金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定

楊威(廣東省地質(zhì)裝備中心，廣東 廣州 510510)

0 引言

室溫拉伸試驗(yàn)是評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)機(jī)械性能的試驗(yàn)方法之一，拉伸試驗(yàn)結(jié)果是評(píng)價(jià)金屬材料機(jī)械性能的重要性指標(biāo)，在生產(chǎn)中對(duì)材料的研究和評(píng)價(jià)起著舉足輕重的作用。在探礦機(jī)械制造過(guò)程中金屬材料的使用占主要地位，采用溫室拉伸試驗(yàn)結(jié)果作為評(píng)價(jià)金屬材料機(jī)拉伸械性能的符合性，其結(jié)果是判定材料是否能被接受的重要依據(jù)。

拉伸試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度與測(cè)量方法和測(cè)量裝置有密切關(guān)系，對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行正確評(píng)定能夠比較客觀的反映測(cè)量系統(tǒng)的可靠程度[1]。以探礦機(jī)械生產(chǎn)中金屬薄板件為例，研究金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)的測(cè)量不確定度評(píng)定。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器

(1)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)：SD-30KD，1.0級(jí)，允差：±1.0%；

(2)千分尺，型號(hào)：0～25 mm，允差：±0.01 mm；

(3)游標(biāo)卡尺，型號(hào)：0～200 mm，允差：±0.02 mm；

儀器和設(shè)備在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)或自校，確認(rèn)儀器和設(shè)備狀態(tài)正常。

1.2 試驗(yàn)方法

GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[2]。

1.3 評(píng)定項(xiàng)目

依據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》的規(guī)定，進(jìn)行金屬材料拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm的測(cè)量不確定度。

1.4 測(cè)試樣件

用ST12冷軋鋼板，按GB/T 2975的要求切取樣坯和制備試樣，試樣均符合試驗(yàn)要求，制作備用試樣12個(gè)，其中兩個(gè)備用。

2 評(píng)定數(shù)據(jù)

2.1 拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm測(cè)量不確定度的評(píng)定

2.1.1 拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm檢測(cè)程序

首先測(cè)量矩形截面試樣截面原始厚度a0、原始寬度b0，計(jì)算原始截面積S0；再以規(guī)定速率施加拉力，直至試樣斷裂；最后讀取斷裂過(guò)程中的最大力Fm，并計(jì)算出抗拉強(qiáng)度Rm=Fm/S0。

注：在同樣試驗(yàn)條件下，完成重復(fù)的10次試驗(yàn)，并記錄結(jié)果。

2.1.2 抗拉強(qiáng)度Rm測(cè)量數(shù)據(jù)

10個(gè)測(cè)量值，測(cè)量值經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的換算和整理后得到如表1的所示結(jié)果。

表1 金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

2.1.3 抗拉強(qiáng)度Rm數(shù)學(xué)模型

根據(jù)抗拉強(qiáng)度定義；最大力Fm，除以試樣原橫截面積S0所得的應(yīng)力Rm，稱為抗拉強(qiáng)度或者強(qiáng)度極限，即，在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。數(shù)學(xué)模型為：

式中：Rm為抗拉強(qiáng)度(N/mm2)；Fm為斷裂過(guò)程中的最大力(N)；S0為金屬材料橫截面積(mm2)。

2.1.4 抗拉強(qiáng)度Rm不確定度來(lái)源

金屬材料拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm不確定度的來(lái)源，主要包括不確定度分量如下：(1)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度urel(rep)；(2)最大力Fm引入的不確定度urel(Fm)；(3)原始橫截面積S0引入的不確定度urel(S0)；(4)拉伸速率影響帶來(lái)的不確定度urel(Rmv)；(5)數(shù)據(jù)修約[3]和其他因素對(duì)不確定度影響甚小，忽略。

2.1.5 不確定度分量評(píng)定

(1)測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(rep)(A類(lèi)評(píng)定方法)

由于重復(fù)測(cè)量次數(shù)較多(10次)，故實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差使用貝塞爾公式計(jì)算：

測(cè)量重復(fù)性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(rep)(評(píng)定時(shí)取3個(gè)試樣測(cè)量的平均值的不確定度，因而取n=3)：

(2)最大力，F(xiàn)m的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(Fm)(B類(lèi)評(píng)定方法)

①試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)示值誤差帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Fm)

1.0 級(jí)的拉力試驗(yàn)機(jī)示值誤差為±1.0%[4]，在實(shí)際測(cè)量中，常常將測(cè)量設(shè)備的測(cè)量示值誤差以均勻分布等次用B類(lèi)方法進(jìn)行示值誤差不確定度的評(píng)定[5]，按均勻分布考慮，則

②標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F2)

使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，重復(fù)性R=0.1%，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

③計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F3)

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為urel(F3)=0.2%。

④最大力Fm的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(3)原始橫截面積S0的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(S0)

測(cè)定原始橫截面積時(shí)，測(cè)量每一個(gè)尺寸應(yīng)準(zhǔn)確到±0.5%：

(4)拉伸速率Rmv影響帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(Rmv)

試驗(yàn)得出，在拉伸速率變化范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度最大相差RR=12，所以拉伸速率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響為區(qū)間半寬度即RR/2=6，按均勻分布考慮：

2.1.6 抗拉強(qiáng)度Rm的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

抗拉強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表如表2所示。

表2 抗拉強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

2.1.7 抗拉強(qiáng)度Rm的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.1.8 抗拉強(qiáng)度Rm的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

取包含概率p=95%，包含因子k=2，則：

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)金屬制品及材料室溫拉伸試驗(yàn)研究了抗拉強(qiáng)度Rm的測(cè)量不確定度，研究結(jié)果表明：作為規(guī)范化的檢測(cè)試驗(yàn)室，在人員、設(shè)備、試樣、方法、環(huán)境和管理等受控以及包含因子k=2的條件下，抗拉強(qiáng)度Rm的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel(Rm)=2.9%；同時(shí)在金屬拉伸試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，可能引起的測(cè)量不確定度分量進(jìn)行了分析與評(píng)定，主要有測(cè)量的重復(fù)性，試驗(yàn)力偏差，試驗(yàn)截面積，拉伸速率引入的測(cè)量不確定度，其中拉伸速率對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度貢獻(xiàn)較大。