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瀏覽:- 發(fā)布日期:2021-11-02 09:15:09【

呂秀乾,石正巖,翟海萌

(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司 理化檢測(cè)中心,青島 266426)

摘 要:采用直線截點(diǎn)法對(duì)某金屬晶粒的平均截距進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)測(cè)量過程中的每個(gè)不確定度分量進(jìn)行了評(píng)定,然后根據(jù)不確定度傳播規(guī)律求出了平均晶粒度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,并最終給出了擴(kuò)展不確定度.結(jié)果表明:在該試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)金屬平均晶粒度測(cè)定的擴(kuò)展不確定度U=0.1,包含因子k=2,平均晶粒度級(jí)別數(shù)G=8.4±0.1;該次評(píng)定測(cè)量不確定度較小與所測(cè)金屬晶粒大小均勻、晶界清晰、儀器狀態(tài)良好、檢測(cè)人員水平接近、直線截點(diǎn)法本身的測(cè)定精度較高等因素有關(guān),試驗(yàn)過程中要注意這些因素的控制.

關(guān)鍵詞:直線截點(diǎn)法;平均截距;平均晶粒度;不確定度評(píng)定

中圖分類號(hào):TG115.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001G4012(2018)04G0265G04

在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐過程中,人們發(fā)現(xiàn)金屬材料的晶粒尺寸與其力學(xué)性能有著直接關(guān)系.一般來說,晶粒越細(xì),不僅材料的強(qiáng)度、硬度越高,而且塑性、韌性也越好,工程上晶粒尺寸已經(jīng)成為評(píng)定金屬材料性能的重要依據(jù)[1].國內(nèi)外很多產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)晶粒度 的 技 術(shù) 要 求 和 檢 驗(yàn) 方 法 給 出 了 明 確 的 規(guī)定[2],晶粒度測(cè)定的不確定度評(píng)定也變得十分重要.

為此,筆者以某金屬為例,采用直線截點(diǎn)法測(cè)定其平均晶粒度,并建立了測(cè)定結(jié)果不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型,通過對(duì)不確定度來源進(jìn)行分析和評(píng)定,最終給出了晶粒度測(cè)定結(jié)果的不確定度報(bào)告.

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

對(duì)某金屬制備了晶界清晰的金相試樣[3],采用由 Axiovert40MAT 金相顯微鏡和 MIAPS分析軟件組成的圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行晶粒尺寸測(cè)量和分析.在20倍物鏡下觀察試樣晶粒形貌,并采用直線截點(diǎn)法測(cè) 量 晶 粒 的 平 均 截 距,然 后 根 據(jù) GB/T6394-2017«金屬平均晶粒度測(cè)定方法»給出的晶粒度計(jì)算公式求出平均晶粒度.

2 數(shù)學(xué)模型的建立

    根據(jù) GB/T6394-2017,晶粒度級(jí)別數(shù)G 計(jì)算

公式如下:

因此,建立數(shù)學(xué)模型如下:


式中:y 為試樣的平均晶粒度級(jí)別數(shù);x 為試樣的平均截距,mm.

3 不確定度來源分析

    對(duì)于金屬 晶 粒 的 平 均 截 距,經(jīng) 分 析 得 出 其 測(cè)量結(jié)果的不 確 定 度 來 源 主 要 有:重 復(fù) 性 測(cè) 量 引 入的輸入量x 的 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x1);圖像分析系統(tǒng)準(zhǔn)確度引入的輸入量x 的 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x2);圖像分析系統(tǒng)分辨率引入的輸入量x 的 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x3);測(cè) 微 標(biāo)尺準(zhǔn)確度引入的輸入量x 的 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x4).



4 不確定度的評(píng)定

4.1 不確定度分量的評(píng)定

4.1.1 重復(fù)性測(cè)量引入的輸入量x 的 A 類標(biāo)準(zhǔn)

    不確定度分量u(x1)的評(píng)定為增加可靠性,在試樣檢驗(yàn)面上選擇10個(gè)不同視場(chǎng),使用金相顯微鏡自帶的 MIAPS軟件測(cè)量平均截距.由6名檢測(cè)人員在相同條件下對(duì)同一視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)視場(chǎng)?。度藴y(cè)量的平均值x??j 作為測(cè)量結(jié)果(j為視場(chǎng)編號(hào),j=1,2,??,m;m=10),并分別計(jì)算出 測(cè) 量 列 的 標(biāo) 準(zhǔn) 差sj,這 樣 獲 得 的 數(shù) 據(jù) 如表1所示.



    表1中標(biāo)準(zhǔn)差sj 是根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算獲得

的,即


    式中:i為測(cè)量人員編號(hào),i=1,2,??,n,n=6;xi 為平均截距測(cè)量值;x?? 為6名人員測(cè)量的平均截距的平均值.

由表1 中數(shù)據(jù)計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差sj 的平均值為:


由于該試驗(yàn)是在重復(fù)性條件下進(jìn)行多組獨(dú)立測(cè)量,所以重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度可采用 A 類方法中的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差法[4G5]進(jìn)行評(píng)定.

