拉伸試驗測量不確定度分析

王春雁 袁曉桐 張玉潮 紀(jì)靜

摘要：力學(xué)性能指標(biāo)是評定材料和零部件的重要指標(biāo)，拉伸試驗是測量力學(xué)性能的重要一環(huán)，檢測結(jié)果是否有效可靠尤為關(guān)鍵，為了驗證我公司拉伸試驗檢測過程和檢測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，根據(jù)GUM即國際標(biāo)準(zhǔn)《測量不確定度第3部分：測量不確定度指南》和JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，選取Q235熱軋鋼板制成試樣做拉伸試驗，進(jìn)行不確定度分析評定， 結(jié)果表明，拉伸試驗不確定度的水平與GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)附錄預(yù)測水平相當(dāng)，我公司實驗室拉伸試驗過程受控正常，檢測數(shù)據(jù)有效可靠。

關(guān)鍵詞：拉伸試驗;有效可靠;不確定度;受控正常

1? 概述

多年來人們習(xí)慣用誤差理論判斷試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，誤差是真值與實際測量結(jié)果之差，由于真值往往不知道，因此誤差無法準(zhǔn)確得到。測量不確定度是說明測量分散性的參數(shù)，比誤差更科學(xué)準(zhǔn)確。拉伸試驗根據(jù)試驗結(jié)果不確定度產(chǎn)生的來源，引入分析各不確定度分量原因數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算各分量的合成不確定度，最終求出擴展不確定度。

2? 試樣制備與試驗方法

①試樣制備：厚度8mm的Q235熱軋鋼板按GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣及試樣制備》標(biāo)準(zhǔn)要求截取試樣，加工成1組（6個試樣）矩形橫截面比例試樣，試樣要求：厚度a0為5.0mm±0.03，寬度b0為15±0.05mm，Lo為50±0.25mm（5.65■）。

②試驗設(shè)備：WDW-60微機控制電子萬能試驗機，1級。

③試驗方法：依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》規(guī)定的方法。

3? 測量不確定度評定

3.1 數(shù)學(xué)模型

Q235熱軋鋼板拉伸試驗測量過程涉及到抗拉強度Rm、上屈服強度ReH和斷后伸長率A[1]，計算公式為：Rm=Fm/S0，ReH=FeH/S0，A=（Lu-L0）/L0（Fm—最大力，F(xiàn)eH—上屈服力，S0—試樣原始橫截面積，Lu—斷后標(biāo)距，L0—原始標(biāo)距）。

3.2 不確定度因素分析

3.2.1 拉伸強度不確定度分量主要有：①試樣原始橫截面積引起的不確定度分量urel（S0）;②最大力引起的不確定度分量urel（Fm）;③拉伸速率引起的不確定度分量urel（Rmv）;④測量重復(fù)性引起的不確定度分量urel（rep）。

3.2.2 上屈服強度不確定度分量主要有：①試樣原始橫截面積引起不確定度分量urel（S0）;②上屈服力引起的不確定度分量urel（FeH）;③拉伸速率影響引起的不確定度分量urel（ReHv）;④測量重復(fù)性引起的不確定度分量urel（rep）。

3.2.3 斷后伸長率不確定度分量主要有：①試樣原始標(biāo)距引起的不確定度分量urel（L0）;②斷后伸長引起的不確定度分量urel（ΔL）;③數(shù)值修約引起的不確定度分量urel（off）;④測量重復(fù)性引起的不確定度分量urel（rep）。

3.3 拉伸試驗合成不確定度的評定

3.3.1 對加工好的6個試樣進(jìn)行測量，每個試樣測量三次取平均值計入數(shù)據(jù)，然后在拉伸試驗機上試驗，試驗測量統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。

3.3.2 抗拉強度不確定度的評定

根據(jù)抗拉強度不確定度影響因素，抗拉強度相對合成不確定度urel（Rm）為：

②最大力Fm的評定是根據(jù)測力系統(tǒng)示值誤差、標(biāo)準(zhǔn)測力儀、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這些因素進(jìn)行評定，不同于觀測列統(tǒng)計分析的方法來評定，為B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2）標(biāo)準(zhǔn)測力儀的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（F2），使用0.3級的標(biāo)準(zhǔn)測量儀對試驗機進(jìn)行檢定，重復(fù)性R為0.3%，urel（F2）=0.3%/2.53=0.118%

3）計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（F3）=0.2%

最大力的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.3.3 上屈服強度不確定度的評定

上屈服強度ReH不確定度的評定與抗拉強度不確定度的評定的步驟是一致的，根據(jù)影響因素，上屈服強度相對合成不確定度urel（ReH）為：

②上屈服力FeH的評定是根據(jù)測力系統(tǒng)示值誤差、標(biāo)準(zhǔn)測力儀、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這些因素進(jìn)行評定，不同于觀測列統(tǒng)計分析的方法來評定，為B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2）標(biāo)準(zhǔn)測力儀的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（F2），使用0.3級的標(biāo)準(zhǔn)測量儀對試驗機進(jìn)行檢定，重復(fù)性R為0.3%，urel（F2）=0.3%/2.53=0.118%

3）計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（F3）=0.2%

最大力的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

⑤由以上4項相對標(biāo)準(zhǔn)分量，得到上屈服強度相對合成不確定為

⑥上屈服強度的相對擴展不確定度，取包含概率p=95%，按k=2，

Urel（ReH）=2×urel（ReH）=1.7%

3.3.4 斷后伸長率不確定度的評定

根據(jù)斷后伸長率不確定度影響因素，其相對合成不確定度urel（A）為：

⑤由以上4項相對標(biāo)準(zhǔn)分量，得到斷后伸長率相對合成不確定為

3.4 拉伸試驗擴展不確定度的評定

①抗拉強度的相對擴展不確定度，取包含概率p=95%，按k=2，Urel（Rm）=2×urel（Rm）=1.6%，抗拉強度95%概率落在（487.7-7.8）MPa至（487.7+7.8）MPa之間。

②上屈服強度的相對擴展不確定度，取包含概率p=95%，按k=2，Urel（ReH）=2×urel（ReH）=1.7%，上屈服強度95%概率落在（390.3-6.6）MPa至（390.3+6.6）MPa之間。

③斷后伸長率的相對擴展不確定度Urel（A），取包含概率p=95%，按k=2，Urel（A）=2×urel（A）=4.9%，斷后伸長率95%概率落在（27.75-1.35）%至（27.75+1.35）%之間。

4? 結(jié)論

通過對上述拉伸試驗測量不確定度分析，拉伸試驗的抗拉強度值、上屈服強度值、斷后伸長率均落在置信區(qū)間內(nèi)。表明本單位試驗室拉伸試驗檢測數(shù)據(jù)有效可靠，檢測過程受控正常。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T3274-2007，碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶，GB/T700-2007，碳素結(jié)構(gòu)鋼.

[2]JJF1059.1-2012，測量不確定度評定與表示，GUM即國際標(biāo)準(zhǔn)《測量不確定度第3部分：測量不確定度指南》.

[3]GB/T228.1-2010，金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法.