鈦管TA2室溫拉伸試驗測量結果不確定度的評定

茍曼曼，張浩，余澤利

（西安漢唐分析檢測有限公司，陜西西安 710201）

1 概述

鈦管材因為其質量較輕并且強度高的特點被廣泛應用于各行各業(yè)，尤其近些年來多用于化工行業(yè)、電站及軍工艦船等重要行業(yè)。因此研究鈦管的力學性能則顯得尤為重要。評價鈦管力學性能的方式和試驗有很多種，其中強度和塑性是衡量金屬鈦管材力學性能的重要指標，通常經過設計并完成拉伸試驗即可獲得這兩種力性指標。然而，其結果的可靠性需要通過測量不確定度的評定才能決定是否可信。對于鈦管材料，其抗拉強度和斷后伸長率測量結果的準確度則直接影響到鈦管力學性能的評定。因此對這兩個指標的檢測及它們的不確定度評定非常重要。而試驗結果的準確度則需要引入不確定度進行詳細分析［1-4］。

雖然前人對金屬材料的不確定度已經進行了大量分析［5-6］，但是主要集中在對棒材金屬的不確定度評定方面，對管材金屬的研究則較少。此外，查閱文獻可以發(fā)現(xiàn)前人對鈦管室溫拉伸結果不確定度的分析不夠全面，因此本文主要從鈦管力學性能的測性方法以及試驗設備等方面入手，選取TA2管材作為研究對象，對鈦管室溫拉伸測量結果（抗拉強度和斷后伸長率）的不確定度進行了全面的分析和評定，為分析鈦管的力學性能可靠性提供了一定的理論基礎。同時，該計算方法也適用于其他金屬管材室溫拉伸試驗結果的不確定度評定。

2 試驗條件及方法

本次試驗控制在25℃下進行，濕度為65%。試驗采用10個均勻的TA2管材試樣，管材直徑為25mm，壁厚1.245mm，管材長度為200mm。試驗使用拉伸試驗機型號為WAW-1000，量程為100KN，精度為1.0級的電子萬能試驗機。試驗過程中采用整管拉伸方式，不對管材進行破壞性加工，在管材兩端裝入滿足標準要求的子彈頭銷子，將試樣兩端夾持后對管材進行軸向施力加載直至拉斷。試驗前采用激光劃線機在管材表面標記50mm標距，且在試驗過程中采用標距為50mm的引伸計記錄管材的變形，在同一拉伸速率下最終獲得拉伸應力-應變曲線，根據(jù)試驗機系統(tǒng)獲取管材的抗拉強度，最后采用游標卡尺人工量取管材斷后標距，通過計算獲得相應的斷后伸長率。

本次試驗完全依據(jù)GB/T228.1-2010方法進行［7］，并根據(jù)JJF1059.1-2012中的方法對鈦管TA2的抗拉強度以及斷后伸長率進行不確定度評定［8］。整個不確定度評定過程主要由以下幾個步驟完成：首先是確立試驗方法，其次是分析主要不確定度因素來源，最后通過計算獲得相應的不確定度值。

3 結果與討論

3.1 抗拉強度的不確定度評定

鈦管TA2的抗拉強度計算公式為：Rm=Fm/S0=Fm/π(d-a)?？梢娍估瓘姸戎饕稍囼灥淖畲罅?、管材本身的外徑以及管材的壁厚決定，所以本文主要從這三個方面討論抗拉強度的不確定度。且每個因素幾乎都受到試驗設備和檢測人員的影響，因此這三個因素都需要計算各個不確定度分量。試驗測得10批鈦管材的外徑、壁厚、抗拉強度及斷后伸長率結果如表1所示。根據(jù)試驗結果計算得到相應的平均值、標準偏差以及相對標準偏差。

表1 鈦管TA2的外徑，壁厚，抗拉強度及斷后伸長率測量結果

3.1.1 A類不確定度urel（rep）的評定

從計算結果可知鈦管的相對標準偏差為0.566%，而A類不確定度則是由計算所得的相對標準偏差表示。本次鈦管室溫拉伸試驗共選取3個TA2試樣進行評定，對其測試結果取平均值進行不確定度分析，故在計算時應除以

3.1.2 最大力的B類不確定度Urel（Fm）的評定

最大力值由拉伸試驗機獲得，因此最大力的準確度主要與試驗設備相關，包括試驗機的示值誤差、對試驗機校準的準確度以及獲取數(shù)據(jù)的準確度這個三個方面。

（1）試驗機示值誤差帶來的不確定度urel（F1）分項

本次評定采用量程為100KN，精度等級為1.0級的WAW-1000型號拉伸試驗機，，則：

（2）測力儀校準誤差的不確定度分項urel（F2）

在對拉伸試驗機進行力值校準時應采用精度等級比試驗機本身精度等級更高一級的測力儀，所以采用0.5級的標準測力儀，則：

（3）數(shù)據(jù)采集帶入的不確定度urel（F3）

則最終獲得最大力的不確定度為：

由以上分析可知，最大力的不確定度主要與試驗設備息息相關，因此對拉伸試驗機的要求就較高。不僅要滿足試驗基本條件，其量程和精度等也需滿足要求，在控制試驗成本的同時盡量采用精度值較高的試驗設備。同時在對試驗設備進行計量校準時也應采用精度等級更高的計量校準設備。