合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差sp 的計(jì)算公式如下:


代入數(shù)據(jù)計(jì)算得:sp=0.3906μm.標(biāo)準(zhǔn)差sj 的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為



代入數(shù)據(jù)計(jì)算得:

標(biāo)準(zhǔn)差sj 的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差為:


其 中 n 為 測(cè) 量 人 員 數(shù),n=6.由 于^σ(s)<^σ估 (s),所以測(cè)量狀態(tài)穩(wěn)定,高可靠度的sp 可用.

根據(jù)GB/T6394-2017,一般實(shí)際檢測(cè)以3個(gè)視場(chǎng)測(cè)量的平均值作為結(jié)果.以表1中第1人前3個(gè)視場(chǎng)測(cè)量

結(jié)果的平均值作為平均截距測(cè)量結(jié)果,則由重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不

確定度分量為:(其中k 為包含 因子,由于是 均 勻 分 布,所 以k 取 3),自 由 度v= m(n-1)=50. 


4.1.2 圖 像 分 析 系 統(tǒng) 準(zhǔn) 確 度 引 入 的 輸 入 量 x 的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x2)的評(píng)定

    校準(zhǔn)圖像分析系統(tǒng)時(shí),整個(gè)圖像系統(tǒng)(包括顯微鏡物鏡放大倍數(shù)和分析軟件提供的測(cè)量尺等)同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn).由校準(zhǔn)證書可知,在20倍的物鏡下圖像分析系統(tǒng)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)誤差為0.3%,屬于均勻分布.則由圖像分析系統(tǒng)準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:(其 中a 為區(qū)間半寬).由于校準(zhǔn)應(yīng)該由國家法定計(jì)量部 門出具,所以有 [其中 Δu(x)為標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)差或不確定度的不確定度,u(x)為標(biāo)準(zhǔn)差或不確定度],此時(shí)自由度。


4.1.3 圖 像 分 析 系 統(tǒng) 分 辨 率 引 入 的 輸 入 量 x 的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x3)的評(píng)定圖像分析系統(tǒng)分辨率公式為


    式中:δx 為最小分辨率,μm;λ 為光線的波長(zhǎng),nm;A 為物鏡的數(shù)值孔徑.式(6)中,λ ?。埃担郸蘭,20倍物鏡的數(shù)值孔徑為0.5,由圖像分析系統(tǒng)分辨率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度屬于均勻分布,則由分辨率δx[4]引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:同理,自由度ν=50. 


4.1.4 標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè) 微 標(biāo) 尺 準(zhǔn) 確 度 引 入 的 輸 入 量 x 的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x4)的評(píng)定

    校準(zhǔn)圖像分析系統(tǒng)所用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)微標(biāo)尺引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度屬于均勻分布,根據(jù)校準(zhǔn)證書可知:

(其中U 為校準(zhǔn)證書給 出的擴(kuò)展不確定度;k 為校準(zhǔn)證書中的包含因子,一 般k=2).同理,自由度ν=50. 


4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

    由于上述各不確定度分量彼此獨(dú)立不相關(guān),根據(jù)數(shù)學(xué)模型公式(2),分量的靈敏系數(shù)數(shù)ci 為:,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定 度 為: uc(y) =

4.3 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定 取包含概率p≈95%,包含因子k=2,則平均 晶粒度級(jí)別數(shù)的擴(kuò)展不確定度 為:U=k??uc(y)= 2×0.07=0.1. 以表1中第1人前3個(gè)視場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的平均值 作為結(jié)果代入數(shù)學(xué)模型公式(2)中,則平均晶粒度級(jí) 別數(shù)為:y=-3.2877-6.6439lg(0.01741)=8.4.


5 不確定度報(bào)告

    試驗(yàn)金屬的平均晶粒度級(jí)別數(shù) G=8.4±0.1,k=2.

6 結(jié)束語

    (1)GB/T6394-2017附錄B中雖然給出了晶粒度測(cè)定結(jié)果置信區(qū)間的計(jì)算公式并列舉了實(shí)例,但并未對(duì)該公式進(jìn)行詳細(xì)的解釋,不便于試驗(yàn)人員理解,且列舉的實(shí)例中只考慮不同的視場(chǎng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,并沒有考慮其他因素對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,因此筆者認(rèn)為按數(shù)學(xué)模型評(píng)定不確定度分量,最終得到的不確定度更具有可信度.

    (2)評(píng)定過程中 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x1)采用了高可靠性的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差,其自由度應(yīng)接近 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的,這樣合成以后自由度不會(huì)低,評(píng)定結(jié)果的可靠性才有保證.另外,在求B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(x2)和u(x4)時(shí),最好采用最近一次計(jì)量部門校準(zhǔn)證書給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,這樣得到的結(jié)果才能更真實(shí)地反映測(cè)量結(jié)果的不確定度.

    (3)評(píng)定結(jié)果表明,直線截點(diǎn)法測(cè)定金屬平均晶粒度的不確定度比較小,這可能是與所測(cè)金屬晶粒大小較為均勻、晶界比較清晰、儀器狀態(tài)良好、檢測(cè)人員水平比較接近、直線截點(diǎn)法本身的測(cè)定精度較高等因素有關(guān),一旦這些因素發(fā)生變化時(shí),測(cè)量結(jié)果的不確定度可能會(huì)增大.

(文章來源:材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè) > 2018年 > 4期 > pp.265










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