金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定研究

王方

[摘? ? 要]金屬材料對(duì)于社會(huì)發(fā)展有著重要作用，在人類文明發(fā)展史上，青銅、生鐵、鋁等金屬對(duì)于生產(chǎn)力的提升起到關(guān)鍵作用。尤其是現(xiàn)代社會(huì)，對(duì)于金屬材料的需求進(jìn)一步增大。本文主要介紹了金屬材料力學(xué)性能的重要性，詳細(xì)介紹了日常生活中常見(jiàn)的評(píng)定方法，探討影響金屬材料力學(xué)性能的不確定因素，以供相關(guān)工作人員借鑒分析。

[關(guān)鍵詞]金屬材料;力學(xué)性能;性能測(cè)試;不確定度

[中圖分類號(hào)]TG14 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–00–03

Study on Evaluation of Uncertainty in Testing of Mechanical Properties

Wang Fang

[Abstract]Metal materials play an important role in social development. In the history of human civilization development， metals such as bronze， pig iron， and aluminum have played a key role in increasing productivity. Especially in modern society， the demand for metal materials has further increased. This article mainly introduces the importance of the mechanical properties of metal materials， introduces in detail the common assessment methods in daily life， and discusses the uncertain factors that affect the mechanical properties of metal materials， so as to provide relevant staff for reference and analysis.

[Keywords]metal materials;mechanical properties;performance testing;uncertainty

從人類文明發(fā)展史中，可以發(fā)現(xiàn)金屬冶煉技術(shù)的提升，代表著人類社會(huì)逐漸邁入新的時(shí)代，隨著金屬冶煉技術(shù)的提升，人類可以使用這些金屬作為生活器具或者武器材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以往一些珍貴的金屬在現(xiàn)階段社會(huì)中已經(jīng)較為普遍，重視對(duì)金屬材料的研究，對(duì)于提高國(guó)家綜合實(shí)力有著重要作用。

1 金屬材料力學(xué)性能重要性

1.1 金屬材料在軍事工程中的廣泛應(yīng)用

在現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展中，由于地域矛盾與民族矛盾日益增加，結(jié)合歷史、人文等因素，存在爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn)。如何抵御外界侵?jǐn)_，離不開(kāi)軍事的發(fā)展。隨著軍工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于金屬材料的需求不斷加大，越來(lái)越多的合金應(yīng)用于軍事發(fā)展中，逐步增強(qiáng)國(guó)家軍事實(shí)力。

我國(guó)重視航空航天、艦載航母等軍事發(fā)展，從而提高我國(guó)整體綜合實(shí)力，作為我軍的重要武器，航母整體建造技術(shù)直接體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)能力。為了減輕航母的整體重量，改善和提高其戰(zhàn)斗力，延長(zhǎng)使用壽命，航母上小到螺栓螺釘大到鈑金件多采用鈦合金制造。這種金屬的使用，對(duì)于提升我國(guó)軍事力量有著重要作用。在軍事發(fā)展中，高強(qiáng)度材料的需求較大，很多金屬材料研究所重視對(duì)稀土元素的研究，從而合成更多性能較強(qiáng)的金屬材料，為推動(dòng)軍事技術(shù)發(fā)展起到關(guān)鍵作用。對(duì)于裝甲車而言，需采用耐磨性好，硬度高的材料以發(fā)揮其功能，因此，重視對(duì)金屬材料力學(xué)性能的研究，對(duì)于軍事發(fā)展有著重要意義。

1.2 金屬材料在生活、生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在日常生活中，金屬材料的應(yīng)用較為普遍，很多金屬材料已經(jīng)在日常生活中普及開(kāi)來(lái)，其中影響較大的有不銹鋼與鋁制品。很多生活中的金屬材料，因其優(yōu)異的性能而能夠完成一定的功能，從而方便日常生活。生活中常用的菜刀，不僅需要硬度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，能夠處理各種食材，還需要具有一定的抗腐蝕性能，避免在長(zhǎng)時(shí)間使用中自身產(chǎn)生銹蝕。

無(wú)論農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于金屬材料的要求較高，重視對(duì)金屬材料的研究與應(yīng)用，能夠?yàn)樯a(chǎn)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，熟練使用各種鍍鋅板，能夠提高工業(yè)設(shè)備的使用壽命，為工廠創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

金屬材料力學(xué)性能對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有著重要作用，很多特種設(shè)備的使用對(duì)金屬的力學(xué)性能要求較高，若材料性能達(dá)不到預(yù)定要求，將會(huì)造成該設(shè)備在使用階段出現(xiàn)失效故障，存在較大的安全隱患。

2 金屬材料力學(xué)性能認(rèn)識(shí)以及不確定度的評(píng)定方法

2.1 金屬材料力學(xué)性能

目前，金屬材料的力學(xué)性能研究工作較為充分，常見(jiàn)的金屬材料力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、抗疲勞性等。其中強(qiáng)度是指金屬材料在外力的作用下，自身抵抗變形的能力。硬度是金屬材料局部抵御硬物壓入表面的能力。沖擊韌性是金屬材料抵抗外部沖擊載荷的能力，反映了材料的變脆傾向?？蛊谛允侵附饘俨牧系挚归L(zhǎng)時(shí)間低應(yīng)力循環(huán)作用而發(fā)生突然斷裂的能力。

