不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果不確定度的評定

盧文東 李志宏

摘要：金屬材料的力學(xué)性能是材料性能測試的重要技術(shù)要求，在提供測量結(jié)果的同時，還應(yīng)提供其測量不確定度。依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，選用WDW-50E 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對厚度為1.9 mm、牌號為06Cr19Ni10的不銹鋼板材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并通過數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)計算，對抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果不確定度進(jìn)行評定，評定過程按照不確定度評定的一般要求和規(guī)律，通過對不確定度來源的分析，找出影響測量準(zhǔn)確度的主要原因。評定結(jié)果表明，在這種試驗(yàn)條件下的不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果不確定度為0.9%。

關(guān)鍵詞：金屬材料;抗拉強(qiáng)度;不確定度;不銹鋼板材

中圖分類號：TG115文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0308-03

Evaluation of Uncertainty of Tensile Strengthtest Results of Stainless Steel Plate

Lu Wendong，Li Zhihong

（ Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision，F(xiàn)oshan，Guangdong 528300，China ）

Abstract：Themechanicalpropertyof metalmaterialisanimportanttechnicalrequirementof materialpropertytest.Themeasurement uncertainty should be provided as well as the measurement results.According to GB/T 228.1-2010 metallic materials tensile test Part 1：room temperature test method，JJF 1059.1-2012 Evaluation andexpression of measurement uncertainty，WDW-50Emicrocomputer controlled electronic universal testingmachinewasusedtocarryouttensiletestonstainlesssteelplatewiththicknessof 1.9 mmandgradeof 06Cr19Ni10，and the uncertainty of tensile strength test results wasevaluated through mathematical model derivation and calculation.The evaluation process was based on the general requirements and rules of uncertainty evaluation，and the sources of uncertainty were analyzed.The main factors affecting the accuracy of measurement were found out.The evaluation results show that the uncertainty of tensile strength test results of stainless steel plate under this test condition is 0.9%.

Key words：metal materials;tensile strength;uncertainty;stainless steel plate

0 引言

不確定度是指由于測量誤差的存在而引起的測量值的不確定，它是衡量測量結(jié)果質(zhì)量的一個指標(biāo)。不確定度較小的話，說明測量結(jié)果接近真值，測試數(shù)據(jù)基本可信。不確定度較大的話，說明測量結(jié)果離真值較遠(yuǎn)，測試數(shù)據(jù)不太可采信。在報告物理量的測量結(jié)果時，測量報告必須附有詳細(xì)的不確定度報告供使用者參考[1]。測量結(jié)果和精度是最重要的，測量結(jié)果的精度評價一直是科學(xué)界和工程技術(shù)界的難題。多年來，評價方法和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，評價方法爭論不斷，使得國際上的檢測檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)之間對測量結(jié)果無法進(jìn)行有意義的比較。為了避免用“誤差”概念來表達(dá)測量結(jié)果所帶來的各種各樣問題，各國際組織和專家學(xué)者提出用“測量不確定度”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的誤差表示體系來評價測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[2-3]。

不銹鋼板材力學(xué)性能中的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)是判斷不銹鋼板材是否合格的標(biāo)準(zhǔn)之一，也是毛坯材料、零部件制造和設(shè)計的重要依據(jù)。由于不銹鋼板材的拉伸試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，不銹鋼板材的不均勻性和試驗(yàn)的不可重復(fù)性，使得測試結(jié)果有一定的分散性，因此，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行評定是必須的[4]。

目前，行業(yè)上對牌號為06Cr19Ni10的不銹鋼板材的抗拉強(qiáng)度的不確定度的分析研究相對其他鋼材較少。本文依照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》要求[5]，對厚度為1.9 mm的不銹鋼板材的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測，根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》要求[6]，通過數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)計算對拉伸試驗(yàn)結(jié)果的偏差值的測量不確定度進(jìn)行了評定，全面分析影響測試結(jié)果的主要因素，同時有利于更好地指導(dǎo)檢測工作，使檢測結(jié)果更具可信性。

1 抗拉強(qiáng)度的測量及測量不確定度的來源

1.1試驗(yàn)的方法標(biāo)準(zhǔn)和判定依據(jù)

