電站鍋爐金屬材料拉伸試驗測量不確定度的評定

張羽寰

【摘?要】本文介紹了電站鍋爐金屬材料拉伸試驗測量不確定度的評定，分析了金屬材料拉伸試驗檢測結果的主要影響因素，并結合相關實踐經驗，分別從多個角度與方面探討了樣本選取與試樣制備對實驗成果的影響，闡述了個人認知。

【關鍵詞】電站鍋爐;金屬材料;拉伸試驗;不確定度

引言

隨著經濟社會的持續快速發展，電站鍋爐金屬材料拉伸試驗測量技術迎來了前所未有的重大發展機遇，如何采取有效方法，切實提升拉伸試驗測量效果，全面確保電站鍋爐金屬材料的實際應用強度，成為業內廣泛關注的焦點課題之一。

1.研究背景

電站鍋爐金屬材料的拉伸試驗在進行的過程當中往往需要采用到相關的金屬拉伸試驗設施，這些設施主要是由計算機、液壓油油源、液壓集成塊、三路傳感器以及主機架框等共同構成，在進行拉伸試驗的整個過程中，利用計算機能夠根據試驗的參數，通過數字閥門把液壓油從油源不斷輸送至主機架的油缸當中，同時，在計算機的顯示屏也會同步顯示出金屬材料進行拉伸的相關數據信息，像位移、應變以及應力等，工作人員根據轉變控制模式就可以得到相關的試驗數據。

對電站鍋爐金屬材料拉伸試驗檢測產生影響的結構性因素很多，像彈性模量、極限強度以及屈服強度等，這些雖然也是金屬材料本身所特有的基本屬性，但相同的材料在經過不一樣的拉伸試驗之后，能夠反映出不一樣的性能指標，也就是說測量的結果是不一定的，這就要求金屬材料力學的相關性能檢測人員，在對材料力學的性能進行檢測時，必須要嚴格按照金屬材料力學的性能檢測標準和產品有關規定和標準來開展工作，正確認識影響整個測量過程的主要因素：人員、溫度、拉伸速率、夾持方法、設備、測量儀器以及試樣等。

電站鍋爐金屬材料的拉伸試驗所采用的方法主要為，在拉伸試驗的相關的設施當中放入已經準備好的金屬試樣，利用計算機設施來設置拉伸的速率，金屬的拉伸裝置可以給金屬試樣施加一定的拉伸力，在試驗的過程當中，測量出的塑性指標包括的主要是斷面以及斷后的伸長率和收縮率。金屬材料拉伸試驗進行的過程當中，起操作過程很容易受到各種因素影響，必須對這些因素形成的原因加以分析，制定出相關的規程，嚴格控制好試驗的整個過程，只有這樣才能取得較為精確的金屬材料拉伸試驗檢測結果。

2.金屬材料拉伸試驗檢測結果的主要影響因素分析

2.1試樣的影響

試樣是金屬材料力學性能測試的載體，正確的制備試樣是獲得準確數據的基礎。由于金屬材料在冷熱加工的過程中，成分結構會發生各種變化，從而產生各處不均的形變，導致在試樣制備時，取樣的部位、方向、形狀等都會對結果產生影響。

2.2儀器設備的影響

拉伸試驗中使用的主要設備為拉伸試驗機，其它輔助測試儀器包括引伸計、夾具、尺寸測量工具及標距儀等。它們本身的準確度及試驗員能否正確使用會直接影響到試驗結果。

2.3試驗速率的影響

拉伸試驗速率控制方法和速率大小是影響試驗結果的重要因素，不同的試驗速率控制方法在試驗不同階段對各試驗數據產生的影響也不同，這與材料對試驗速率改變的敏感程度有關。因此，需要進行大量的試驗，對比試驗數據，才能研究試驗速率對拉伸試驗結果的影響。一般而言，在保證溫度、試樣等條件相同的情況下，試驗速率對強度低而塑性好的材料影響較大，對于屈服強度的影響比抗拉強度要大。此外，隨著拉伸速率的增加，材料的斷后伸長率也可能會降低。

