胡宇鵬， 周思琪， 劉 凱

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心 北京100044）

0 引言

紅外吸收法是測(cè)量鋼鐵材料中碳元素的主要方法之一，碳是鋼鐵材料中的重要組成元素，影響鋼的強(qiáng)度和硬度。 準(zhǔn)確測(cè)量碳元素的含量，并給出一個(gè)高包含概率，低分散性的參數(shù)，才滿足越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量要求。本篇參考JJF 1059-2012 測(cè)量不確定度評(píng)定及表示，根據(jù)分析實(shí)際確定幾個(gè)主要不確定度分量， 對(duì)相關(guān)試驗(yàn)分析有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)模型

將稱量好的屑狀樣品置于石墨坩堝中， 送入高溫爐中，在氧氣流中將碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳和二氧化碳，利用氧氣流中一氧化碳和二氧化碳的紅外吸收譜進(jìn)行測(cè)量。

氣體分析碳元素的數(shù)學(xué)模型通式（分析結(jié)果計(jì)算式）可表示為：

式中：A、m—樣品的吸光度或峰高或峰面積 （儀器以測(cè)量值表示，下同）和稱樣量；CB、mB、AB—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的碳含量、稱樣量和吸光度。

2 試驗(yàn)儀器的參數(shù)

試驗(yàn)儀器為鋼研納克CS3000 型紅外碳硫分析儀（UC=0.012%），氮?dú)鈮毫?MPa，氧氣壓力為2MPa，分析流量保持在3L/min，分析過(guò)程中，采樣時(shí)間取30s，沖洗時(shí)間取12s， 加熱時(shí)間取20s。 稱量樣品使用賽多利斯BS124S 型分析天平，檢定允許差±0.1mg。

3 試驗(yàn)方法

用高頻燃燒紅外吸收法[2]測(cè)定45#鋼中碳含量，以機(jī)字79-09B 45#鋼標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)紅外碳硫分析儀 （校準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行一次）， 樣品測(cè)量結(jié)果分別為0.468%、0.459%、0.461%、0.457%、0.466%，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品稱量0.3g。

4 不確定度來(lái)源的識(shí)別

紅外吸收氣體分析測(cè)量不確定度主要來(lái)源于以下分量：①測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性；②天平稱量的不確定度；③標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度；④儀器分辨力的不確定度分量；⑤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器的變動(dòng)性。

5 不確定度分量的評(píng)定

5.1 測(cè)量重復(fù)性不確定度分量的評(píng)定（A 類評(píng)定）[3]

表1 樣品重復(fù)測(cè)量結(jié)果

5.2 天平稱量的不確定度

5.3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度

5.4 儀器顯示分辨力的不確定度

測(cè)量時(shí)儀器顯示最小單位為0.0001 （分辨力δx）[1]，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x）=0.0001×0.29=0.000029，儀器讀書(shū)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（δx）=0.000029/0.4622=0.00006274。

5.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器的變動(dòng)性

碳素結(jié)構(gòu)鋼C 工作曲線測(cè)量數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 碳素結(jié)構(gòu)鋼C 工作曲線測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，C 元素的工作曲線的回歸方程式擬合為y=23.101c+0.3028，a=0.3028，b=23.101， 曲線相關(guān)系數(shù)為R2=0.9995，見(jiàn)圖1。 圖中：Y—儀器的測(cè)量信號(hào)（峰面積）；a—工作曲線截距；b—工作曲線斜率；c—測(cè)量樣品中氣體元素的含量。

圖1 C 工作曲線

則由工作曲線變動(dòng)性引起樣品氣體元素的含量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（c）為：

由以上數(shù)據(jù)計(jì)算得sR=0.038757257，u（c）=0.000919383，urel=（c）0.0019891456

6 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6.1 各不確定度分量不相關(guān)[5]

6.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

7 擴(kuò)展不確定度評(píng)定及測(cè)量結(jié)果表示

取95%置信水平，包含因子k=2，計(jì)算擴(kuò)展不確定度U=2×uc（ωc）=0.00635%，取一位有效數(shù)字，U=0.006%。則樣品碳含量的完整結(jié)果可表示為ωc=（0.462±0.006）%，k=2。

8 結(jié)束語(yǔ)

本篇從五個(gè)主要方面評(píng)定優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中碳含量的不確定度， 發(fā)現(xiàn)最大影響分量是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的不確定度通過(guò)測(cè)量傳遞給樣品測(cè)量結(jié)果。 根據(jù)評(píng)定結(jié)果，樣品的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的不確定度在同一水平，因此可以說(shuō)明滿足日常檢測(cè)分析的需求。各個(gè)分量影響的大小可以指導(dǎo)我們提高分析結(jié)果準(zhǔn)確性。 通過(guò)多次測(cè)量減小A 類評(píng)定不確定度，選擇含量組成與樣品大致相同的標(biāo)樣校準(zhǔn)儀器穩(wěn)定性， 用于繪制工作曲線的標(biāo)樣分析結(jié)果要盡量平行， 且必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求的允許差，才能得到線性化良好的工作曲線。