扁鋼布氏硬度試驗的測量不確定度評定

吳 偉(攀鋼集團研究院有限公司, 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室, 攀枝花 617000)

扁鋼布氏硬度試驗的測量不確定度評定

吳 偉
(攀鋼集團研究院有限公司, 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室, 攀枝花 617000)

依照GB/T 231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對扁鋼進行了布氏硬度試驗(HBW10/3 000)，并對試驗結(jié)果的測量不確定度進行了評定和總結(jié)。結(jié)果表明：當包含因子k=2時，采用考慮硬度計最大允許誤差的方法測量不確定度評定結(jié)果為(323±9) HBW10/3 000，采用考慮硬度計系統(tǒng)誤差的方法測量不確定度評定結(jié)果為(323±6) HBW10/3 000，兩種方法評定結(jié)果的差異與源的不確定度大小有關(guān)；在日常使用中，布氏硬度計應(yīng)進行定期的期間核查和檢定校準，確保硬度計各部分都在國家標準規(guī)定范圍內(nèi)正常工作。

扁鋼；布氏硬度試驗；測量不確定度評定;最大允許誤差;系統(tǒng)誤差;期間核查

對金屬材料的任何特征參量進行測試時，無論其試驗方案如何完善，測試儀器如何先進，其測試結(jié)果依然存有相當?shù)牟淮_定性。JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[1]中對測量不確定度的定義是：“根據(jù)所用到信息，表征賦予被測量值分散性的非負參數(shù)”。測量不確定度的研究對科研生產(chǎn)等諸多相關(guān)測試領(lǐng)域影響較大，對于檢測實驗室，試驗結(jié)果的測量不確定度評定越來越受到重視。

金屬布氏硬度試驗是應(yīng)用比較廣泛的靜力硬度試驗方法之一，筆者依照GB/T 231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》[2]對扁鋼進行了布氏硬度(HBW10/3 000)試驗，并通過數(shù)學模型推導計算,對硬度測試值的不確定度進行了評定,以利于更好地指導實驗室的日常檢驗工作。

1 試驗材料與試驗方法

(1) 試驗材料：某廠生產(chǎn)的扁鋼，從扁鋼中部截取樣坯后按標準要求機加工成布氏硬度試樣；中測院硬度為343 HBW10/3 000的標準布氏硬度塊。

(2) 環(huán)境條件：GB/T 231.1-2009規(guī)定，布氏硬度測試通常在室溫10～35 ℃進行，對溫度比較敏感的材料，測試溫度應(yīng)控制在(23±5) ℃，該試驗在室溫25 ℃下進行，溫度變化較小[2]。

(3) 試驗方法：按照GB/T 231.1-2009[2]選用HBW10/3 000的試驗條件對扁鋼試樣和標準布氏硬度塊進行硬度試驗，最后測得布氏硬度。

(4) 試驗設(shè)備：HB-3000C型電子布氏硬度計，經(jīng)國家計量部門檢定合格。

2 數(shù)學模型

金屬材料布氏硬度試驗測試原理是對一定直徑的硬質(zhì)合金球壓頭施加試驗力，保持規(guī)定時間后，卸掉所施加的試驗力，測量金屬試樣表面的壓痕直徑，單位壓痕表面積所受到的試驗力稱為布氏硬度[2]。其表達式為：

3 不確定度來源分析

影響布氏硬度試驗結(jié)果的因素有很多，如試驗溫度、試驗人員、材料本身組織的均勻性等，這些因素都將對布氏硬度試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。但實際上，不一定考慮影響試驗結(jié)果的因素越多，測量不確定度評定結(jié)果就會越準確，因為許多影響試驗結(jié)果的因素很難量化，強行的引入勢必會削弱測量不確定度評定的可實施性和評定結(jié)果的科學性[3-5]。因此，在滿足GB/T 231.1-2009[2]的條件下,在扁鋼試樣表面進行多次試驗,將影響金屬材料布氏硬度試驗結(jié)果的不確定度來源列入表1中。

4 試驗結(jié)果

表1 布氏硬度試驗測量不確定度來源Tab.1 The measurement uncertainty sources of Brinell hardness test

