棒狀試樣拉伸試驗不確定度的評定

高江君, 高 虹, 沈衛強, 徐 奇

(江蘇武進不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111)

引 言

對金屬材料進行檢測或測量時，不管檢測方法和儀器設備如何完善，其測量結果都存在著不確定性[1]，不確定度便是由此引入。中國在1999年頒布了相應的標準——JJF 1059-1999《測量不確定度評定與表示》，對不確定度的評定提供了規范。盡管如此，許多從事檢測工作的人員依舊對不確定度的評定茫然不解。測量不確定度是表征合理賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數，是測量結果有效性的可疑程度或不肯定程度。

金屬材料的拉伸試驗屬于材料破壞性試驗的一種，因其不可再現性，加之眾多外界因素的影響，為降低實驗室數據檢測風險，對金屬材料拉伸試驗的不確定度評定顯得格外重要。本文采用標準樣塊進行拉伸試驗不確定度評定，為廣大檢測工作者提供對不確定度評定的參考。

1 不確定度評定的基本方法

1.1 建立數學模型

規定塑性延伸強度

Rp0.2=Fp0.2/S0

抗拉強度

Rm=FMAX/S0

斷后伸長率

A=(LU-L0)/L0

式中Fp0.2為0.2%非比例延伸下的載荷；LU為斷后標距；S0為拉伸試樣橫截面積；L0為原始標距；FMAX為最大載荷。

1.2 試驗方法

本次評定過程使用上海新三思計量儀器制造有限公司生產的CHT-4605型萬能試驗機，所用試樣為鋼鐵研究總院研制的樣品編號為453#10～17的8個標準拉伸試樣，證書號為BY20151175，試驗在10～35 ℃室溫下進行。試驗后得到測量結果如表1所示。

表1 拉伸試驗測量結果

試驗標準偏差si按貝塞爾公式[2]計算

2 不確定度的評定

2.1 抗拉強度

2.1.1 A類相對標準不確定度urel(rep)的評定

評定單值試樣的不確定度為

urel(rep)=S

A類相對標準不確定度如表2所示。

表2 A類相對標準不確定度

2.1.2 最大力Fm的B類相對標準不確定度urel(Fm)的評定

1)試驗機測力系統示值誤差的相對標準不確定度urel(F1)

使用1.0級拉力試驗機示值誤差為±1.0%，則

2)標準測力儀檢定試驗機的相對標準不確定度urel(F2)

依據試驗機檢定證書(20162017623001-001)，50 kN重復性R=0.1%，可以看成重復性極限，則

urel(F2)=0.058%

3)計算機數據采集系統引入的B類相對標準不確定度urel(F3)

urel(F3)=0.2%

4)最大力的B類相對標準不確定度urel(Fm)

0.612%

2.1.3 試樣橫截面積S0的相對標準不確定度urel(S0)

測量試樣橫截面積時，每個尺寸準確到±0.2%。

urel(S0)=2×urel(d)=0.346%

2.1.4 拉伸速率影響帶來的相對標準不確定度urel(Rmv)

試驗得出，在拉伸速率變化范圍內抗拉強度最大相差10 MPa，拉伸速率對抗拉強度的影響為±5 MPa，則

2.1.5 抗拉強度的相對合成不確定度

抗拉強度的相對合成不確定度如表3所示。

表3 抗拉強度的相對標準不確定度分項匯總

相對合成不確定度

ucrel(Rm)=

0.980%

2.1.6 抗拉強度的相對擴展不確定度

取包含概率p=95%，k=2[3]；則

Urel(Rm)=k×urel(Rm)=1.96%

2.2 規定塑性延伸強度不確定度的評定

2.2.1 單值A類相對標準不確定度urel(rep)的評定

urel(rep)=0.671%

2.2.2 規定塑性延伸力的相對不確定度urel(Fp)的評定

使用0.5級引伸計的相對誤差為±0.5%，按均勻分布，則

其他B類相對標準不確定度分量的評定與最大力的不確定度分量評定相同。

urel(Fp)=

0.678%

2.2.3 試樣橫截面積S0的相對標準不確定度urel(S0)

urel(S0)=0.346%

2.2.4 拉伸速率影響帶來的相對標準不確定度urel(Rpv)

試驗得出，在拉伸速率變化范圍內規定塑性延伸強度最大相差7 MPa，拉伸速率對規定塑性延伸強度的影響為±3.5 MPa，按均勻分布，則：

2.2.5 規定塑性延伸強度的相對合成不確定度

規定塑性延伸強度的相對合成不確定度如表4所示。

表4 規定塑性延伸強度的相對標準不確定度分項匯總

相對合成不確定度

ucrel(Rp)=

1.13%

2.2.6 規定塑性延伸強度的相對擴展不確定度

取包含概率p=95%，k=2；則

Urel(Rp)=k×urel(Rp)=2.26%

2.3 斷后伸長率不確定度評定

2.3.1 單值A類相對標準不確定度urel(rep)的評定

urel(rep)=1.454%

2.3.2 原始標距的相對標準不確定度urel(L0)的評定

原始標距的標記應準確到±1.0%，則

2.3.3 斷后伸長率的相對標準不確定度的評定

斷后伸長率的測量應準確到±0.25 mm，本次試驗的平均伸長為13 mm；按均勻分布, 則

2.3.4 修約帶來的相對標準不確定度urel(off)

斷后伸長率的修約間隔為0.5%，則

2.3.5 斷后伸長率的相對合成不確定度

斷后伸長率的相對合成不確定度如表5所示。

表5 斷后伸長率的相對標準不確定度分項匯總

相對合成不確定度

ucrel(A)=

1.997%

2.3.6 斷后伸長率的相對擴展不確定度

取包含概率p=95%，k=2；則

Ucrel(A)=k×ucrel(A)=4.0%

2.4 相對擴展不確定度結果匯總

相對擴展不確定度如表6所示。

表6 相對擴展不確定度匯總/%

3 結束語

通過上述評定，可以看出建立正確的數學模型將會對后續的不確定度評定起指導性的作用。建立正確的數學模型，根據數學模型中的各種參數，分別分析可能對這些參數產生影響的主要不確定度來源，并對這些不確定度來源的分量進行評定并合成，最后對數學模型中的所有參數的不確定度分量以及A類(統計類)不確定度分量進行合成，從而計算出該項目在包含概率p=95%下的不確定度，為金屬材料棒狀試樣拉伸試驗不確定度提供有效的評定方法。