分享：金属材料新旧布氏硬度国标的测量不确定度评定对比

宋 月,孙晓冉,赵中昱,邢承亮 (河钢集团钢研总院 理化检测中心,石家庄 050000)

摘 要:对比分析了 GB/T231.1-2009和 GB/T231.1-2018新旧标准中测量不确定度的评 定方法,并采用新旧标准中的测量不确定度评定方法计算了 Cr12MoV 钢和标样布氏硬度的测量 不确定度。结果表明:2018版标准中的方法较2009版的可以获得相对准确的测量不确定度,方法 M2可以获得比方法 M1更小的测量不确定度。

关键词:测量不确定度;评定方法;布氏硬度试验;金属材料 中图分类号:TG751.9 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0041-04

 金属材料布氏硬度是金属材料力学性能的一个 重要指标[1]。在对金属材料进行试验测量时都存在 不确定性,测量不确定度是与测量结果相关联的参 数,能够表征出测量值的分散性。不确定度的来源 有很多,GB/T231.1-2009《金属材料 布氏硬度试 验 第1部分:试验方法》中给出了资料性附录用于 指导测量不确定度的计算,新版布氏硬度标准 GB/ T231.1-2018在 GB/T231.1-2009的基础上进 行了修改,理解新版标准中测量不确定度的计算方 法有助于检验人员更好地知晓试验结果的可信程 度,将试验结果展现给相关人员。为此,笔者分析和 对比了 GB/T231.1-2018 和 GB/T231.1-2009 新旧标准中金属材料布氏硬度测量结果的测量不确 定度的评定方法。 

1 试验方法与试验材料

布氏硬度测试是用一定直径 D 的碳化钨合金 球施加试验力F 压入试样表 面,经 规 定 保 持 时 间 后,卸除试验力,测量试样表面压痕的直径d 再计 算出来的。布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商 成正比,其试验原理如图1所示。 试样选用某企业生产的 Cr12MoV 钢,制取试 样满足 GB/T231.1-2018的要求。环境清洁、无 震动、周围无腐蚀性气体、试验环境温度为20℃、相 对湿度为36%,满足 GB/T231.1-2018中室温下 进行试验的要求。依照 GB/T231.1-2018选用压 头直径为10mm,试验力为29420N,试验力保持 时间15s。试验设备采用 WilsonBH3000型布氏 硬度计,压痕测量装置为JC-10型读数显微镜。金 属材料布氏硬度值通过 GB/T231.4-2009《金属材料 布氏硬度试验 第4部分:硬度值表》给出的硬度 值表直接查得。分别对标准硬度块(CRM)及测试 样测试5个点,结果见表1。

2 硬度值测量不确定度计算 

2.1 测量不确定度来源分析

在相同的试验条件下,布氏硬度试验不确定度 的来源有很多,其中主要有布氏硬度计、标准硬度 块、试验人 员 、压 痕 直 径 测 量 系 统 的 分 辨 率 等[2]。GB/T231.1-2018 和 GB/T231.1-2009 新旧标 准中均含资料性附录 C 指导计算硬度值测量的不 确定度,虽然新旧标准中都只考虑了硬度计和标准 硬度块相关测量的不确定度,但有所不同,新旧标准 中的不确定度来源及符号如表2所示。

2.2 测量不确定度计算 

测量的不确定度分析,可以帮助使用者找到误 差源和理解试验结果的不同之处。根据表1的试验 结果,分别按2018版和2009版标准中的方法进行 测量不确定度评定。具体评定步骤如表3所示。

3 新旧标准附录 C 硬度值测量不确定度的 对比

2018版标准附录 C 硬度值测量不确定度的计 算相对2009版标准有所修改,主要有以下几方面的 内容。 (1)附录的方式,2018版将方法一和方法二直 接分开为两个表格,相比于2009版标准中,新版标 准更加清晰,更具有指导性和可操作性。(2)说明性文字,2018版标准中增加了很多说 明性文字,如“测量的不确定分析是一种非常有用的 工具,可以帮助使用者找到误差源和理解试验结果 的不同之处。本附录给出了不确定度的评定指南, 但得出的数值仅供参考,除非客户特别指定。”指出 该附录为资料性附录。另外明确指出有 3 种情况 下,利用平方根求和的方法计算不确定度时,应将偏 差b 作为不确定度分量考虑进去,分别为进行硬度 计校准时,测量的硬度值与标准硬度块的数值明显 不同时;在整个校准范围,硬度计的偏差有较大变 化;被测材料与用于校准硬度计所用标准硬度块的 材料不同。 (3)2018版标准方法 M1中将误差极限(硬度 计的读数允许与标准硬度块的标定值之间偏差的最 大允许值)用于定义其中一个不确定度分量Umpe, 其计算方法较2009版标准中uE 的计算方法并没 有改变。 (4)2018版标准中去掉对试样测量重复性的 标准不确定度,试验人员引入的不确定度体现在同 一试样测试时的示值重复性,可以通过多次测试同 一标准硬度块来衡量。由于各不确定度分量可能由 多种因素综合作用而产生,为了避免重复考虑和计 算,各不确定度分量仅考虑引起的单一、主要因素。 (5)新标准中标准硬度块的不确定度uCRM 直 接来源于 CRM 校准证书,不再像旧版标准中需要 利用公式计算。 (6)uH 的描述和计算方法有所改变,新版标准 中将“用标准硬度块检定的平均值的标准不确定度” 改为“测量标准硬度块时,硬度计的标准不确定度” 更加明确了不确定度来源。计算方法也由极差法改 为标准偏差法。 (7)新版标准中方法 M2的计算模型相对旧版 标 准 中 方 法 2 的 计 算 模 型 有 所 改 变,在 JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》中推荐利 用修正的办法补偿系统效果误差,测量结果将全部 测定的硬度值减去b,或者Ucorr 增加b,不再是作为 平方根求和的一个不确定度分量。 

4 结论

(1)依据 GB/T231.1-2009和 GB/T231.1- 2018对金属材料布氏硬度值测量结果的不确定度 进行了详细的评定,其结果分别为2009版方法一: X - =(229.4±6.7)HBW;2009 版 方 法 二:X - corr = (229.8±4.2)HBW,X - ucorr = (229.4±4.6)HBW; 2018版方法 M1:X =(229.4±5.6)HBW;2018版 方 法 M2:Xcorr = (229.0±3.1)HBW,Xucorr = (229.4±3.5)HBW。 (2)对比分析了新旧标准中测量不确定度评定 方法,根据4种方法测量结果表明,2018版标准中 的方法较2009版方法可以获得相对准确的测量不 确定度,方法 M2可以获得比方法 M1更小的不确 定度。

来源：材料与测试网