鋁合金陽(yáng)極氧化膜耐磨性試驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定

周 鵬, 伍超群, 陳穎欣,肖永通, 鄺宏聰

(廣東省工業(yè)分析檢測(cè)中心, 廣州 510650)

鋁合金在航空材料、汽車零部件、建筑型材、工業(yè)型材等方面有著廣泛的應(yīng)用，但由于鋁的電極電位較負(fù)，電化學(xué)性質(zhì)活潑，很容易發(fā)生腐蝕，因此鋁合金一般要經(jīng)過(guò)表面處理才能投入使用[1]。陽(yáng)極氧化是鋁合金表面處理最常用的方法之一，利用電化學(xué)方法在鋁合金表面形成一層均勻、連續(xù)、致密的多孔氧化鋁薄膜，可以提高鋁合金的耐蝕性和耐磨性[2]。耐磨性是衡量鋁合金陽(yáng)極氧化膜質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以反映鋁合金的抗摩擦、耐磨損能力。耐磨性實(shí)際上是陽(yáng)極氧化膜的硬度、附著力和內(nèi)聚力等綜合效應(yīng)的體現(xiàn)，直接影響到鋁合金的使用壽命[3]。

一個(gè)測(cè)量結(jié)果，不僅要表示其量值大小，還必須指出其測(cè)量不確定度。給出測(cè)量結(jié)果的同時(shí)提供相應(yīng)的不確定度才可以表明該測(cè)量結(jié)果的可信賴程度，不確定度越小結(jié)果越可靠使用價(jià)值越高[4]。筆者以某廠家送檢的陽(yáng)極氧化鋁合金建筑型材為例，根據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》和GB/T 12967.7—2010《鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化膜檢測(cè)方法 第7部分：用落砂試驗(yàn)儀測(cè)定陽(yáng)極氧化膜的耐磨性》對(duì)其進(jìn)行了耐磨性試驗(yàn)，分析了各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響并評(píng)定了試驗(yàn)結(jié)果的不確定度，為試驗(yàn)檢測(cè)人員和建立健全試驗(yàn)室質(zhì)量評(píng)價(jià)體系提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為某廠家送檢的陽(yáng)極氧化鋁合金建筑型材，膜厚級(jí)別為AA10，從中切取規(guī)格為60 mm×40 mm的試樣。

采用渦流測(cè)厚儀按GB/T 4957—2003《非磁性基體金屬上非導(dǎo)電覆蓋層 覆蓋層厚度測(cè)量 渦流法》規(guī)定的方法測(cè)量試樣的局部膜厚，以3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終膜厚。根據(jù)GB/T 12967.7—2010，在規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行落砂試驗(yàn)，用電子天平稱量所消耗的磨料質(zhì)量，計(jì)算磨耗系數(shù)，作為耐磨性試驗(yàn)的結(jié)果。

2 建立數(shù)學(xué)模型

磨耗系數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中：f為磨耗系數(shù)，g·μm-1；m為磨耗試樣所需的磨料質(zhì)量，g；d為試樣的局部膜厚，μm。

根據(jù)磨耗系數(shù)的計(jì)算公式，其測(cè)量不確定度可用下式表示

(2)

式中：uc(f)為磨耗系數(shù)測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，g·μm-1；u(m)為所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，g；u(d)為試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，μm；u(δ)為磨耗系數(shù)數(shù)值修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，g·μm-1。

3 不確定度來(lái)源分析

由式(2)可知，鋁合金陽(yáng)極氧化膜耐磨性試驗(yàn)結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于3個(gè)部分：試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的不確定度、所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的不確定度和磨耗系數(shù)數(shù)值修約引入的不確定度。其中，試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的不確定度和所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的不確定度均來(lái)源于3個(gè)部分，可用下式表示

(3)

式中：u(x)為試樣局部膜厚或所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u(e1)為被測(cè)試樣測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u(e2)為測(cè)量?jī)x器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u(e3)為校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

u(e1)來(lái)源于測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和測(cè)量?jī)x器分辨率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為了避免重復(fù)計(jì)算，取其中最大值作為被測(cè)試樣引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。u(e2)來(lái)源于測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差，當(dāng)測(cè)量?jī)x器經(jīng)檢定合格時(shí)，可用測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差作為測(cè)量?jī)x器引入的不確定度。u(e3)來(lái)源于校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器所用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，可直接用所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度來(lái)表示。

4 不確定度分量評(píng)定

4.1 試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用渦流測(cè)厚儀對(duì)試樣試驗(yàn)部位的局部膜厚進(jìn)行3次測(cè)量，以3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終膜厚，得到試樣局部膜厚d為13.0 μm。試樣局部膜厚測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量進(jìn)行A類評(píng)定。在相同條件下，用同一渦流測(cè)厚儀對(duì)試樣局部膜厚重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，測(cè)量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差按下式計(jì)算

(4)

表1 試樣局部膜厚重復(fù)測(cè)量結(jié)果Tab.1 Repeated measurement results of local film thickness of sample μm

渦流測(cè)厚儀的分辨率δd為0.1 μm，則由此帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為ud(e1)″=0.29δd=0.29×0.1=0.029 μm。

為了避免重復(fù)計(jì)算，試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和渦流測(cè)厚儀分辨率取其中最大值作為被測(cè)試樣引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。ud(e1)′>ud(e1)″，故舍去渦流測(cè)厚儀分辨率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ud(e1)″。被測(cè)試樣引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ud(e1)=ud(e1)′=0.46 μm。

4.2 所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

用電子天平對(duì)所需磨料質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，得到所需磨料質(zhì)量m為4 568 g。在相同條件下，對(duì)磨料質(zhì)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值保持不變。因此，被測(cè)磨料引入的不確定度僅來(lái)源于電子天平的分辨率。電子天平的分辨率δm為1 g，則被測(cè)磨料引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為um(e1)=0.29δm=0.29×1=0.29 g。

4.3 磨耗系數(shù)數(shù)值修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

計(jì)算磨耗系數(shù)時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)值修約，修約間隔δ為1 g·μm-1，則數(shù)值修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u(δ)=0.29δ=0.29×1=0.29 g·μm-1。

5 不確定度分量合成

取包含因子k=2，其擴(kuò)展不確定度為U(f)=k·uc(f)=2×14.87=30 g·μm-1。

6 結(jié)論

(1) 本次鋁合金陽(yáng)極氧化膜耐磨性試驗(yàn)的磨耗系數(shù)為351 g·μm-1；取包含因子k=2，其不確定度為U(f)=30 g·μm-1。

(2) 試樣局部膜厚測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于測(cè)量的隨機(jī)波動(dòng)，試樣局部膜厚越均勻，試驗(yàn)結(jié)果越可靠。所需磨料質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于電子天平的測(cè)量誤差，使用允差更小的電子天平可以提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。