金屬材料拉伸試驗測量結(jié)果不確定度分析

孫晉龍

摘? ? 要：根據(jù)JJF 1059.2-2012的要求，本文評估了58 Si Mn圓棒抗拉強度測量系統(tǒng)的不確定度，分析了各種不確定度來源和評價結(jié)果的影響。通過評估方法的選擇，不確定度分量的選擇和測量系統(tǒng)的要求，可以為測量系統(tǒng)的不確定性對測量系統(tǒng)的測量能力和穩(wěn)定性的真實反映提供保證，并可以提供有效的可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金屬材料;拉伸試驗;測量結(jié)果不確定度

1? 前言

對于金屬材料來說，其機械性能來源于本身的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，這兩者是主要決定因素。金屬材料的力學(xué)性能測試中的重要元素之一是材料的拉伸性能測試，可用于有效評估材料的力學(xué)性能，并被廣泛使用。

2? 方法與條件

測定方法：根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗》的第1部分：室溫試驗方法進行。環(huán)境條件：測試溫度應(yīng)在10℃和36℃之間，本試驗選擇溫度為20℃;相對濕度不超過85%，本試驗進行時相對濕度為79%。測試對象：58SiMn圓柱棒。設(shè)備：CMT4205-20T電子萬能材料試驗機，標(biāo)準(zhǔn)測力計，千分尺。

3? 不確定度來源

測量所得數(shù)值的四舍五入修約算法和測量儀器存在的不確定性是拉伸試驗結(jié)構(gòu)不確定性的主要因素。由于有許多因素可能影響樣品的均勻性，如采樣表示和熱處理均勻性，因此不能與測量系統(tǒng)的不確定性評估范圍相適應(yīng)。

4? 數(shù)學(xué)模型建立及相關(guān)試驗

拉伸強度測試的兩個主要試驗參數(shù)是試驗機的拉力值和試樣直徑。Rm=f（Fm，d）=4 Fm/πd2，其中Rm表示拉伸強度N，F(xiàn)m表示最大拉伸力N，d表示圓棒樣品。截面直徑，mm。主要的拉伸強度測試裝置是測量力值的測試器，校準(zhǔn)測試機器的測力計，以及測量樣品長度的千分尺。

4.1? 最大拉力值Fm的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ（Fm）

最大拉力值Fm的不確定性的主要組成部分是試驗機指示誤差的不確定性和試驗機的校準(zhǔn)誤差。一方面，一部分不確定性的分項內(nèi)容與試驗機的讀數(shù)誤差有關(guān)。試驗機力的數(shù)值測量的數(shù)學(xué)模型為Fm=F-ΔF，其中Fm代表測量值，F(xiàn)代表試驗機的讀數(shù)，ΔF代表試驗機的指示誤差。一些不確定因素是測試機器指示誤差不確定性的主要因素，如信號轉(zhuǎn)換或放大，采樣頻率，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換和傳感器檢測能力等。這些參數(shù)可以由測試者制造商獲得。然而，通常還需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試儀和不確定度進行重復(fù)測量，這是因為測試中的不確定性因素較多，結(jié)合這些影響因素導(dǎo)致測試結(jié)果的可靠性不足。必須根據(jù)A類定律判斷多次測量的結(jié)果。測功機的標(biāo)準(zhǔn)值為80kN，拉伸試驗機的讀數(shù)如表。一組數(shù)據(jù)完成后，沒有異常數(shù)據(jù)被排除在外。

讀數(shù)誤差標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為μ（Fm1）=0.021%，平均值Fm=79814.03 N.由于通過該年度穩(wěn)定性產(chǎn)生的A類方法不確定性分量的基礎(chǔ)上，測量數(shù)據(jù)所獲得的測試儀誤差的不確定性是沒有必要考慮。在另一方面，試驗機，校準(zhǔn)試驗機，標(biāo)準(zhǔn)測力計測試或校準(zhǔn)顯示錯誤的不確定性的校準(zhǔn)誤差的不確定性的內(nèi)容，作為功率計的年度穩(wěn)定性使用0.3級的標(biāo)準(zhǔn)功率計。標(biāo)準(zhǔn)不確定性是標(biāo)準(zhǔn)不確定性的兩個主要原因。一般而言，具有不確定年穩(wěn)定性準(zhǔn)則分布可以被認為是均勻的，也可以采取包含因子k=3，和B類方法被用作用于評估的基礎(chǔ)。對于標(biāo)準(zhǔn)測功機，年度穩(wěn)定性不確定性通?？梢院雎圆挥??；谟伤鲵炞C證書給定了顯示錯誤的0.01%，不確定性是μ（Fm2）=0.01%/3=0.0058%，合成不確定性是Fm。兩個不確定性：μ2（Fm）=μ2（Fm1）+μ2（Fm2），μ（Fm）=0.022%。