表2 布氏硬度試驗結(jié)果Tab.2 Brinell hardness test results HBW10/3 000

5 標準不確定度分量的評定

5.1 對試樣重復性測量引入的標準不確定度分量ux

5.3 標準布氏硬度塊引入的標準不確定度分量uCRM

5.4 布氏硬度計最大允許誤差引入的標準不確定度分量uE

5.5 壓痕測量裝置分辨力引入的標準不確定度分量ums

在日常測試中，布氏硬度試驗測得的硬度一般是操作人員通過讀數(shù)顯微鏡分別測量兩垂直方向上的壓痕直徑，用兩壓痕直徑的平均值通過GB/T 231.4-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第4部分：硬度值表》[6]中的硬度值表查得布氏硬度值。

5.6 布氏硬度計系統(tǒng)誤差引入的標準不確定度分量ub

6 擴展不確定度的評定

布氏硬度試驗的測量不確定度評定方法一般有兩種：一種是考慮硬度計的最大允許誤差的方法，另一種是考慮硬度計系統(tǒng)誤差的方法。筆者分別依照這兩種方法進行布氏硬度試驗的測量不確定度評定。

7 測量不確定度報告

8 分析與討論

8.2 關(guān)于不確定度分量uCRM與uE的評定

GB/T 231.1-2009[2]附錄C表C.1 中分量uCRM和uE都采用的是國家標準規(guī)定的最大值，只要標準布氏硬度塊和硬度計的誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)，都可視為合格。但是，對于本次試驗，筆者認為還是應(yīng)該采用計量部門校準證書中給出的標準布氏硬度塊的擴展不確定度Urel=1.2%，這樣才能更準確地反映本次試驗所用標準布氏硬度塊和硬度計的實際偏差。

8.3 關(guān)于不確定度分量ums的評定

9 結(jié)論

(2) 通過分析扁鋼布氏硬度試驗測量不確定度的評定過程可知，考慮硬度計的最大允許誤差的方法和考慮硬度計系統(tǒng)誤差的方法評定的測量不確定度，都考慮的是硬度計各部分都在國家標準規(guī)定范圍內(nèi)正常工作。因此，在日常使用中，應(yīng)嚴格按照操作規(guī)程進行布氏硬度試驗，還應(yīng)對布氏硬度計進行定期的期間核查和檢定校準。

[1] JJF 1059.1-2012 測量不確定度評定與表示[S].

[2] GB/T 231.1-2009 金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法[S].

[3] 王承忠.測量不確定度基本原理和評定方法及在材料檢測中的評定實例 第六講 測量不確定度的評定方法(測量不確定度的評定方法及步驟)[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(2):133-136.

[4] 王俊,王玉玲.金屬材料力學性能測試不確定度評定的探討[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(11):818-821.

[5] 杜凱,朱麗君.布氏硬度壓痕測量裝置的期間核查[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):784-785,794.

[6] GB/T 231.4-2009 金屬材料 布氏硬度試驗 第4部分：硬度值表[S].

[7] GB/T 231.2-2012 金屬材料 布氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準[S].

[8] 黃顯芝,葉志飛,張心紅,等.布氏硬度試驗的不確定度評定[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(10):668-671.

Measurement Uncertainty Evaluation of Brinell Hardness Test of the Flat-rolled Steel Sheets

WU Wei
(State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization,Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, China)

According to GB/T 231.1-2010MetallicMaterials-BrinellHardnessTest-Part1:TestMethod, Brinell hardness test (HBW10/3 000) was done to flat-rolled steel sheets, and the measurement uncertainty of the test results was evaluated and summarized. The results show that when the coverage factork=2 and adopting the method of considering the hardness tester maximum allowable error, the measurement uncertainty of Brinell hardness test was as follows: (323±9) HBW10/3 000; when adopting the method of considering the hardness tester system error, the measurement uncertainty of Brinell hardness test was as follows: (323±6) HBW10/3 000. The difference between these two evaluating results was related to the size of uncertainty source. In daily use, the Brinell hardness testers should be verified and calibrated regularly to ensure that all parts of the hardness tester are working properly within the national standard.

flat-rolled steel sheet; Brinell hardness test; measurement uncertainty evaluation; maximum allowable error; system error; intermediate check

2015-12-18

吳 偉(1985-),男,助理工程師,主要從事力學性能檢測工作以及金屬材料力學性能的分析研究,wukun_00@sina.com。

10.11973/lhjy-wl201702009

TG113.25

A

1001-4012(2017)02-0114-04