2.4試驗溫度的影響

根據GB/T228.1-2010的規定，室溫拉伸試驗應控制在10-35℃的條件下進行，在這個范圍內，對于多數金屬材料，環境溫度的變化對于試驗數據的影響可以忽略不計。部分對溫度變化較為敏感的材料，隨著溫度升高，材料的塑性指標上升而強度指標下降，此時，需要用到溫度參數對試驗結果進行修正。此外，對于金屬材料的高/低溫拉伸試驗，試驗溫度通常與試驗速率共同作用，對試驗結果產生較大影響。

3.樣本選取與試樣制備對實驗成果的影響

3.1取樣部位的影響

從金屬材料的相異方位選樣實驗所用的樣品，其力學特性往往會有所區別。比如圓鋼40毫米的核心區域抗拉系數小于1/4處的抗拉強度，而且斷口拉伸數據也存在差異。由此能夠看到，取樣方位對實驗成果有著重要影響。因為金屬材料在冶金的過程中鑄造而成，在加工階段，組成元素、成分、內部組織結構、冶煉問題。加工形變分布不平衡，所以，會獲得相同批次、甚而相同商品的相異位置的力學特性會有所不同。所以，在樣本的選取方面，需要嚴格地按照標準執行，以規避因為樣本選取時存在誤差，導致錯誤的判斷產生。

3.2取樣方向的影響

取樣方向的差別會直觀地作用于金屬材料拉伸實驗的斷后伸長率、屈服數據、抗拉強度等各類數據，特別是斷后伸長率的影響最大。假如采用橫向取樣，那么根據相關準則，實驗后的斷后伸長率不可能合規。一般情況下，是與碾壓方向垂直，那么金屬力學特性會達不到標準;而與碾壓方向平行，那么金屬力學特性過關。

3.3測試機械與設施的影響

檢定的成果極易遭到檢定設施的影響，在實驗階段必須對材料對其尺寸實施測定，假如要確保實驗參數的可靠性，就需要確保尺寸測量成果的精準性。尺寸的測試包含對金屬材料長度的測試，測量橫斷面直徑與斷后橫斷面的直徑等的測試。夾持力對檢測結果的精準性會有較大的影響。而且，對應的測試用具與指定設施需要通過我國計量單位審查或核查后，方可將其使用到金屬材料拉伸特性檢定的實驗中。

3.4裝夾模式的影響

在夾持階段，只要夾持不平穩，就會讓以前所有的努力白費，直接浪費了人財物。并且，這也是實驗獲得參數的偏差大，所以必須保證拉伸的精準。在拉伸時，試樣也會產生缺陷。通常情況下，實驗樣本是不會產生偏心力的這部分情況，只要形成偏心力，那么就會導致偏心嚴重偏移的情況。另外，拉伸夾的品質也需要運用與試驗，規避因為拉伸夾的問題導致彎曲應力出現，影響實驗成果。

3.5受溫度的影響

溫度對材料的特性通常會有極為重大的影響。熱脹冷縮情況是素有物質都兼備的。通常的，假如金屬原料氣溫居高不下，材料構成的粒子就會愈發活潑，金屬原料的硬度就會降低。特殊狀況下，對其參數造成的影響基本上可以忽視。然而對一部分核心金屬材料完成品質的檢定與測評階段。假如發覺檢測的參數有顯著的起伏，則需要權衡是不是由于材料的氣溫致使的。

4.拉伸試驗的影響因素及控制要求

4.1試樣制備

試樣的代表性是拉伸試驗準確性的前提，試樣制備不能影響其力學性能。GB/T228.1-2010規定了薄板、薄帶、線材、棒材、型材、扁材、管材的試樣類型，對試樣的取材、形狀、尺寸、加工精度等都有規定。

4.2儀器設備要求

GB/T228.1-2010標準對試驗機提出了更高的要求，必須對試驗機進行試驗力檢定、引伸計和位移的標定;進行拉伸試驗的試驗機零位調整就不只是試驗力的零位調整、引伸計和位移的零位調整也同樣重要。

