定度；不确定度分量；扩展不确定度0前言维氏硬度试验是金属材料失效分析、材质分析中必不可少的测试项目之一，不仅可以测试目前工业上所用到的几乎所有金属材料的硬度而且还可以对热处理材料的硬化层深度进行测试。
维氏硬度的试验原理是用一定的试验力将顶部两相对面具有规定角度(136°)的正四棱锥体金刚石压头压入待测试样表面，保持规定时间后卸除试验力，测量残留在试样表面菱形压痕的两对角线长度，维氏硬度计算公式如下.136°2Fsin—FHV=0.102------=0.1891韦(1)a a式中：HV为维氏硬度值;F为试验力(N)；d为两压痕对角线的平均长度(mm)。
测量不确定度与测量结果相关联，用于表征被测量值的分散性阂，测量不确定度越小，测量结果与被测量的真值越接近，测量结果越可靠。
测量不确定度的评定越来越受到实验室的关注和重视。
本文详细介绍了维氏硬度试验测量不确定度的评定过程，并指出了日常工作中的注意事项，以保证维氏硬度试验的准确可靠。
1试验方法与模型建立试验设备采用了Wilson Tukon2500维氏硬度计。
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硬度值测量的不确定度
◆ 引言
随着硬度试验方法的不断健全和完善，依据和参照的国标也日渐成熟和规范，国标在明确试验方法的同时也给出了测量不确定度的评定方法，使得标准更加清晰和实用。
在国标GB/T 4340-2009的第一部分附录D 中，明确给出了测量结果的不确定度的评定方法和步骤：一是简化方法，即不考虑硬度计的系统误差而采用极限误差的计算方法，这也是最常用的方法；二是考虑系统误差的计算方法。
本文将参考这两种评定方法对显微维氏硬度计的不确定度进行评定。
◆ 试验过程描述
利用维氏硬度计对731 HV1的标准硬度块进行测量，测量结果的硬度值分别为740.4HV1、724.7 HV1、735.7 HV1、736.6 HV1、736.7 HV1、742.4 HV1、736.4 HV1、738.7 HV1、749.7 HV1、745.6 HV1。
试样的测量值为732.4 HV1、728.9 HV1、737.3 HV1、729.7 HV1、738.1 HV1。
◆ 数学模型
22136s 2102.0d
in F X HV = ()HV HV E CRM ms H x Y X δδδδδ=+++++
式中：HV Y 为维氏硬度实际值；HV X 为维氏硬度测量平均值；F 为试验力；d 为两压痕对角线长度d 1和d 2的算术平均值；δE 、δCRM 、H δ、x δ、δms 为测量过程中产生的各项误差。
不确定度的来源及计算
1. 重复测量引入的不确定度：
x u ==1.8 HV1
2. 用标准硬度块检定的平均值的标准不确定度：
1n i
i H H n
==∑=738.7 HV1
单个测得值的标准偏差(H)s ==6.7 HV1
试样测量重复性的标准不确定度：
H u = =2.1 HV1 3. 最大允许误差引入的标准不确定度u E
该方法不考虑硬度计的系统误差，而直接引入硬度计示值的最大允许误差。
已知标准硬度块的标准值为731 HV1，根据国标GB/T 4340.2-2009表5中的规定，此硬度范围内，硬度计示值的最大允许误差为±5.3%，则
22.41E u x u HV •=== 4. 标准硬度块引入的标准不确定度u CRM
已知标准硬度块的标准值为731 HV1，根据国标GB/T 4340.3-2012表4中的规定，此硬度范围内，标准硬度块不均匀性最大允许值为压痕r rel =2.0%。
(HV)2()rel rel u u d =⨯
()2%731210.32.83
CRM d u =⨯⨯= HV1 5. 硬度计压痕测量装置的分辨率引入的标准不确定度ms u
已知硬度计压痕测量装置的分辨率为0.0001mm ，根据国标GB/T 4340.2中的规定，压痕0.0400.200mm d mm ≤ 时，测量分辨力为±0.5%d ，则压
痕测量装置的分辨率引入的标准不确定度为：
(d)rel u =
(HV)2(d)rel rel u u =⨯
2731
ms u =⨯ =1.7 HV1 6. 合成标准不确定度
c u =
==24.9 HV1
7. 扩展不确定度
取包含因子k = 2，则扩展不确定度U = 2u c = 2 × 24.9 = 49.8 HV1 测量结果表示为：
(73350)HV1;(k 2)X x U =±=±=。