4.2? 圓棒直徑d標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

圓棒直徑的數(shù)學(xué)模型為d=d m-e，其中，數(shù)學(xué)模型中d代表的是圓棒直徑的實測值，mm，dm是圓棒直徑的測量值，mm，e表示圓棒的直徑的千分尺誤差測量值，mm。圓棒的直徑的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要由圓棒直徑讀出錯誤的測量誤差和圓桿直徑的千分尺，指示錯誤確定。前者是由測試儀引入的用于測量直徑測量值的小項目，雖然有許多影響因素，但可以使用A類重復(fù)測量結(jié)果的不確定性評估。

μ（d1）= 0.010%，將其平均值d =10.048毫米。千分尺所造成的由圓棒的直徑的指示的誤差測量值的誤差的不確定性，驗證者讀數(shù)的重復(fù)性，該千分尺指示值和其它因素會影響它。數(shù)學(xué)模型為e =Lm-Lb+LmαmΔtm-LbαbΔtb，其中e是千分尺錯誤示值;Lm為在20℃下測微計指示;，Lb是20℃的環(huán)境下的標(biāo)距長度值;αb，αm是量塊和千分尺的線性膨脹系數(shù);Δtm，Δtb指所用千分尺的偏差，并從20℃參考溫度下的量塊。驗證證書提供指示誤差的不確定性，該測量值是10.00毫米，不確定性是0.55μm，而相對不確定度為0.0055%。指示值的分布誤差是均勻的，并且可以采用包含因子k=3。由指示誤差產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是μ（d2）=0.0032%，并且直徑標(biāo)準(zhǔn)不確定度是μ2（d）=μ2（d1）+μ2（d2），μ（d）=0.010%。

4.3? 數(shù)字修約不確定度評定

當(dāng)待測機器約為0.1N時，測量結(jié)果為0.1/79814.03×100%=0.00013%，其分布可視為均勻。數(shù)值修復(fù)不確定度為μr=0.00013%/3=0.000072%?？梢院雎?。當(dāng)將其修復(fù)至約1N/mm2時，認為分布均勻，并且μr=0.5/3=0.29N/mm 2。最終試驗的拉伸強度確定為R m=4F m/πd2=1007N/mm 2，并且數(shù)字圓化的相對不確定度為μr=0.02%。

4.4? 綜合不確定性評估

不確定性分量相互之間沒有相關(guān)性，因此μ2（R m）=μ（F m）2+2μ（d）2，μ（R m）=0.022%。

4.5? 不確定度報告

試驗所測的金屬材料的抗拉強度測量和不確定度評估結(jié)果為：R m=1007N/mm2，U=0.062%，K=2。

5? 結(jié)論

總而言之，在性能測試中，通常只需要測試和評估單個樣品的結(jié)果。多個樣品或樣品可能由于取樣，或熱處理期間的散熱和不均勻加熱，而導(dǎo)致較大的不均勻性出現(xiàn)在樣品中，這樣的測量無意義，這種數(shù)據(jù)浮動情況并不能表示測量系統(tǒng)存在不穩(wěn)定，因此，單個樣品測試成為了拉伸測試中通常會使用的方案。

參考文獻：

[1] 高波，劉杰，孫嶺，宋保霞，郭玉香.金屬材料拉伸試驗結(jié)果測量不確定度評定研究[J].山東冶金，2004（1）：54～56.

[2] 冀建新，鐘洪.金屬材料拉伸試驗測量結(jié)果不確定度評定[J].物理測試，2006（6）：26～27+30.