4.2.1試驗機試驗力的檢定和零位控制

對試驗機的要求：試驗力的檢定必須符合1級精度或優于1級精度的要求。試驗載荷的零位控制：在試驗機開機預熱20～30min后，先把試樣夾持到試驗機的上夾具夾緊，就要進行試驗力的“清零”，如果等試樣上夾具和下夾具都夾緊后才開始“清零”是不對的，由于夾具在夾緊試樣時會產生一個初始力，把初始力清零就會直接影響試驗力的結果。

4.2.2引伸計的標定和零位控制

對引伸計的標定：必須將引伸計的線端連接到測量系統中，將引伸計裝夾到變形標準器上，調整測量系統平衡后，轉動標準校準器的刻度盤使精密螺桿移動，進行標定。可見，引伸計的標定是一個精密的操作，而不能采用游標卡尺來標定，也不能把引伸計拿去送檢。

引伸計的零位控制：對于需使用引伸計的試驗，試樣在上、下夾具都夾緊后，必須對產生的初始力進行消除，然后把引伸計用橡皮筋綁在試樣上，使兩刀刃垂直接觸試樣，并使引伸計的墊片緊密卡在兩力臂與標距桿之間后才開始“清零”，取下墊片，保證力臂與標距桿之間保持0.5mm的間隙，這樣，引伸計夾持的標距才是在試樣自由狀態下的原始標距，然后才能進入試驗。

4.2.3位移的標定和零位控制

位移清零后必須保持零位值不變。有的試驗機在位移清零后會向一個方向飄移，位移零位可以通過位移控制器來調整，若仍然不能解決問題，可能是位移的中位出了偏移，必須請計量部門或廠家來標定，保證位移零位的穩定性。否則，位移控制的試驗就會有偏差。

4.3速率選擇與控制

GB/T228.1-2010標準的速率控制方法有三種：方法A（應變速率控制和橫梁位移控制）與方法B（應力控制），采用不同速率控制方法對試驗結果會有直接的影響。為此，筆者對同一根鋼筋截取9支試樣，3支采用速率為20MPa/s的應力控制;3支采用30MPa/s的應力控制;3支在彈性階段和屈服階段采用速率為3mm/min的橫梁位移控制，屈服后采用60mm/min的速率分別進行拉伸試驗，試驗結果如表1。

由表1可知，不同速率控制方法和同一控制方法不同速率大小測得的下屈服強度和抗拉強度都存在著差異，因此，拉伸試驗速率控制方法和速率大小影響著試驗結果的準確性，對于不同性質的材料應選擇合適的控制方法進行試驗，速率的控制必須符合相應標準的規定。

4.4夾持要求

不同形狀的試樣必須選擇與之相匹配的夾具;夾具必須有足夠的夾持力夾緊試樣;試樣的夾持必須保持垂直方向，不能傾斜，可以制作一個垂直直角附件，裝夾時比靠試樣看是否處于垂直方向，也可以單手捏著試樣的一端讓試樣處于自由垂直狀態，看是否與夾具面垂直;試樣夾持部分至少要為夾具面長度的3/4;所有的這些要求都是為了防止試樣在拉伸過程中發生打滑，以求獲得準確的試驗數據。

5.金屬材料拉伸試驗測量結果不確定度分析

5.1最大拉力值Fm的標準不確定度μ（Fm）

最大拉力值Fm的不確定性的主要組成部分是試驗機指示誤差的不確定性和試驗機的校準誤差。一方面，一部分不確定性的分項內容與試驗機的讀數誤差有關。試驗機力的數值測量的數學模型為Fm=F-ΔF，其中Fm代表測量值，F代表試驗機的讀數，ΔF代表試驗機的指示誤差。一些不確定因素是測試機器指示誤差不確定性的主要因素，如信號轉換或放大，采樣頻率，數字-模擬轉換和傳感器檢測能力等。這些參數可以由測試者制造商獲得。然而，通常還需要根據標準測試儀和不確定度進行重復測量，這是因為測試中的不確定性因素較多，結合這些影響因素導致測試結果的可靠性不足。必須根據A類定律判斷多次測量的結果。測功機的標準值為80kN，拉伸試驗機的讀數如表。一組數據完成后，沒有異常數據被排除在外。