依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》，對厚度為1.9 mm 的不銹鋼板材進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，以應(yīng)變速度為0.00025/s 施加拉力，將不銹鋼板材試樣拉伸到斷裂為止，不銹鋼板材的抗拉強(qiáng)度等于試樣拉斷過程中最大力所對應(yīng)的應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)的環(huán)境條件

金屬材料受溫度的影響較為明顯，一般情況下，溫度越高，不銹鋼板材塑性能指標(biāo)隨著升高，則其強(qiáng)度性能指標(biāo)下降，GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)環(huán)境溫度為10～35℃，本次試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室恒溫在23～24℃，溫度變化帶來的測量不確定度可以忽略不計[7]。

1.3 試驗(yàn)的設(shè)備

試驗(yàn)使用山東濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的WDW-50E 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、哈量千分尺。試驗(yàn)設(shè)備帶來的測量不確定度的數(shù)值可以從該設(shè)備有效的計量檢定證書中獲得。

1.4 試驗(yàn)的材料

從同一塊牌號為06Cr19Ni10的不銹鋼板材上按同一方向均勻線切割截取10片試樣進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，所有試樣的切割邊緣統(tǒng)一進(jìn)行去硬化處理以消除樣品制備對抗拉強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)材料引起的測量不確定度可以通過大量的重復(fù)性測量獲得[8]。

1.5 試驗(yàn)的操作員

試驗(yàn)操作人員主要給測試數(shù)值結(jié)果帶來過失誤差和偶然誤差，其差值的正負(fù)和大小不是一成不變的，實(shí)驗(yàn)者因其技術(shù)水平和心理因素的不同，會使測試結(jié)果產(chǎn)生不確定的影響。在實(shí)際操作拉伸試驗(yàn)中，薄板的矩形拉伸試樣，如果不嚴(yán)格按照操作規(guī)程的話就很容易出錯，這就造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確的現(xiàn)象[9]。本次試驗(yàn)采用同一試驗(yàn)人員進(jìn)行測試以盡量減少人為的測量誤差。

1.6 試樣的夾持方法

試件的夾緊方式對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大影響。在抗拉試驗(yàn)中，夾緊方式方法是非常重要的。如果夾持不穩(wěn)，試件會失控打滑，無法完成;如果夾持試樣方式方法出現(xiàn)偏離，試驗(yàn)結(jié)果會有較大誤差。在抗拉試驗(yàn)中，由于應(yīng)力集中，試樣經(jīng)常在夾持部位或標(biāo)距外斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。試驗(yàn)機(jī)的加載軸應(yīng)與試樣的幾何中心一致[10]。

1.7 關(guān)于試樣的夾持清零問題

有時引起抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)值偏低的主要原因是試驗(yàn)人員操作拉力試驗(yàn)機(jī)時對試樣的夾持力清零所致。正確的方法是試樣夾持前先清零，因拉力試驗(yàn)機(jī)電腦軟件設(shè)置不同的原因要求夾持試樣后不能清零，否則將導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度結(jié)果偏低。

2 不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果的數(shù)學(xué)模型

不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度按下式計算：

式中：Rm 為抗拉強(qiáng)度，N/mm2;Fm 為試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力，N;a 為不銹鋼板材矩形橫截面試樣厚度，取1.9 mm;b 為不銹鋼板材矩形橫截面試樣平行長度的寬度，取15 mm。

3 抗拉強(qiáng)度不確定度分量

抗拉強(qiáng)度不確定度分量包括：最大力不確定度分量uFm;數(shù)據(jù)修約的不確定度分量uRm2;不銹鋼板材厚度不確定度分量ua;不銹鋼板材試樣寬度不確定度分量ub;檢測結(jié)果的重復(fù)性引入的不確定度uRm1。

依照式（1）可以推出不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度的相對不確定度為：

3.1不銹鋼板材厚度、寬度標(biāo)準(zhǔn)不確定度ua、ub

測量儀器的精度必須滿足試驗(yàn)要求，壓力值、表面污染和測量工具的零點(diǎn)也影響測量精度。因此，試驗(yàn)前必須對各種計量器具進(jìn)行校準(zhǔn)，并保持量具的清潔。不銹鋼板材試樣的厚度和寬度分別為1.9 mm、15 mm，這兩個尺寸測量的不確定度由兩部分組成：千分尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度和操作者所引入的測量不確定度。

