淺析建筑排水用硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強(qiáng)度測(cè)量不確定度

■ 許 靜

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350001)

淺析建筑排水用硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強(qiáng)度測(cè)量不確定度

■ 許 靜1，2

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350001)

硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強(qiáng)度是衡量建筑排水用硬聚氯乙烯管材質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。本文通過(guò)剖析拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析評(píng)定，最后，找出了影響拉伸屈服強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果的主要因素，從而提高建筑排水用硬聚氯乙烯管材的質(zhì)量。

硬聚氯乙烯管材 拉伸屈服強(qiáng)度 不確定度 評(píng)定

建筑排水用硬聚氯乙烯管材簡(jiǎn)稱(chēng)為UPVC或PVCU排水管，是以PVC樹(shù)脂為主要原料，加入適量填充料及適宜的助劑，如穩(wěn)定劑、改性劑、潤(rùn)滑劑等，經(jīng)擠出機(jī)擠出成型而成。其拉伸屈服強(qiáng)度是評(píng)價(jià)PVC-U管材承受縱向外力特性的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。本文通過(guò)剖析拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析評(píng)定，最后，找出了影響拉伸屈服強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果的主要因素。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

按GB/T5836.1-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管材》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T5836.1)規(guī)定，拉伸屈服強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)GB/T8804.2-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測(cè)定 第2部分：硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVCC)和高抗沖聚氯乙烯 (PVC-HI)管材》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T8804.2)和標(biāo)準(zhǔn)GB/T8804.1-2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測(cè)定 第1部分：試驗(yàn)方法總則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB/T8804.1)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

所用試驗(yàn)設(shè)備有：微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT4304(0.5級(jí))和數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01mm)。

本文選用白色、公稱(chēng)外徑為110mm的建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材，按GB/T5836.1及GB/T8804.2進(jìn)行試驗(yàn)，試樣采用沖裁試樣 (類(lèi)型2)數(shù)量5個(gè)，按GB/T2918-1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在 (23±2)℃環(huán)境中進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，用精度為0.01mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的寬度及最小厚度，計(jì)算試樣原始截面積，調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)速度為 (5±0.5)mm/min；夾持試樣盡量使其軸線與拉伸應(yīng)力方向一致，對(duì)其施加軸向拉力，記錄其達(dá)到屈服時(shí)的應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得到拉伸屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果以5個(gè)試樣的算術(shù)平均值表示，結(jié)果保留三位有效數(shù)字，小數(shù)點(diǎn)后第1位有效數(shù)字按四舍五入處理。

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)GB/T8804.2，拉伸屈服強(qiáng)度：

式中，σ——拉伸屈服強(qiáng)度，(MPa)；

F——屈服點(diǎn)的拉力，(N)；

A——試樣的原始截面積，(mm2)；

b——試樣平行部分寬度，(mm)；

h——試樣最小厚度，(mm)；

m——試樣個(gè)數(shù)。

根據(jù)JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，測(cè)量不確定度主要來(lái)源有：

(1)重復(fù)性測(cè)量及樣品不均性所引入的不確定度分量urel(rep)；

(2)屈服點(diǎn)拉力F測(cè)量誤差所引入的不確定度分量urel(F)，包括試驗(yàn)機(jī)示值誤差引入的不確定度urel1(F)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel2(F)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集力值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel3(F)；

(3)試樣平行部分寬度b測(cè)量所引入的不確定度分量urel1(b)；

(4)試樣最小厚度h測(cè)量所引入的不確定度分量urel1(h)；

(5)其他如試驗(yàn)速率的偏差、試驗(yàn)機(jī)的分辨力、試驗(yàn)環(huán)境條件引起的不確定度。因使用的微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)以一固定速率加載變化較小，分辨力較高，其引入的不確定度可忽略不計(jì)，同時(shí)測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度、濕度波動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍波動(dòng)較小，則其產(chǎn)生的不確定度亦忽略不計(jì)。

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及其評(píng)定

3.1 重復(fù)性測(cè)量及樣品不均性所引入的不確定度分量urel1(rep)

重復(fù)性引起的相對(duì)不確定度主要來(lái)源于拉力測(cè)量的重復(fù)性、試樣平行部分寬度b測(cè)量的重復(fù)性和試樣最小厚度測(cè)量的重復(fù)性。

試樣采用白色、公稱(chēng)外徑為110mm的建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材，壁厚為3.2mm，沖裁10個(gè)試樣(類(lèi)型2)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

拉伸屈服強(qiáng)度σ平均值：

拉伸屈服強(qiáng)度σ標(biāo)準(zhǔn)偏差：

重復(fù)性引起的相對(duì)不確定度分量：

實(shí)際測(cè)量情況是在重復(fù)條件下連續(xù)測(cè)量5個(gè)，以5個(gè)試樣的拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的平均值為最終測(cè)量結(jié)果，得到拉伸屈服強(qiáng)度σ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.2 屈服點(diǎn)拉力測(cè)量誤差所引入的不確定度分量urel(F)

3.2.1 試驗(yàn)機(jī)最大允許示值誤差引入的不確定度urel1(Fmax)

根據(jù)GB/T8804.1要求，材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能以恒定速率加載，示值相對(duì)誤差不大于±0.5%，試驗(yàn)的最大荷載應(yīng)在試驗(yàn)機(jī)示值的15%～90%之間。因此，本次試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT4304(配1kN的拉壓力傳感器，精度0.5級(jí))，其最大允許示值誤差為±0.5%，誤差范圍區(qū)間的半寬度為0.5%，示值誤差出現(xiàn)在區(qū)間 [-0.5%，+0.5%]的概率是均勻的，并滿足矩形分布，所以包含因子

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel2(F)

