金屬線材扭轉性能的測量不確定度評定

彭 萌, 孫小波, 郗 濤

(中航西安飛機工業集團股份有限公司, 西安 710089)

眾所周知，對材料的任何特性指標進行測量時，無論人員、設備、方法、環境等條件如何完善，其測量結果始終存在不確定性。測量的水平和質量用測量不確定度來評價，不確定度越小，則測量結果的可疑程度越小、可信程度越大、測量結果的質量越高，反之則測量結果的可疑程度越大、可信程度越小、測量結果的質量越差。在材料性能檢測中，不確定度的評定與表示方法的統一是科技交流和國際貿易的迫切需要，在試驗室質量管理和質量保證中尤為重要[1-2]。

金屬線材扭轉試驗是以試樣自身為軸線，沿單向或交變方向均勻扭轉，直至試樣斷裂或達到規定的扭轉次數為止的過程。金屬線材扭轉試驗是檢驗金屬線材承受塑性變形的能力及顯示線材的表面或內部缺陷的重要手段之一，扭轉試驗結果也存在著不確定度。筆者對某70E鋼絲進行扭轉試驗，并對其扭轉性能的測量不確定度進行了評定，供理化試驗室人員參考。

1 測量準備

1.1 測量方法

測量方法參考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：單向扭轉試驗方法》。

1.2 評定依據

評定依據為CNAS-CL01：2018《檢測和校準實驗室能力的通用要求》[3]和JJF 1059-2019《測量不確定度評定與表示》。

1.3 試驗設備

試驗設備為K2型扭轉試驗機。該試驗機已經通過計量部門校驗，準確程度滿足《金屬線材扭轉試驗機校準程序》的要求。

1.4 環境條件

根據GB/T 239.1-2012的規定，試驗一般應在10～35 ℃的室溫下進行，如有特殊要求，試驗溫度應為(23±5) ℃。該次試驗的溫度為26 ℃。

1.5 試驗原理

試樣在扭轉試驗機上繞自身軸線向一個方向均勻旋轉360°作為一次扭轉，直至達到規定次數或試樣斷裂為止。

1.6 測量對象

測量對象為70E鋼絲，直徑為2 mm。

1.7 測量過程

在GB/T 239.1-2012所要求的環境條件下，用經計量合格的K2型扭轉試驗機對70E鋼絲試樣進行扭轉性能試驗。試樣標距長度為200 mm，扭轉速度為60 r·min-1。

2 建立數學模型

根據試驗原理，金屬線材扭轉性能T的數學模型為

T=X+δTS

(1)

式中:X為K2型扭轉試驗機的讀數，即測量結果；δTS為K2型扭轉試驗機的讀數示值誤差對于測量結果的影響，其數學期望為0，但是需要考慮不確定度。

3 測量不確定度來源的分析

根據計量結果，已知K2型扭轉試驗機在200格的使用條件下，最大允許誤差為0.5格。用6次測量的平均值作為測量結果。K2型扭轉試驗機測量70E鋼絲的扭轉性能時，溫度效應、彈性效應及其他不確定來源忽略不記。測量結果不確定度主要來源于以下兩方面：

①連續重復性的讀數測量所引入的不確定度分量；

②讀數示值誤差所引入的不確定度分量。

4 測量不確定度分量

4.1 讀數X的不確定度u1(T)=u(X)

此測量重復性引入的測量不確定度包含試驗材料的均勻性和穩定性對測量值的影響，采用測量不確定度評定中的A類方法進行評定。采用貝塞爾公式計算出試驗標準偏差s,并計算出標準測量不確定度，測量結果見表1。

測試結果的平均值計算式為

(2)

(3)

4.2 K2型扭轉試驗機的讀數示值誤差的不確定度u2(T)=u(δTS)

該試驗所用的K2型扭轉試驗機經計量檢定合格，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類方法評定。所以不確定度分量u2(T)為

(4)

5 合成標準不確定度

由于連續測量值引入的不確定度與K2型扭轉試驗機的讀數示值誤差引入的不確定度兩者是獨立的，所以合成標準測量不確定度為

(5)

由式(5)計算出標準合成不確定度uc(T)=3.630 8。

6 擴展不確定度U

本測量共兩項不確定度分量，其中u2(T)對不確定度的影響很大，所以以u2(T)的矩形分布為基準。當置信概率為95%時，矩形分布的K95=1.65，所以U95=K95uc(T)=5.99格。

7 測量不確定度的評定結果

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

8 結束語

扭轉性能測量不確定度結果表示為一個區間，被測量材料扭轉性能的可能值以95%的置信概率落于區間內，即表征被測量的真值所處的范圍。通過評定測量不確定度可以知道檢測結果判斷的風險，對產品質量的判定和試驗結論的判斷有所幫助。

70E鋼絲直徑為2 mm時，技術標準要求扭轉次數不小于25次，根據不確定度的評定可知，金屬線材扭轉性能的不確定度區間為(34.5±5.99)格。若檢測值大于等于30.99次，則該產品一定合格；若檢測值小于等于19.01次，則該產品一定不合格；若檢測值為19.01～30.99格，則應比較合格概率與不合格概率的大小來判斷是否合格。測量不確定度對試驗數據出現界限值時的判斷尤為關鍵，需要試驗室檢驗人員尤其關注。