扁钢布氏硬度试验的测量不确定度评定

吴 伟(攀钢集团研究院有限公司, 钒钛资源综合利用国家重点实验室, 攀枝花 617000)

扁钢布氏硬度试验的测量不确定度评定

吴 伟
(攀钢集团研究院有限公司, 钒钛资源综合利用国家重点实验室, 攀枝花 617000)

依照GB/T 231.1-2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》对扁钢进行了布氏硬度试验(HBW10/3 000)，并对试验结果的测量不确定度进行了评定和总结。结果表明：当包含因子k=2时，采用考虑硬度计最大允许误差的方法测量不确定度评定结果为(323±9) HBW10/3 000，采用考虑硬度计系统误差的方法测量不确定度评定结果为(323±6) HBW10/3 000，两种方法评定结果的差异与源的不确定度大小有关；在日常使用中，布氏硬度计应进行定期的期间核查和检定校准，确保硬度计各部分都在国家标准规定范围内正常工作。

扁钢；布氏硬度试验；测量不确定度评定;最大允许误差;系统误差;期间核查

对金属材料的任何特征参量进行测试时，无论其试验方案如何完善，测试仪器如何先进，其测试结果依然存有相当的不确定性。JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》[1]中对测量不确定度的定义是：“根据所用到信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数”。测量不确定度的研究对科研生产等诸多相关测试领域影响较大，对于检测实验室，试验结果的测量不确定度评定越来越受到重视。

金属布氏硬度试验是应用比较广泛的静力硬度试验方法之一，笔者依照GB/T 231.1-2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》[2]对扁钢进行了布氏硬度(HBW10/3 000)试验，并通过数学模型推导计算,对硬度测试值的不确定度进行了评定,以利于更好地指导实验室的日常检验工作。

1 试验材料与试验方法

(1) 试验材料：某厂生产的扁钢，从扁钢中部截取样坯后按标准要求机加工成布氏硬度试样；中测院硬度为343 HBW10/3 000的标准布氏硬度块。

(2) 环境条件：GB/T 231.1-2009规定，布氏硬度测试通常在室温10～35 ℃进行，对温度比较敏感的材料，测试温度应控制在(23±5) ℃，该试验在室温25 ℃下进行，温度变化较小[2]。

(3) 试验方法：按照GB/T 231.1-2009[2]选用HBW10/3 000的试验条件对扁钢试样和标准布氏硬度块进行硬度试验，最后测得布氏硬度。

(4) 试验设备：HB-3000C型电子布氏硬度计，经国家计量部门检定合格。

2 数学模型

金属材料布氏硬度试验测试原理是对一定直径的硬质合金球压头施加试验力，保持规定时间后，卸掉所施加的试验力，测量金属试样表面的压痕直径，单位压痕表面积所受到的试验力称为布氏硬度[2]。其表达式为：

3 不确定度来源分析

影响布氏硬度试验结果的因素有很多，如试验温度、试验人员、材料本身组织的均匀性等，这些因素都将对布氏硬度试验结果产生影响。但实际上，不一定考虑影响试验结果的因素越多，测量不确定度评定结果就会越准确，因为许多影响试验结果的因素很难量化，强行的引入势必会削弱测量不确定度评定的可实施性和评定结果的科学性[3-5]。因此，在满足GB/T 231.1-2009[2]的条件下,在扁钢试样表面进行多次试验,将影响金属材料布氏硬度试验结果的不确定度来源列入表1中。

4 试验结果

表1 布氏硬度试验测量不确定度来源Tab.1 The measurement uncertainty sources of Brinell hardness test

表2 布氏硬度试验结果Tab.2 Brinell hardness test results HBW10/3 000

5 标准不确定度分量的评定

5.1 对试样重复性测量引入的标准不确定度分量ux

5.3 标准布氏硬度块引入的标准不确定度分量uCRM

5.4 布氏硬度计最大允许误差引入的标准不确定度分量uE

5.5 压痕测量装置分辨力引入的标准不确定度分量ums

在日常测试中，布氏硬度试验测得的硬度一般是操作人员通过读数显微镜分别测量两垂直方向上的压痕直径，用两压痕直径的平均值通过GB/T 231.4-2009《金属材料 布氏硬度试验 第4部分：硬度值表》[6]中的硬度值表查得布氏硬度值。

5.6 布氏硬度计系统误差引入的标准不确定度分量ub

6 扩展不确定度的评定

布氏硬度试验的测量不确定度评定方法一般有两种：一种是考虑硬度计的最大允许误差的方法，另一种是考虑硬度计系统误差的方法。笔者分别依照这两种方法进行布氏硬度试验的测量不确定度评定。

7 测量不确定度报告

8 分析与讨论

8.2 关于不确定度分量uCRM与uE的评定

GB/T 231.1-2009[2]附录C表C.1 中分量uCRM和uE都采用的是国家标准规定的最大值，只要标准布氏硬度块和硬度计的误差在规定范围之内，都可视为合格。但是，对于本次试验，笔者认为还是应该采用计量部门校准证书中给出的标准布氏硬度块的扩展不确定度Urel=1.2%，这样才能更准确地反映本次试验所用标准布氏硬度块和硬度计的实际偏差。

8.3 关于不确定度分量ums的评定

9 结论

(2) 通过分析扁钢布氏硬度试验测量不确定度的评定过程可知，考虑硬度计的最大允许误差的方法和考虑硬度计系统误差的方法评定的测量不确定度，都考虑的是硬度计各部分都在国家标准规定范围内正常工作。因此，在日常使用中，应严格按照操作规程进行布氏硬度试验，还应对布氏硬度计进行定期的期间核查和检定校准。

[1] JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示[S].

[2] GB/T 231.1-2009 金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法[S].

[3] 王承忠.测量不确定度基本原理和评定方法及在材料检测中的评定实例 第六讲 测量不确定度的评定方法(测量不确定度的评定方法及步骤)[J].理化检验-物理分册,2014,50(2):133-136.

[4] 王俊,王玉玲.金属材料力学性能测试不确定度评定的探讨[J].理化检验-物理分册,2014,50(11):818-821.

[5] 杜凯,朱丽君.布氏硬度压痕测量装置的期间核查[J].理化检验-物理分册,2015,51(11):784-785,794.

[6] GB/T 231.4-2009 金属材料 布氏硬度试验 第4部分：硬度值表[S].

[7] GB/T 231.2-2012 金属材料 布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准[S].

[8] 黄显芝,叶志飞,张心红,等.布氏硬度试验的不确定度评定[J].理化检验-物理分册,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

吴 伟(1985-),男,助理工程师,主要从事力学性能检测工作以及金属材料力学性能的分析研究,wukun_00@sina.com。

10.11973/lhjy-wl201702009

TG113.25

A

1001-4012(2017)02-0114-04