2.2 不確定度評(píng)定方法

2.2.1 A類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段金屬材料不確定度的評(píng)定中，使用A類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，主要是結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，使用多種計(jì)算方式，對(duì)于這些測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，綜合得出金屬材料的不確定度。目前，技術(shù)人員通常使用貝塞爾公式、最小二乘法等計(jì)算方式來(lái)測(cè)量當(dāng)前金屬的不確定度，除了這兩種常用的計(jì)算方式之外，技術(shù)人員還可以使用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差與極差法，對(duì)于金屬材料的不確定度進(jìn)行評(píng)定[1]。

2.2.2 B類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在日常生活中，B類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)與A類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不同，通常是根據(jù)已知信息來(lái)推導(dǎo)的，在使用階段包括設(shè)備的校準(zhǔn)證書(shū)、準(zhǔn)確度等級(jí)等內(nèi)容，對(duì)整體測(cè)量工作進(jìn)行分析，并且技術(shù)人員還可以使用過(guò)去的測(cè)量數(shù)據(jù)，與操作經(jīng)驗(yàn)等內(nèi)容。

3 影響金屬材料力學(xué)性能的不確定因素

3.1 影響拉壓操作的不確定因素

現(xiàn)階段技術(shù)人員在測(cè)量金屬材料的力學(xué)性能時(shí)，拉壓操作的應(yīng)用較為普遍，在使用階段，技術(shù)人員使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)于金屬材料進(jìn)行拉壓試驗(yàn)，從而完成金屬材料的抗拉抗壓性能研究分析。在試驗(yàn)過(guò)程中，技術(shù)人員結(jié)合試驗(yàn)儀器設(shè)備，對(duì)于金屬材料施加靜態(tài)載荷，并且對(duì)材料應(yīng)力變化進(jìn)行分析，從而判定該金屬材料的性能。在施力過(guò)程中的不確定度主要是由試驗(yàn)機(jī)精度引入，通常情況下能夠?qū)崿F(xiàn)拉壓操作的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)精度要求為Ⅰ級(jí)，示值誤差在±1.0%內(nèi)，則力值計(jì)量誤差范圍為±1.0%，同時(shí)計(jì)量部門對(duì)試驗(yàn)機(jī)的計(jì)量檢定結(jié)果也會(huì)引入不確定度。在測(cè)量階段，試樣尺寸、原始標(biāo)距和斷后標(biāo)距的測(cè)量會(huì)引入不確定度，主要是由于游標(biāo)卡尺的測(cè)量精度、原始標(biāo)距的確定和人員讀數(shù)誤差造成的。

為了降低金屬材料在拉壓操作中的不確定度，技術(shù)人員應(yīng)該采取以下措施：一是按要求對(duì)量具和試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢定，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);二是在測(cè)量過(guò)程中開(kāi)展多次測(cè)試，將這些數(shù)據(jù)有效記錄，使用平均值作為較為合理的數(shù)值，從而降低拉壓操作的不確定度。試驗(yàn)階段，操作人員應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)要求安裝試樣，操作設(shè)備，對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄，從而提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，技術(shù)人員可以準(zhǔn)確分析該金屬材料的抗拉抗壓性能，為該材料的后續(xù)使用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

3.2 影響扭轉(zhuǎn)操作的不確定因素

在對(duì)金屬材料力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)于部分應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能的金屬材料，如傳動(dòng)軸、螺旋槳等，技術(shù)人員需要對(duì)于這些應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬材料進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試材料或者構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)性能。在對(duì)材料扭轉(zhuǎn)性能研究中，試驗(yàn)人員通常使用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)，并且將該材料試驗(yàn)階段出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行記錄，對(duì)該金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的不確定度主要由試驗(yàn)機(jī)精度和試驗(yàn)中溫度變化，以及試樣同軸度引入，通常試驗(yàn)機(jī)精度均為Ⅰ級(jí)，示值誤差在±1.0%內(nèi)，而扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)溫度升高會(huì)帶來(lái)材料內(nèi)部性能的變化從而引入不確定度。試樣與試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)力矩加載方向是否同軸，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)也為試驗(yàn)結(jié)果引入不確定度。

降低扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的不確定因素，除了提高試驗(yàn)機(jī)精度以外，還需按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)扭轉(zhuǎn)速度，以避免試驗(yàn)速度過(guò)快引起試樣溫度升高，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。同時(shí)，還需保證試樣同軸度，以減少不確定的。

3.3 影響彎曲操作不確定因素

彎曲操作測(cè)試是現(xiàn)階段對(duì)于金屬材料測(cè)試的重要延伸，一般情況下，在日常生活與生產(chǎn)中相關(guān)的金屬材料性能測(cè)試中，彎曲操作的應(yīng)用場(chǎng)景不多，這種操作主要應(yīng)用于軍事中的金屬材料力學(xué)性能分析。在試驗(yàn)階段，結(jié)合爆炸來(lái)測(cè)量金屬是否能夠承受住沖擊波的能力，這種試驗(yàn)主要考查的是金屬的抗彎曲能力。

