分享:鋯合金維氏硬度試驗的測量不確定度評定
摘 要:依據(jù) GB/T4340.1-2009對鋯合金帶材進行了維氏硬度測試,并按照JJF1059.1- 2012對測試結(jié)果進行了不確定度評定.結(jié)果表明:鋯合金維氏硬度測試的不確定度主要來源于壓 痕對角線長度測量、試驗力值測量、標準硬度塊不均勻度、硬度計自身不確定度等多個方面;當取包 含因子k=2時,擴展不確定度U95=15.82HV,相對擴展不確定度U95,rel=7.87%.
關(guān)鍵詞:不確定度評定;維氏硬度;鋯合金
中圖分類號:TG115.5+1 文獻標志碼:A 文章編號:1001G4012(2018)11G0819G03
金屬鋯具有優(yōu)異的核性能,熱中子吸收截面小, 熔點高,耐腐蝕性能及力學性能好,被譽為“原子時 代的第一金屬”.因此,鋯合金取代了不銹鋼成為核 反應堆一回路鈾燃料的第一層安全包殼[1].由于人 類對能源尤其是電力的大量需求,核電迅速發(fā)展,核 反應堆的設計也在不斷更新.在追求高燃耗反應堆 的目標下,核級鋯材牌號日新月異,包殼的形狀也由 最初的管材向帶材發(fā)展.
鋯合金帶材維氏硬度的測試,可以獲得材料微 區(qū)的硬度,同時也可以間接反映材料的再結(jié)晶程度、 殘余應力等性能指標.測量結(jié)果的不確定度是表征 合理地賦予被測量值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的 參數(shù)[2].筆者對核級鋯合金帶材的維氏硬度進行了 測試,介紹了維氏硬度試驗測量不確定的評定方法、 不確定度分量的來源,并進行了詳細的分析.
1 試驗材料與試驗方法
維氏硬度試驗材料為ZrG4核級鋯合金帶材,其 主要生產(chǎn)加工過程為:熔煉→鍛造→淬火→熱軋→ 多道次冷軋→退火→表面處理.試樣經(jīng)過鑲嵌、研 磨和拋光后,依據(jù) GB/T4340.1-2009«金屬材料 維氏 硬 度 試 驗 第 1 部 分:試 驗 方 法»使 用 FMG ARS9000型維氏硬度計(日本 FUTUREGTECH 公 司制造)進行測試,在放大倍率100×下觀察試樣的 整體形貌,再放大到500×觀察局部形貌并進行測 試,試驗力為1.961N(0.2kgf),試驗力保壓時間為 15s,之后在放大500×下測量對角線長度,計算維氏硬度.試驗環(huán)境溫度為25 ℃,濕度為55%.
根據(jù)JJF1059.1-2012«測量不確定度評定與 表示»對維氏硬度試驗的測量不確定度來源進行了 分析評估,并對每個標準不確定度分量進行了評定, 然后評定 合 成 標 準 不 確 定 度,最 后 評 定 擴 展 不 確 定度.
2 數(shù)學模型
依據(jù) GB/T4340.1-2009,維氏硬度測試原理 的數(shù)學模型公式為
式中:F 為試驗力,N;d 為兩壓痕對角線長度d1 和 d2 的算術(shù)平均值,mm.
3 測量不確定度來源的分析
依據(jù) GB/T4340.1-2009及本次試驗的特點, 經(jīng)過分析可知,試驗中測量不確定度主要來源有:壓 痕對角線長度d1 和d2 平均值d 的測量誤差引起 的標準不確定度u(d);試驗力值測量誤差引起的標 準不確定度u(F);標準硬度塊硬度測定引起的標 準不確定度u(H - );硬度計允許誤差引起的標準不 確定度u(E);測量標準維氏硬度塊引起的標準不 確定度u(CRM);硬度測試值數(shù)值修約引起的標準 不確定度u(rou).[3G4]
4 標準不確定度分量的評定
4.1 壓痕對角線長度d 的測量誤差引起的標準不 確定度u(d)
u(d)是檢測人員在測量壓痕對角線長度d1 和 d2 的平均值d 時引入的,可由多次重復測量并進行 統(tǒng)計計算不確定度,這種方法不僅包含多次測量的 重復性,也包含了試樣的穩(wěn)定性和壓痕測量系統(tǒng)分 辨力對示值的影響.采用 A 類評定方法用貝塞爾 公式計算標準差進行u(d)評定.表1為壓痕對角 線長度的重復測量結(jié)果.
壓痕 對 角 線 長 度 平 均 值
0.042934mm.由對角線長度d - 以及試驗力F,查 GB/T4340.4-2009可 知,試 樣 的 維 氏 硬 度 為201HV0.2.