（1）千分尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度u1

千分尺儀器的不確定度：u =1.2μm（ k =2），則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）由操作者所引入的測量不確定度u2

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計，由操作者引入的測量誤差在±10μm 范圍內(nèi)，以均勻分布估計，則：

兩者合成后，得厚度和寬度測量的不確定度均為：

3.2 檢測結(jié)果重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度uRm1

不銹鋼板材在鑄造和加工過程中，由于化學(xué)成分的分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻，同一產(chǎn)品不同部位的抗拉性能也不同。取樣方向的不同會明顯影響不銹鋼板材拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度，因此在取樣時嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，以避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差造成誤判。本試驗(yàn)從同一塊不銹鋼板材上均勻截取10片相同方向的不銹鋼板材，進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，結(jié)果如下：820 N/mm2、825N/mm2、825 N/mm2、830 N/mm2、820 N/mm2、830 N/mm2、820 N/mm2、830 N/mm2、830 N/mm2、830 N/mm2。采用A 類不確定度評定，平均值Rm 為826 N/mm2。

10次測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，則測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3 拉力標(biāo)準(zhǔn)不確定度uFm

在試驗(yàn)過程中，必須保證試驗(yàn)機(jī)和引伸計在檢定合格的有效期內(nèi)。另外，要注意的是，如果試件放偏、不平，力不垂直，會影響測量結(jié)果的真實(shí)性。

（1）試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uFm1

依照WDW-50E 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢定證書提供：u =0.4%（ k =2），則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uFm2

選用量程為50 kN，分辨率為1N，則每一個讀數(shù)值可能包含的誤差應(yīng)在±0.5 N 范圍內(nèi)，數(shù)顯儀表在其范圍內(nèi)滿足矩形分布（根據(jù)3.2，10塊不銹鋼板材測得值的數(shù)學(xué)期望值所對應(yīng)的拉力為826×1.9×15×10-3=23.54 kN ），采用B 類評定，則讀數(shù)不確定度為：

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

由于試驗(yàn)機(jī)、讀數(shù)引入的不確定度分量之間彼此無關(guān)聯(lián)，所以拉力標(biāo)準(zhǔn)不確定度可合成為：

3. 4 數(shù)據(jù)修約標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)試驗(yàn)儀器的特征，不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度修約數(shù)值間隔等于5N/mm2，根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》要求，由于數(shù)據(jù)修約引起的測量不確定度為[11]：

則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4 不確定度分量列表

不確定度分量如表1所示。

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于不銹鋼板材厚度偏差、不銹鋼板材寬度偏差、檢測結(jié)果重復(fù)性不確定度、拉力不確定度、數(shù)據(jù)修約不確定度，它們之間彼此無關(guān)聯(lián)，是獨(dú)立的，由此可得到抗拉強(qiáng)度的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

6 擴(kuò)展不確定度

選擇包含因子k=2，則其相對擴(kuò)展不確定度為：

7 不確定度報告

不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果不確定度的評定：寬度為15 mm，厚度為1.9 mm 牌號為06Cr19Ni10的不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果相對擴(kuò)展不確定度為：Ur，Rm = 0. 9% ，它是由相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.45%和包含因子k = 2乘積得到的[12]

8 結(jié)束語

本文依據(jù)GB / T228. 1-2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》JF 1059. 1-2012 《測量不確定度評定與表示》，通過對厚度為1. 9 mm的牌號為06Cr19Ni10不銹鋼板材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，提出并分析了不確定度來源，通過對抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果不確定度的評定，使不銹鋼板材抗拉強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)更接近真實(shí)結(jié)果，有利于更好地指導(dǎo)檢測工作，使檢測結(jié)果更具可信性，使籠統(tǒng)的不確定度評定步驟變得規(guī)范、統(tǒng)一，有章可循，使看似復(fù)雜深奧的不確定度評定得以優(yōu)化，滿足日常測量的實(shí)際需要。

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第一作者簡介：盧文東（1969-），男，廣東興寧人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。（編輯：王智圣）