金屬材料新舊布氏硬度國標的測量不確定度評定對比

宋 月, 孫曉冉, 趙中昱, 邢承亮

(河鋼集團鋼研總院 理化檢測中心， 石家莊 050000)

金屬材料布氏硬度是金屬材料力學性能的一個重要指標[1]。在對金屬材料進行試驗測量時都存在不確定性，測量不確定度是與測量結果相關聯(lián)的參數(shù)，能夠表征出測量值的分散性。不確定度的來源有很多，GB/T 231.1-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》中給出了資料性附錄用于指導測量不確定度的計算，新版布氏硬度標準GB/T 231.1-2018在GB/T 231.1-2009的基礎上進行了修改，理解新版標準中測量不確定度的計算方法有助于檢驗人員更好地知曉試驗結果的可信程度，將試驗結果展現(xiàn)給相關人員。為此，筆者分析和對比了GB/T 231.1-2018和GB/T 231.1-2009新舊標準中金屬材料布氏硬度測量結果的測量不確定度的評定方法。

1 試驗方法與試驗材料

布氏硬度測試是用一定直徑D的碳化鎢合金球施加試驗力F壓入試樣表面，經規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑d再計算出來的。布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比,其試驗原理如圖1所示。

圖1 布氏硬度試驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of Brinell hardness test

試樣選用某企業(yè)生產的Cr12MoV鋼，制取試樣滿足GB/T 231.1-2018的要求。環(huán)境清潔、無震動、周圍無腐蝕性氣體、試驗環(huán)境溫度為20 ℃、相對濕度為36%，滿足GB/T 231.1-2018中室溫下進行試驗的要求。依照GB/T 231.1-2018選用壓頭直徑為10 mm，試驗力為29 420 N，試驗力保持時間15 s。試驗設備采用Wilson BH3000型布氏硬度計，壓痕測量裝置為JC-10型讀數(shù)顯微鏡。金屬材料布氏硬度值通過GB/T 231.4-2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第4部分：硬度值表》給出的硬度值表直接查得。分別對標準硬度塊(CRM)及測試樣測試5個點，結果見表1。

表1 布氏硬度測試結果Tab.1 Brinell hardness test results HBW

2 硬度值測量不確定度計算

2.1 測量不確定度來源分析

在相同的試驗條件下，布氏硬度試驗不確定度的來源有很多，其中主要有布氏硬度計、標準硬度塊、試驗人員、壓痕直徑測量系統(tǒng)的分辨率等[2]。

GB/T 231.1-2018和GB/T 231.1-2009新舊標準中均含資料性附錄C指導計算硬度值測量的不確定度，雖然新舊標準中都只考慮了硬度計和標準硬度塊相關測量的不確定度，但有所不同，新舊標準中的不確定度來源及符號如表2所示。

表2 新舊標準的布氏硬度值測量不確定度來源及符號Tab.2 The source and symbol of Brinell hardness measurement uncertainty by the new and old standards

2.2 測量不確定度計算

測量的不確定度分析，可以幫助使用者找到誤差源和理解試驗結果的不同之處。根據表1的試驗結果，分別按2018版和2009版標準中的方法進行測量不確定度評定。具體評定步驟如表3所示。

表3 新舊標準的布氏硬度值測量不確定度評定步驟及結果Tab.3 Evaluation steps and results of Brinell hardness measurement uncertainty by the new and old standards

續(xù)表3

3 新舊標準附錄C硬度值測量不確定度的對比

2018版標準附錄C硬度值測量不確定度的計算相對2009版標準有所修改，主要有以下幾方面的內容。

(1) 附錄的方式,2018版將方法一和方法二直接分開為兩個表格，相比于2009版標準中，新版標準更加清晰，更具有指導性和可操作性。

(2) 說明性文字，2018版標準中增加了很多說明性文字，如“測量的不確定分析是一種非常有用的工具，可以幫助使用者找到誤差源和理解試驗結果的不同之處。本附錄給出了不確定度的評定指南，但得出的數(shù)值僅供參考，除非客戶特別指定?！敝赋鲈摳戒洖橘Y料性附錄。另外明確指出有3種情況下，利用平方根求和的方法計算不確定度時，應將偏差b作為不確定度分量考慮進去，分別為進行硬度計校準時，測量的硬度值與標準硬度塊的數(shù)值明顯不同時；在整個校準范圍，硬度計的偏差有較大變化；被測材料與用于校準硬度計所用標準硬度塊的材料不同。

(3) 2018版標準方法M1中將誤差極限(硬度計的讀數(shù)允許與標準硬度塊的標定值之間偏差的最大允許值)用于定義其中一個不確定度分量Umpe，其計算方法較2009版標準中uE的計算方法并沒有改變。

(4) 2018版標準中去掉對試樣測量重復性的標準不確定度，試驗人員引入的不確定度體現(xiàn)在同一試樣測試時的示值重復性，可以通過多次測試同一標準硬度塊來衡量。由于各不確定度分量可能由多種因素綜合作用而產生，為了避免重復考慮和計算，各不確定度分量僅考慮引起的單一、主要因素。

(5) 新標準中標準硬度塊的不確定度uCRM直接來源于CRM校準證書，不再像舊版標準中需要利用公式計算。

(6)uH的描述和計算方法有所改變，新版標準中將“用標準硬度塊檢定的平均值的標準不確定度”改為“測量標準硬度塊時，硬度計的標準不確定度”更加明確了不確定度來源。計算方法也由極差法改為標準偏差法。

(7)新版標準中方法M2的計算模型相對舊版標準中方法2的計算模型有所改變，在JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》中推薦利用修正的辦法補償系統(tǒng)效果誤差，測量結果將全部測定的硬度值減去b，或者Ucorr增加b，不再是作為平方根求和的一個不確定度分量。

4 結論

(2) 對比分析了新舊標準中測量不確定度評定方法，根據4種方法測量結果表明，2018版標準中的方法較2009版方法可以獲得相對準確的測量不確定度，方法M2可以獲得比方法M1更小的不確定度。