張 潔, 張祥瑞, 何國強, 尹孝輝

(安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院, 馬鞍山 243002)

雙相鋼板在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，DP780鋼作為高強雙相鋼的主要品種,在實現(xiàn)車身輕量化的汽車工業(yè)中具有十分可觀的應(yīng)用潛力[1]。研究板材連接技術(shù)對實現(xiàn)DP780高強雙相鋼生產(chǎn)應(yīng)用意義重大，其中電阻焊由于具備理想的經(jīng)濟性和穩(wěn)定的焊接接頭力學性能等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，而焊接接頭的失效模式與其顯微硬度密切相關(guān)，因此，需要全面且準確地測量焊接接頭截面的顯微硬度[2]。

維氏硬度測量不確定度的評定是維氏硬度數(shù)據(jù)準確、可靠的保證。測量不確定度是用來表征被測量值分散性的一個定量概念，取代了過去的模糊概念誤差一說，讓檢測工作更加規(guī)范和精準。通常不確定度越小，說明試驗室檢測水平越高[3]。

試驗室應(yīng)該具有對每一項有數(shù)值要求的測量結(jié)果進行測量不確定度評定的能力[4]。維氏硬度是材料力學性能測試的一項重要指標，其原理是將待測試樣打磨后在136°正四棱錐體金剛石壓頭下保持一定的時間后卸載，通過用測試力除以壓痕的面積計算得到該處的維氏硬度[5]。該檢測過程涉及到測量與計算,目前對于DP780高強鋼電阻焊接頭維氏硬度試驗測量不確定度評定工作的研究較少，而對維氏硬度測量進行不確定度評定工作可驗證試驗數(shù)據(jù)的科學性。

筆者利用型號為430SVD的數(shù)顯顯微硬度計通過直接評定法分別在DP780高強鋼電阻焊接頭的母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)各選擇一個壓痕進行維氏硬度測量和不確定度評定，詳細地介紹了評定步驟，分析了維氏硬度測量不確定度的影響因素，驗證了試驗室的檢測水平，為維氏硬度的測量不確定度評定工作提供參考。

1 維氏硬度試驗方法

試驗采用430SVD型數(shù)顯顯微硬度計，以DP780高強鋼的電阻焊接頭作為試驗材料，按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的規(guī)定，維氏硬度試驗應(yīng)在10～35 ℃下進行[6]，該組試驗在20 ℃(環(huán)境溫度)下進行，試驗力為9.8 N，壓力保持時間設(shè)定為10 s，為獲得科學可靠的數(shù)據(jù)，該組試驗選用人工聚焦、人工測量模式，由試驗室3個檢測人員分別對DP780高強鋼的電阻焊接頭母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)壓痕分別進行3次測量，然后通過直接評定法對該維氏硬度試驗進行測量不確定度評定。

2 建立數(shù)學模型

經(jīng)過科學分析，維氏硬度測量不確定度主要包括以下幾種不確定度分量，兩壓痕對角線長度算數(shù)平均值d的測量誤差不確定度分量u1(d)；壓痕測量裝置允許誤差不確定度分量u2(d)；硬度計加載裝置不確定度分量UE；數(shù)值修約不確定度分量Urou。其中兩壓痕對角線長度算數(shù)平均值d的測量誤差不確定度分量用A類方法評定，其他不確定度分量用B類方法評定。

依據(jù)標準GB/T 4340.1-2009構(gòu)建的維氏硬度數(shù)學模型為

(1)

式中:HV為維氏硬度;F為試驗力;d為壓痕直徑的算數(shù)平均值。

3 測量不確定度評定

3.1 母材維氏硬度測量不確定度評定

3.1.1 分量的不確定度評定

試驗室3個檢測人員分別對DP780高強鋼接頭母材的同一壓痕各進行3次測量，結(jié)果如表1所示，表中：d1為壓痕直徑1的測量結(jié)果；d2的為壓痕直徑2的測量結(jié)果。此次壓痕對角線長度測量偏差較小，數(shù)據(jù)全部可以使用。

表1 不同檢測人員測得的母材壓痕對角線長度結(jié)果Tab.1 Results of indentation diagonal length in base metal measured by different testers mm