3.1.3 橫截面積B類不確定度的評定urel（S0）

管材外徑測量結果和管材壁厚測量結果共同決定鈦管TA2的橫截面積，本次試驗管材外徑使用精度為0.02的游標卡尺測量，管材壁厚使用精度為0.001的壁厚千分尺測量。

（1）由游標卡尺測量引起的管材外徑的不確定度

（2）由千分尺測量引起的管材壁厚的不確定度

以上兩個測量結果共同決定管材的橫截面積，因此：

從計算結果我們可以看出，由千分尺測量引起的管材壁厚的標準不確定度僅為0.058%，由游標卡尺測量引起的管材直徑的標準不確定度高達1.155%。相比于采用千分尺引起的管材壁厚的不確定度，采用精度為0.02的游標卡尺測量的管材直徑引起的不確定度較大，說明該測量誤差對抗拉強度結果的影響較大，因此建議實驗室采用精度值更高的測量設備進行管材外徑的測量，以減小由測量誤差引起的管材外徑的標準不確定度。同時也建議提高檢驗員的測量能力，避免人為因素而導致的管材外徑的測量誤差。

3.1.4 拉伸速率引起的不確定度urel（RmV）

在同一拉伸速率下，鈦管TA2抗拉強度的平均值為517MPa，最大值為521MPa，最小值為513MPa，兩者相差8MPa，所以認為該因素對抗拉強度的影響為±4MPa，則：

從計算結果可知拉伸速率帶入的不確定度值較小，可以通過嚴格控制各拉伸階段的拉伸速率來減小該因素產生的不確定度。即控制每次試驗時屈服前的第一應變速率和屈服后的第二應變速率應保持一致。

3.1.5 合成不確定度

3.1.6 擴展不確定度

本次進行的拉伸試驗取包含概率P=95%，按包含因子K=2，則：

3.2 斷后伸長率不確定度的評定

3.2.1 A類不確定度的評定urel（rep）

3.2.2 原始標距的B類不確定度的評定urel（Lo）

本次試驗，采用激光劃線機來標記原始標距，該劃線設備可以精確到±1%，試驗中試樣棒的原始標距為50mm，則：

同理，要想減小原始標距引入的不確定度，可采用精度值更高的劃線設備。

3.2.3 斷后伸長量的B類不確定度urel（△L）的評定

由表1可知，本次試驗鈦管TA2的平均伸長量為19.20mm，伸長量的測量可精確到±0.25mm，則：

本次試驗，管材斷后標距采用精度為0.02的游標卡尺測量，要想減小斷后伸長量帶入的不確定度，應采用精度值更高的測量設備，同時提高檢測人員測量能力。

3.2.4 修約引起的不確定度urel（off）的評定

根據(jù)標準要求，對斷后伸長率需進行數(shù)值修約，因此修約是引入不確定度的一個關鍵因素，需要進行相應的不確定度評定。鈦管TA2斷后伸長率應修約到0.5%，而本次試驗管材的斷后伸長率平均值為38.40%。則：

3.2.5 合成不確定度

3.2.6 擴展不確定度

4 結論

通過以上計算結果可以看出，鈦管TA2的抗拉強度及其不確定度評定結果為：Rm=517MPa，Urel（Rm)=2.9%；斷后伸長率及其不確定度評定結果為：A=38.4%，Urel（A)=2.066%。從計算結果可知，采用精度為0.02的游標卡尺測量的管材直徑引起的不確定度較大，因此建議試驗時采用精度值更高的測量儀器對金屬管材直徑進行測量，從而減小其對抗拉強度的影響，最終保證測試結果的可靠性。任何檢測結果都會存在一定的不確定度，不確定度越小則表明試驗結果可信度越高，因此測量不確定度的評定對分析材料的性能是很有必要的，同時也有利于提高實驗室的檢測能力。在進行試驗時應考慮多重因素的影響，盡量減小試驗設備、環(huán)境和人員引起的試驗結果的不確定度，同時應定期對試驗項目進行測量不確定度評定，通過有效地評估手段，規(guī)避因測量不確定度引起的檢測結果不可靠的風險。另外，當實驗室給客戶提供檢測結果時應考慮到不確定度的影響，應告知客戶試驗結果是否包含不確定度，尤其當檢測結果在合格線臨界值時應該做出不確定度評定，以確保試驗結果的可靠性。