影響彎曲操作的2個(gè)重要因素是溫度與夾持方式。由于大部分金屬具有熱傳導(dǎo)性，在使用階段，溫度會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。一旦遇到高溫環(huán)境，金屬的抗彎曲能力將會(huì)大幅度降低，實(shí)際測(cè)量結(jié)果將會(huì)發(fā)生改變。而金屬在低溫環(huán)境下，塑性降低，脆性增加，抗彎曲能力會(huì)得到提升，但受到外部載荷作用時(shí)，如果外力超過(guò)該金屬的承受能力，將會(huì)直接斷裂[2]。

結(jié)合這一性能，在軍事上的研究成果較多，一方面提高整體軍事設(shè)備的抗擊打能力，另一方面，研究如何突破敵方防御，達(dá)到最大殺傷力。現(xiàn)階段武器的研制，需要依靠材料科學(xué)的進(jìn)步，尤其是高精尖武器的研制，因此，重視對(duì)金屬材料的彎曲操作試驗(yàn)，能夠?yàn)槲淦鞯难邪l(fā)提供重要參考意見(jiàn)。

在目前金屬材料彎曲性能試驗(yàn)中，不論是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)還是四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，引入不確定度的主要因素是對(duì)試樣和跨距等測(cè)量誤差和讀數(shù)誤差，以及游標(biāo)卡尺的示值誤差。減少不確定因素的措施是采用多次測(cè)量求平均值和使用精度高示值誤差小的游標(biāo)卡尺。

3.4 影響沖擊操作不確定因素

與彎曲操作類似，沖擊操作也廣泛使用于軍事領(lǐng)域。在使用階段，主要通過(guò)子彈的射擊與炮彈的爆炸等應(yīng)用中，對(duì)于金屬材料的沖擊韌性進(jìn)行評(píng)估，從而分析這些武器所造成的沖擊效果。這種破壞性實(shí)驗(yàn)，通常應(yīng)用于特殊需求的領(lǐng)域，其主要目的是在于增強(qiáng)設(shè)備的安全性能。

在防彈車研制工作中，對(duì)于汽車的外殼有著嚴(yán)格規(guī)定，在生產(chǎn)階段，需要經(jīng)過(guò)多項(xiàng)測(cè)試，只有防彈車通過(guò)測(cè)試之后，才能夠被使用于特殊場(chǎng)合。目前，技術(shù)人員在這些特種金屬材料設(shè)計(jì)中，主要考察材料的抗沖擊性能，即沖擊韌性。在宏觀上技術(shù)人員適當(dāng)改變金屬材料的沖擊接觸面積，將會(huì)顯著提升金屬材料的抗沖擊能力。在微觀上使用一些設(shè)備對(duì)金屬微觀粒子排列作出改變，將會(huì)造成該金屬材料的抗沖擊性能出現(xiàn)較大的改變[3]。

金屬?zèng)_擊韌性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果不確定度來(lái)源于以下幾點(diǎn)：一是試樣材質(zhì)的不均勻性;二是試樣的尺寸測(cè)量;三是試驗(yàn)機(jī)誤差。對(duì)于某一特定試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，材質(zhì)的不均勻性是不可避免的問(wèn)題，試驗(yàn)時(shí)在保持其他因素不便的情況下，使用更為精細(xì)的儀器，從而提高測(cè)量的精確度，降低金屬力學(xué)性能測(cè)試中不確定度對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)階段金屬材料力學(xué)性能研究工作中，技術(shù)人員應(yīng)該重視試驗(yàn)結(jié)果中不確定度的影響，對(duì)于金屬材料的性能分析應(yīng)加入不確定度的評(píng)定，從而提高整體測(cè)量的準(zhǔn)確性，有利于對(duì)這些金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)定，為后續(xù)金屬材料的使用場(chǎng)景進(jìn)行明確，便于該材料能夠在后續(xù)使用中體現(xiàn)該金屬材料的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張贊平.淺析金屬材料力學(xué)性能測(cè)試中存在的不確定度[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2019（6）：142，144.

[2] 王學(xué)鵬.探討金屬材料力學(xué)性能測(cè)試的不確定度評(píng)定[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（4）：240，299.

[3] 曹艷偉，王俊.金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)的不確定度評(píng)定[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2019，55（10）：703-707.

[4] 鄧銀舟，秦健，江帆，等.金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定研究[J].工程技術(shù)：全文版，2016（7）：297.

[5] 許學(xué)斌.金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定的研究[J].工程技術(shù)（全文版），2010（1）：281.

[6] 王俊，王玉玲.金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定的探討[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2014，50（11）：818-821.

[7] 王俊，王玉玲.金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定的探討[J].期刊論文，2014，50（11）：4.

[8] 桑傳飛.金屬材料力學(xué)性能測(cè)試不確定度評(píng)定分析[J].數(shù)碼世界，2020（6）：65.

[9] 梁家林.金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2008（7）：60-63.

[10] 賈欣.Q345A低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能的不確定度評(píng)定[J].現(xiàn)代冶金，2005，33（4）：1-5.