(1) 兩壓痕對角線長度算數(shù)平均值d的測量誤差引入的不確定度u1(d)

該組試驗n=9，自由度γ=n-1=8。

(2) 壓痕測量裝置引入的不確定度u2(d)

u1(d)和u2(d)分量不相關(guān)，故兩壓痕對角線長度d1和d2的算數(shù)平均值d測量誤差的標準不確定度合成為

(2)

表2 壓痕測量裝置允許誤差所引起的不確定度分量u2(d)Tab.2 Uncertainty component u2(d) caused by allowableerror of indentation measuring device

(3) 硬度計加載裝置引入的不確定度UE

(4) 數(shù)值修約引入的不確定度Urou

由《材料理化檢驗測量不確定度評估指南及實例》[9]中表4-18查得，當試驗力為9.8 N，維氏硬度為317 HV時，取修約間隔δ為1，數(shù)值修約不確定度Urou=0.29×δ=0.29。

3.1.2 合成標準不確定度Uc(HV)

以上分量相互獨立，根據(jù)傳播公式其相對合成標準不確定度為

(3)

式中:uc(HV)為合成標準不確定度；uc(xi)為測量分量xi的不確定度。

對式(1)構(gòu)建的數(shù)學模型進行偏導(dǎo)運算可得：

(4)

合成標準不確定度為

(5)

試驗力F為定值9.8 N,將已經(jīng)評定的不確定度分量u(d)，UE1，Urou代入式(5)，計算得到母材維氏硬度測量不確定度的合成標準不確定度uc(HV)=4.35 HV。

3.1.3 拓展不確定度評定

取包含因子k=2，拓展不確定度U=2Uc=8.7 HV,根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》和GB/T 4340.1-2009的要求，最終測量的不確定度有效數(shù)字保留到個位，現(xiàn)對測量結(jié)果進行數(shù)值修約，該次試驗評定出的拓展不確定度U=9 HV。

3.1.4 置信區(qū)間

試驗DP780高強鋼接頭母材的同一壓痕維氏硬度算數(shù)平均值為317 HV，故最終置信區(qū)間為(308 HV，326 HV)，符合GBT 4340.2-2012中表5規(guī)定的硬度計最大允許誤差不超過±3%范圍的要求[10]。

3.2 熱影響區(qū)維氏硬度測量不確定度評定

3.2.1 分量的不確定度評定

試驗室3個檢測人員分別對DP780高強鋼電阻焊接頭熱影響區(qū)的同一壓痕各進行3次測量，結(jié)果如表3所示。因為壓痕對角線長度偏差較小，數(shù)據(jù)全部可以使用。

表3 不同檢測人員測得的熱影響區(qū)壓痕對角線長度結(jié)果Tab.3 Results of indentation diagonal length in heat affected zone measured by different testers mm

(1) 兩壓痕對角線長度算數(shù)平均值d的測量誤差引入的不確定度u1(d)

該組試驗n=9，自由度γ=n-1=8。

(2) 壓痕測量裝置引入的不確定度u2(d)

表4 壓痕測量裝置允許誤差所引起的不確定度分量u2(d)Tab.4 Uncertainty component u2(d) caused by allowable errorof indentation measuring device

(3) 硬度計加載裝置引入的不確定度UE

(4) 數(shù)值修約引入的不確定度Urou

由《材料理化檢驗測量不確定度評估指南及實例》[9]中表4-18查得，當試驗力為9.8 N，維氏硬度為344 HV時，取修約間隔δ為1，數(shù)值修約相對不確定度Urou(HV)=0.29×δ=0.29。

3.2.2 合成標準不確定度Uc(HV)

以上分量相互獨立，將不確定度分量u(d)，UE，Urou代入式(5)，計算得到高強鋼電阻焊接頭熱影響區(qū)維氏硬度測量不確定度的合成標準不確定度uc(HV)=4.72 HV。

3.2.3 拓展不確定度評定

取包含因子k=2，拓展不確定度U=2Uc=9.44 HV；根據(jù)JJF 1059.1-2012和GB/T 4340.1-2009的要求，最終測量的不確定度有效數(shù)字保留到個位，現(xiàn)對測量結(jié)果進行數(shù)值修約，該次試驗評定出的拓展不確定度U=9 HV。

