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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(lái)說(shuō),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(guó)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(guò)對(duì)不確定度來(lái)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(lái)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(lái) 源 主 要 有:重 復(fù) 性 測(cè) 量 引 入的輸入量x 的 A 類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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)取６人測(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(lèi)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(lèi)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(shū)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(guó)家法定計(jì)量部
門(mén)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(lèi)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 取０．５５μm,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(lèi)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(shū)可知:
(其中U 為校準(zhǔn)證書(shū)給
出的擴(kuò)展不確定度;k 為校準(zhǔn)證書(shū)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(yǔ)
(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(méi)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(guò)程中 A 類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(mén)校準(zhǔn)證書(shū)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(lái)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）