0.5級(jí)試驗(yàn)機(jī)是借助于0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行校準(zhǔn)的，則其最大允許誤差為0.2%，包含因子為 。因此引入的B類(lèi)評(píng)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：。由此引入的B類(lèi)評(píng)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集力值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel3(F)

由JJF1103-2003計(jì)量技術(shù)規(guī)范附錄B.3可知，該不確定度與采樣速率及系統(tǒng)的分辨率有關(guān)，一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所引入的B類(lèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.4 屈服點(diǎn)拉力F測(cè)量誤差所引入的不確定度分量urel(F)

從上述三個(gè)方面的因素所引入的測(cè)量不確定度彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以屈服點(diǎn)拉力F測(cè)量誤差所引入的不確定度分量urel(F)可合成為：

3.3 試樣平行部分寬度b測(cè)量所引入的不確定度分量urel(b)

試樣平行部分寬度b測(cè)量所引入的不確定度分量urel(b)由兩部分組成：數(shù)顯游標(biāo)卡尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度分量urel(b1)和操作者所引入的不確定度分量urel(b2)。按GB/T8804.1要求，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材的拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)采用沖裁類(lèi)型2試樣，其試樣平行部分寬度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為6mm[0，+0.4mm]，其出現(xiàn)在此區(qū)間的概率是均勻的，為固定分量。

3.3.1 示值誤差導(dǎo)致的不確定度分量urel(b1)

采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量，精度為0.01mm，以均勻分布估計(jì)，。則示值誤差所引入的不確定度為：

3.3.2 操作者所引入的不確定度分量urel(b2)

本次試驗(yàn)采用10件試樣，各測(cè)3次，urel(b2)按合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差Sp(xk)貝塞爾公式計(jì)算：

其中，取m=1,n=3。

由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得：

兩者合成后，得到試樣平行部分寬度b測(cè)量所引入的不確定度分量urel(b)：

3.4 試樣最小厚度h測(cè)量所引入的不確定度分量urel(h)

試樣最小厚度h測(cè)量所引入的不確定度分量urel(h)由兩部分組成：數(shù)顯游標(biāo)卡尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度分量urel(h1)和操作者所引入的不確定度分量urel(h2)。

按GB/T8804.1要求，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管材的拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)采用沖裁類(lèi)型2試樣，試樣的厚度為3.2mm，為固定分量。

3.4.1 示值誤差導(dǎo)致的不確定度分量urel(h1)

采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量，精度為0.01mm，以均勻分布估計(jì)，。則示值誤差所引入的不確定度為：

3.4.2 操作者所引入的不確定度分量urel(h2)

本次試驗(yàn)采用10件試樣，各測(cè)3次，urel(h2)按合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差Sp(xk)貝塞爾公式計(jì)算：

其中，取m=10,n=3。

由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得：

兩者合成后，得到試樣平行部分寬度h測(cè)量所引入的不確定度分量urel(h)：

3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

由于各分量之間彼此獨(dú)立，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.6 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

本例在報(bào)告合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)，缺少有關(guān)自由度的信息，這在使用計(jì)量?jī)x器進(jìn)行常規(guī)測(cè)量時(shí)是經(jīng)常遇到的。實(shí)際上，估算B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)，都隱含地假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度是確切知道的，這就暗示它們相應(yīng)的自由度都趨近∞(亦即標(biāo)準(zhǔn)不確定度的相對(duì)不確定度趨近于零)。因此根據(jù)韋爾奇—薩特思韋特公式，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(TS)的有效自由度也趨近于∞。這就意味著，在相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(TS)確定后，乘以一個(gè)包含因子k，即可得擴(kuò)展不確定度Urel(TS)。根據(jù)JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》第7章可知，在大多數(shù)情況下包含因子k=2，區(qū)間的置信概率約為95%，故拉伸強(qiáng)度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度urel(TS)為：

絕對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

于是，本例試驗(yàn)檢測(cè)測(cè)量結(jié)果可表示為：

3.7 不確定度評(píng)定分析

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總?cè)绫?。從表2可看出，重復(fù)性引起的不確定度分量對(duì)總的不確定度占的比例最大，需控制其影響因素。

對(duì)于選用的材料，拉伸屈服強(qiáng)度顯然是高一些好，因此在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)規(guī)范中通常希望σ大于某值 (下限)，而不會(huì)對(duì)其上限提出要求，本例標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定σ≥40MPa，測(cè)量結(jié)果為σ=(42.6±0.45)MPa。k=2,p=95%如果標(biāo)準(zhǔn)要求σ＞43.05MPa，則結(jié)果評(píng)定不合格。但當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)要求為42.15MPa＜σ＜43.05MPa時(shí)，材料合格與否的判定就會(huì)處于可疑區(qū)、模糊區(qū)或不確定區(qū)。從這個(gè)討論可看出，不確定度評(píng)定對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的判定和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的判斷的重要性。

表2 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強(qiáng)度測(cè)量不確定度的評(píng)定，知道影響拉伸屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的主要因素是試樣制備和試驗(yàn)機(jī)最大允許示值誤差，因此，試驗(yàn)實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)注意取樣的均勻性，應(yīng)考慮試樣制備的方法、試樣截面積的測(cè)量等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)，試樣的制備應(yīng)盡量采用鋒利的裁刀加工，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

[1]GB/T 5836.1-2006，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S]．

[2]GB/T 8804-2003，熱塑性塑料管材 拉伸性能測(cè)定[S]．

[3]GB/T2918-1998，塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[S]．

[4]JJF 1059.1-2012，測(cè)量不確定度評(píng)定與表示技術(shù)規(guī)范[S]．

[5]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南[M]．北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000：76-79.

[6]JJF 1103-2003，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評(píng)定[S]．