3.2.4 置信區(qū)間

試驗DP780高強鋼的電阻焊接頭熱影響區(qū)的同一壓痕維氏硬度算數(shù)平均值為344 HV，故最終置信區(qū)間為(335 HV，353 HV)，符合GB/T 4340.2-2012表5規(guī)定的硬度計最大允許誤差±3%的要求。

3.3 焊縫區(qū)維氏硬度測量不確定度評定

3.3.1 分量的不確定度評定

試驗室3個檢測人員分別對DP780高強鋼電阻焊接頭焊縫區(qū)的同一壓痕各對角線長度進行3次測量，結(jié)果如表5所示。該次測量壓痕對角線長度偏差較小，數(shù)據(jù)全部可以使用。

表5 不同檢測人員測得的焊縫區(qū)壓痕對角線長度結(jié)果Tab.5 Results of indentation diagonal length of weld zone measured by different testers mm

(1) 兩壓痕對角線長度算數(shù)平均值d的測量誤差引入的不確定度u1(d)

該組試驗n=9，自由度γ=n-1=8。

(2) 壓痕測量裝置引入的不確定度u2(d)

表6 壓痕測量裝置允許誤差所引起的不確定度分量u2(d)Tab.6 Uncertainty component u2(d) caused by allowable errorof indentation measuring device

(3) 硬度計加載裝置引入的不確定度UE

經(jīng)國家專業(yè)計量單位校準，該試驗所用硬度計的相對擴展不確定度為Urel,E=1.4%，由Urel,E=k×UE，k取2，則硬度計所引起的標準不確定度分量為UE=d×Urel,E/k=0.068 4×0.007=0.000 478 8。

(4) 數(shù)值修約引入的不確定度Urou

由《材料理化檢驗測量不確定度評估指南及實例》[9]中表4-18查得，當試驗力為9.8 N，維氏硬度為396 HV時，取修約間隔δ為1，數(shù)值修約相對不確定度分量Urou(HV)=0.29×δ=0.29。

3.3.2 合成標準不確定度Uc(HV)

以上分量相互獨立,將已經(jīng)評定的不確定度分量u(d),UE,Urou代入式(5)，計算得到高強鋼電阻焊接頭焊縫區(qū)維氏硬度測量不確定度的合成標準不確定度uc(HV)=4.82 HV。

3.3.3 拓展不確定度評定

取包含因子k=2，拓展不確定度U=2Uc=9.64 HV；按照JJF 1059.1-2012和GB/T 4340.1-2009的要求，最終測量的不確定度有效數(shù)字保留到個位，現(xiàn)對測量結(jié)果進行數(shù)值修約，該次試驗評定出的拓展不確定度U=10 HV。

3.3.4 置信區(qū)間

試驗DP780高強鋼的電阻焊接頭焊縫區(qū)的同一壓痕維氏硬度算數(shù)平均值為396 HV，故最終置信區(qū)間為(386 HV，406 HV)，符合GB/T 4340.2-2012中表5要求的硬度計最大允許誤差±3%的要求。

4 測量不確定度評定報告

DP780高強鋼電阻焊接頭母材區(qū)的維氏硬度測量不確定度評定報告結(jié)果為317 HV，U=9 HV，k=2；熱影響區(qū)測量不確定度評定報告結(jié)果為344 HV，U=9 HV，k=2；焊縫區(qū)測量不確定度評定報告結(jié)果為396 HV，U=10 HV，k=2。

5 結(jié)論

(1) DP780高強鋼的電阻焊接頭母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)維氏硬度測量不確定度分別為9,9,10 HV，均滿足GB/T 4340.2-2012中表5要求的硬度計最大允許誤差，表明該維氏硬度檢測方法、檢驗水平能夠滿足國家標準的要求。

(2) 不確定度評定過程中，通過傳播公式對uc(HV)的計算發(fā)現(xiàn)，與硬度計本身硬件設(shè)施誤差相比，壓痕對角線長度的測量對合成不確定度評定結(jié)果的影響更大。