塑料屈服應(yīng)力測量的不確定度評定

(中國石油管道公司管道科技研究中心, 廊坊 065000)

測量不確定度是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標，可以反映測量結(jié)果的準確性，提高測量結(jié)果的可比性，在質(zhì)量控制中有著重要的意義[1-3]。

塑料被廣泛應(yīng)用在食品包裝袋、捆扎繩、汽車、光纖等產(chǎn)品中。塑料的屈服應(yīng)力是其力學性能中最重要的性能之一，也是評價塑料拉伸性能的常用參數(shù)[4]。筆者對測試過程中可能出現(xiàn)的各種影響因素進行了不確定度分析，通過計算得到了測量塑料屈服應(yīng)力的擴展不確定度。

1 試驗方法

按照GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則》、GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》的技術(shù)要求對聚丙烯塑料的屈服應(yīng)力進行測量；根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》的技術(shù)要求對測量結(jié)果的不確定度進行評定。

被測材料為聚丙烯塑料，取10根寬10 mm、厚4 mm的啞鈴狀試樣，測量前先在溫度(23±2) ℃、相對濕度(50±5)%的環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h，采用111N型游標卡尺測量試樣的寬度和厚度，然后使用INSTRON 3366型電子拉力萬能試驗機在拉伸速度v=20 mm·min-1，標距L0=50 mm的條件下測量試樣的屈服應(yīng)力，以測量結(jié)果的平均值表示。

2 建立模型

根據(jù)屈服應(yīng)力的定義：拉伸試驗中初次出現(xiàn)應(yīng)力不增加而應(yīng)變增加時的應(yīng)力，可以得到數(shù)學模型為

(1)

式中:σ為屈服應(yīng)力；F為屈服負荷；b為試樣寬度；h為試樣厚度。

3 測量不確定度來源分析

根據(jù)聚丙烯片材拉伸試驗的特點可知,測量結(jié)果不確定度的主要來源是：測量重復性、電子拉力萬能試驗機屈服負荷測量、游標卡尺寬度測量、游標卡尺厚度測量[5-6]。上述的影響因素中，試樣的測量重復性屬于A 類不確定度，其他影響因素均屬于B 類不確定度[7]。

因聚丙烯塑料對溫度、濕度不敏感，且在室溫(23±2)℃，相對濕度(50±5)%下調(diào)節(jié)24 h后，在同一恒溫、恒濕環(huán)境下測量屈服應(yīng)力，所以不考慮溫度和濕度因素所引起的不確定度分量[8]。

以上因素互不關(guān)聯(lián)，根據(jù)不確定度傳播公式可得屈服應(yīng)力的合成相對標準不確定度uc,rel(σ)為[9]

uc,rel(σ)=

(2)

式中：urel(Rσ)為測量重復性引入的相對標準不確定度；urel(F)為測量屈服負荷引起的的相對標準不確定度；urel(b)為測量寬度引起的的相對標準不確定度；urel(h)為測量厚度引起的的相對標準不確定度。

4 標準不確定度分量的評定

4.1 測量重復性引起的不確定度分量urel(Rσ)

由一位持證上崗的檢驗人員對10個平行試樣進行重復測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 10次重復測量結(jié)果Tab.1 Results of 10 repeated measurements

4.2 電子拉力萬能試驗機測量屈服負荷引起的不確定度分量urel(F)

4.3 游標卡尺測量寬度引起的不確定度分量urel(b)

4.3.1 游標卡尺示值誤差引起的不確定度

4.3.2 游標卡尺分辨力引起的不確定度

4.4 游標卡尺測量厚度引起的不確定度分量urel(h)

4.4.1 游標卡尺示值誤差引起的不確定度

4.4.2 游標卡尺分辨力引起的不確定度

5 合成標準不確定度

因此，合成標準不確定度為uc(σ)=σuc,rel(σ)=33.49×0.245%≈0.082 MPa。

6 擴展不確定度

擴展不確定度為合成標準不確定度與包含因子的乘積。根據(jù)JJF 1059.1—2012的要求，取其置信概率P=95%，包含因子k=2，因此擴展不確定度為U=kuc(σ)=0.164 MPa≈0.16 MPa。

7 不確定度報告

根據(jù)上述評定，可得到對于聚丙烯塑料屈服應(yīng)力測量結(jié)果的不確定度報告為σ=33.49 MPa，U=0.16 MPa，k=2。

其意義是可以預期在符合正態(tài)分布的前提下，在(33.49-0.16)MPa到(33.49+0.16)MPa的區(qū)間包含了該聚丙烯塑料屈服應(yīng)力測量結(jié)果可能值的95%。

8 結(jié)論

通過對測量塑料屈服應(yīng)力的不確定度評定，得出該分析方法的測量不確定度為0.16 MPa，包含因子k=2。測量過程中，不確定度主要來源于試樣的測量重復性、電子拉力萬能試驗機屈服負荷測量、尺寸(主要為厚度)測量。因此，在進行塑料屈服應(yīng)力測量過程中，可通過提高游標卡尺的精度和試驗機的穩(wěn)定性來保證試驗結(jié)果的準確性；此外，還應(yīng)該選擇熟練的測量人員及定期對儀器進行校核來減小測量結(jié)果的不確定性。