金屬線材扭轉(zhuǎn)性能的測(cè)量不確定度評(píng)定

彭 萌, 孫小波, 郗 濤

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 西安 710089)

眾所周知，對(duì)材料的任何特性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)論人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等條件如何完善，其測(cè)量結(jié)果始終存在不確定性。測(cè)量的水平和質(zhì)量用測(cè)量不確定度來(lái)評(píng)價(jià)，不確定度越小，則測(cè)量結(jié)果的可疑程度越小、可信程度越大、測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越高，反之則測(cè)量結(jié)果的可疑程度越大、可信程度越小、測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越差。在材料性能檢測(cè)中，不確定度的評(píng)定與表示方法的統(tǒng)一是科技交流和國(guó)際貿(mào)易的迫切需要，在試驗(yàn)室質(zhì)量管理和質(zhì)量保證中尤為重要[1-2]。

金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是以試樣自身為軸線，沿單向或交變方向均勻扭轉(zhuǎn)，直至試樣斷裂或達(dá)到規(guī)定的扭轉(zhuǎn)次數(shù)為止的過(guò)程。金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是檢驗(yàn)金屬線材承受塑性變形的能力及顯示線材的表面或內(nèi)部缺陷的重要手段之一，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果也存在著不確定度。筆者對(duì)某70E鋼絲進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并對(duì)其扭轉(zhuǎn)性能的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，供理化試驗(yàn)室人員參考。

1 測(cè)量準(zhǔn)備

1.1 測(cè)量方法

測(cè)量方法參考YB/T 5311-2010《重要用途碳素彈簧鋼絲》和GB/T 239-2012《金屬材料 線材 第一部分：?jiǎn)蜗蚺まD(zhuǎn)試驗(yàn)方法》。

1.2 評(píng)定依據(jù)

評(píng)定依據(jù)為CNAS-CL01：2018《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》[3]和JJF 1059-2019《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)通過(guò)計(jì)量部門校驗(yàn)，準(zhǔn)確程度滿足《金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)程序》的要求。

1.4 環(huán)境條件

根據(jù)GB/T 239.1-2012的規(guī)定，試驗(yàn)一般應(yīng)在10～35 ℃的室溫下進(jìn)行，如有特殊要求，試驗(yàn)溫度應(yīng)為(23±5) ℃。該次試驗(yàn)的溫度為26 ℃。

1.5 試驗(yàn)原理

試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上繞自身軸線向一個(gè)方向均勻旋轉(zhuǎn)360°作為一次扭轉(zhuǎn)，直至達(dá)到規(guī)定次數(shù)或試樣斷裂為止。

1.6 測(cè)量對(duì)象

測(cè)量對(duì)象為70E鋼絲，直徑為2 mm。

1.7 測(cè)量過(guò)程

在GB/T 239.1-2012所要求的環(huán)境條件下，用經(jīng)計(jì)量合格的K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)70E鋼絲試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)。試樣標(biāo)距長(zhǎng)度為200 mm，扭轉(zhuǎn)速度為60 r·min-1。

2 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)試驗(yàn)原理，金屬線材扭轉(zhuǎn)性能T的數(shù)學(xué)模型為

T=X+δTS

(1)

式中:X為K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)，即測(cè)量結(jié)果；δTS為K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響，其數(shù)學(xué)期望為0，但是需要考慮不確定度。

3 測(cè)量不確定度來(lái)源的分析

根據(jù)計(jì)量結(jié)果，已知K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在200格的使用條件下，最大允許誤差為0.5格。用6次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果。K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量70E鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能時(shí)，溫度效應(yīng)、彈性效應(yīng)及其他不確定來(lái)源忽略不記。測(cè)量結(jié)果不確定度主要來(lái)源于以下兩方面：

①連續(xù)重復(fù)性的讀數(shù)測(cè)量所引入的不確定度分量；

②讀數(shù)示值誤差所引入的不確定度分量。

4 測(cè)量不確定度分量

4.1 讀數(shù)X的不確定度u1(T)=u(X)

此測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度包含試驗(yàn)材料的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量值的影響，采用測(cè)量不確定度評(píng)定中的A類方法進(jìn)行評(píng)定。采用貝塞爾公式計(jì)算出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s,并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果的平均值計(jì)算式為

(2)

(3)

4.2 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差的不確定度u2(T)=u(δTS)

該試驗(yàn)所用的K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)經(jīng)計(jì)量檢定合格，其允許示值誤差服從均勻分布，則該裝置的允許示值誤差采用B類方法評(píng)定。所以不確定度分量u2(T)為

(4)

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于連續(xù)測(cè)量值引入的不確定度與K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差引入的不確定度兩者是獨(dú)立的，所以合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為

(5)

由式(5)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度uc(T)=3.630 8。

6 擴(kuò)展不確定度U

本測(cè)量共兩項(xiàng)不確定度分量，其中u2(T)對(duì)不確定度的影響很大，所以以u(píng)2(T)的矩形分布為基準(zhǔn)。當(dāng)置信概率為95%時(shí)，矩形分布的K95=1.65，所以U95=K95uc(T)=5.99格。

7 測(cè)量不確定度的評(píng)定結(jié)果

上述不確定度的意義為該金屬線材扭轉(zhuǎn)性能的測(cè)量值落在[34.5-5.99，34.5+5.99]格內(nèi)的可能性為95%。

8 結(jié)束語(yǔ)

扭轉(zhuǎn)性能測(cè)量不確定度結(jié)果表示為一個(gè)區(qū)間，被測(cè)量材料扭轉(zhuǎn)性能的可能值以95%的置信概率落于區(qū)間內(nèi)，即表征被測(cè)量的真值所處的范圍。通過(guò)評(píng)定測(cè)量不確定度可以知道檢測(cè)結(jié)果判斷的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的判定和試驗(yàn)結(jié)論的判斷有所幫助。

70E鋼絲直徑為2 mm時(shí)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求扭轉(zhuǎn)次數(shù)不小于25次，根據(jù)不確定度的評(píng)定可知，金屬線材扭轉(zhuǎn)性能的不確定度區(qū)間為(34.5±5.99)格。若檢測(cè)值大于等于30.99次，則該產(chǎn)品一定合格；若檢測(cè)值小于等于19.01次，則該產(chǎn)品一定不合格；若檢測(cè)值為19.01～30.99格，則應(yīng)比較合格概率與不合格概率的大小來(lái)判斷是否合格。測(cè)量不確定度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)界限值時(shí)的判斷尤為關(guān)鍵，需要試驗(yàn)室檢驗(yàn)人員尤其關(guān)注。