讀數誤差標準不確定分量為μ（Fm1）=0.021%，平均值Fm=79814.03N.由于通過該年度穩定性產生的A類方法不確定性分量的基礎上，測量數據所獲得的測試儀誤差的不確定性是沒有必要考慮。在另一方面，試驗機，校準試驗機，標準測力計測試或校準顯示錯誤的不確定性的校準誤差的不確定性的內容，作為功率計的年度穩定性使用0.3級的標準功率計。標準不確定性是標準不確定性的兩個主要原因。一般而言，具有不確定年穩定性準則分布可以被認為是均勻的，也可以采取包含因子k=3，和B類方法被用作用于評估的基礎。對于標準測功機，年度穩定性不確定性通常可以忽略不計。基于由所述驗證證書給定了顯示錯誤的0.01%，不確定性是μ（Fm2）=0.01%/3=0.0058%，合成不確定性是Fm。兩個不確定性：μ2（Fm）=μ2（Fm1）+μ2（Fm2），μ（Fm）=0.022%。

5.2圓棒直徑d標準不確定度評定

圓棒直徑的數學模型為d=dm-e，其中，數學模型中d代表的是圓棒直徑的實測值，mm，dm是圓棒直徑的測量值，mm，e表示圓棒的直徑的千分尺誤差測量值，mm。圓棒的直徑的標準不確定度主要由圓棒直徑讀出錯誤的測量誤差和圓桿直徑的千分尺，指示錯誤確定。前者是由測試儀引入的用于測量直徑測量值的小項目，雖然有許多影響因素，但可以使用A類重復測量結果的不確定性評估。

μ（d1）=0.010%，將其平均值d=10.048毫米。千分尺所造成的由圓棒的直徑的指示的誤差測量值的誤差的不確定性，驗證者讀數的重復性，該千分尺指示值和其它因素會影響它。數學模型為e=Lm-Lb+LmαmΔtm-LbαbΔtb，其中e是千分尺錯誤示值;Lm為在20℃下測微計指示;，Lb是20℃的環境下的標距長度值;αb，αm是量塊和千分尺的線性膨脹系數;Δtm，Δtb指所用千分尺的偏差，并從20℃參考溫度下的量塊。驗證證書提供指示誤差的不確定性，該測量值是10.00毫米，不確定性是0.55μm，而相對不確定度為0.0055%。指示值的分布誤差是均勻的，并且可以采用包含因子k=3。由指示誤差產生的標準不確定度是μ（d2）=0.0032%，并且直徑標準不確定度是μ2（d）=μ2（d1）+μ2（d2），μ（d）=0.010%。

5.3數字修約不確定度評定

當待測機器約為0.1N時，測量結果為0.1/79814.03×100%=0.00013%，其分布可視為均勻。數值修復不確定度為μr=0.00013%/3=0.000072%。可以忽略。當將其修復至約1N/mm2時，認為分布均勻，并且μr=0.5/3=0.29N/mm2。最終試驗的拉伸強度確定為Rm=4Fm/πd2=1007N/mm2，并且數字圓化的相對不確定度為μr=0.02%。

5.4綜合不確定性評估

不確定性分量相互之間沒有相關性，因此μ2（Rm）=μ（Fm）2+2μ（d）2，μ（Rm）=0.022%。

5.5不確定度報告

試驗所測的金屬材料的抗拉強度測量和不確定度評估結果為：Rm=1007N/mm2，U=0.062%，K=2。

6.結語

綜上所述，受拉伸方法、試驗過程等方面要素的影響，當前電站鍋爐金屬材料拉伸試驗測量實踐中依舊存在諸多短板，阻礙著不確定度評定效果的優化提升，有關人員應該從其客觀實際出發，遵循拉伸試驗測量規律，提高評定效果。

參考文獻：

[1]賈峰宇，張晨仙，潘華峰.基于信息技術的金屬材料力學性能試驗控制系統軟件的設計與實現[J].中國建筑金屬結構（下旬刊）：2019（10）：225.

（作者單位：內蒙古自治區鍋爐壓力容器檢驗研究院）