壓 痕 對 角 線 長 度 測 量 的 標 準 差s =則 由 壓 痕 對 角 線長度d1 和d2 的平均值d 的測量誤差引起的標準 不確定度u(d)=s=0.000235mm.
4.2 試驗力值測量誤差引起的標準不確定度u(F)
試驗所用硬度計符合 GB/T4340.2-2012«金 屬材料 維氏硬度試驗 第2部分:硬度計的檢驗與 校準»中有關(guān)試驗力的誤差要求.白新房等[5]提出 應根據(jù)材料的晶粒和第二相等顯微組織大小盡量采 用適宜的大載荷試驗力進行硬度測試,使結(jié)果更加 客觀準確.本次試驗用鋯合金試樣平均晶粒直徑約 7.9μm,第二相尺寸約0.1μm,在1.961N 載荷下, 壓痕 對 角 線 平 均 值 為 42.9 μm,是 晶 粒 直 徑 的 5.4倍.本試驗主要是研究測量結(jié)果不確定度的評 定方法,因此選用1.961N 載荷力值能夠客觀準確 評估試驗的不確定度,表2為試驗力的測量誤差.
試驗力的誤差可看成是均勻分布的,由 B類不 確定度計算u(F),則u(F1.961)=urel(F1.961)×F= 1.0% 3 ×1.961=0.01132N.
4.3 標準硬度塊維氏硬度測定引起的標準不確定 度u(H - )
使用的標準塊維氏硬度測定結(jié)果為186,188, 182,180,183HV0.2,平均值為183.8HV0.2.測定 次數(shù)n=5,極差 R=8 HV0.2,極差系數(shù)C=2.33, 則u(H - )= R/C n = 8/2.33 5 =1.535HV0.2.
4.4 硬度計允許誤差引起的標準不確定度u(E)
由 GB/T4340.2-2012可知,201HV0.2時硬度計允許誤差Erel=±6%,按照均勻分布計算u(E),則 u(E)= Erel k ×201= 0.06 3 ×201=6.963HV0.2.
4.5 測 量 標 準 維 氏 硬 度 塊 引 起 的 標 準 不 確 定 度 u(CRM)
測量標準維氏硬度塊硬度值為183HV0.2,維氏硬 度塊誤差Jrel為±0.03,按照B類不確定度計算,則不確 定度uCRM(d??)= Jrel 23 ,urel(HV )=2uCRM(d??),u(CRM)= 183×urel(HV)= 183×2× 0.03 23 =3.17HV0.2.
4.6 硬度測試值進行數(shù)值修約引起的標準不確定 度u(rou)
GB/T4340.1-2009的條款中沒有明確規(guī)定硬 度測試值的修約,但根據(jù) GB/T4340.4-2009«金屬 材料 維氏硬度試驗 第4部分:硬度值表»,對于不 同類型的維氏硬度及維氏硬度值區(qū)域的修約間隔規(guī) 律,數(shù)值修約導致的不確定度,為
式中:δx 為修約間隔. 由 HV =0.189 1 F d2 =0.189× 1.961 0.0432 ≈ 201HV0.2,根據(jù) GB/T4340.1-2009,本測量范圍 的結(jié)果數(shù)值修約到整數(shù)1,即修約間隔δx =1.由此 可得硬度測試值進行數(shù)值修約引起的標準不確定度 u(rou)=0.29HV.
5 合成標準不確定度的評定
表3為標準不確定分項匯總表,表中各個標準 不確定度分項彼此相互獨立,硬度計允許最大誤差 引起的標準不確定度為6.963HV,遠大于其他不確 定度分項,是測量不確定度權(quán)重最大的分項,也是導 致不確定度較大的主要原因.
合成標準不確定度可以按照如下計算
根據(jù) 維 氏 硬 度 的 數(shù) 學 模 型,不 確 定 度 靈 敏 系 數(shù)為
將 數(shù) 據(jù) 代 入 式 (3)后 可 得 uc = [c2 du2(d)+ c2 Fu2(F)+ u2(H) + u2(E) + u2(CRM) + u2(rou)]1/2=7.91HV.
6 擴展不確定度的評定
取置信概率p=95%,包含因子k=2,硬度水 平為201HV0.2時,擴 展 不 確 定 度[6G8]U95 =kuc = 2×7.91=15.82 HV0.2,則 相 對 擴 展 不 確 定 度 U95,rel= 15.82 201 ×100%=7.87%.
7 結(jié)論
使用 FMGARS9000全自動顯微硬度計測得鋯 合金帶材的維氏硬度為(201±15.82)HV0.2,相對 擴展不確定度U95,rel=7.87%.
參考文獻:
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文章來源——材料與測試網(wǎng)