電站鍋爐金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定

張羽寰

【摘?要】本文介紹了電站鍋爐金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定，分析了金屬材料拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的主要影響因素，并結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別從多個(gè)角度與方面探討了樣本選取與試樣制備對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的影響，闡述了個(gè)人認(rèn)知。

【關(guān)鍵詞】電站鍋爐;金屬材料;拉伸試驗(yàn);不確定度

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，電站鍋爐金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)迎來(lái)了前所未有的重大發(fā)展機(jī)遇，如何采取有效方法，切實(shí)提升拉伸試驗(yàn)測(cè)量效果，全面確保電站鍋爐金屬材料的實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)度，成為業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)課題之一。

1.研究背景

電站鍋爐金屬材料的拉伸試驗(yàn)在進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中往往需要采用到相關(guān)的金屬拉伸試驗(yàn)設(shè)施，這些設(shè)施主要是由計(jì)算機(jī)、液壓油油源、液壓集成塊、三路傳感器以及主機(jī)架框等共同構(gòu)成，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)試驗(yàn)的參數(shù)，通過(guò)數(shù)字閥門(mén)把液壓油從油源不斷輸送至主機(jī)架的油缸當(dāng)中，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)的顯示屏也會(huì)同步顯示出金屬材料進(jìn)行拉伸的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，像位移、應(yīng)變以及應(yīng)力等，工作人員根據(jù)轉(zhuǎn)變控制模式就可以得到相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)電站鍋爐金屬材料拉伸試驗(yàn)檢測(cè)產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)性因素很多，像彈性模量、極限強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度等，這些雖然也是金屬材料本身所特有的基本屬性，但相同的材料在經(jīng)過(guò)不一樣的拉伸試驗(yàn)之后，能夠反映出不一樣的性能指標(biāo)，也就是說(shuō)測(cè)量的結(jié)果是不一定的，這就要求金屬材料力學(xué)的相關(guān)性能檢測(cè)人員，在對(duì)材料力學(xué)的性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須要嚴(yán)格按照金屬材料力學(xué)的性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)展工作，正確認(rèn)識(shí)影響整個(gè)測(cè)量過(guò)程的主要因素：人員、溫度、拉伸速率、夾持方法、設(shè)備、測(cè)量?jī)x器以及試樣等。

電站鍋爐金屬材料的拉伸試驗(yàn)所采用的方法主要為，在拉伸試驗(yàn)的相關(guān)的設(shè)施當(dāng)中放入已經(jīng)準(zhǔn)備好的金屬試樣，利用計(jì)算機(jī)設(shè)施來(lái)設(shè)置拉伸的速率，金屬的拉伸裝置可以給金屬試樣施加一定的拉伸力，在試驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，測(cè)量出的塑性指標(biāo)包括的主要是斷面以及斷后的伸長(zhǎng)率和收縮率。金屬材料拉伸試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中，起操作過(guò)程很容易受到各種因素影響，必須對(duì)這些因素形成的原因加以分析，制定出相關(guān)的規(guī)程，嚴(yán)格控制好試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，只有這樣才能取得較為精確的金屬材料拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果。

2.金屬材料拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的主要影響因素分析

2.1試樣的影響

試樣是金屬材料力學(xué)性能測(cè)試的載體，正確的制備試樣是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。由于金屬材料在冷熱加工的過(guò)程中，成分結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生各種變化，從而產(chǎn)生各處不均的形變，導(dǎo)致在試樣制備時(shí)，取樣的部位、方向、形狀等都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.2儀器設(shè)備的影響

拉伸試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備為拉伸試驗(yàn)機(jī)，其它輔助測(cè)試儀器包括引伸計(jì)、夾具、尺寸測(cè)量工具及標(biāo)距儀等。它們本身的準(zhǔn)確度及試驗(yàn)員能否正確使用會(huì)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果。

2.3試驗(yàn)速率的影響

拉伸試驗(yàn)速率控制方法和速率大小是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，不同的試驗(yàn)速率控制方法在試驗(yàn)不同階段對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響也不同，這與材料對(duì)試驗(yàn)速率改變的敏感程度有關(guān)。因此，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能研究試驗(yàn)速率對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響。一般而言，在保證溫度、試樣等條件相同的情況下，試驗(yàn)速率對(duì)強(qiáng)度低而塑性好的材料影響較大，對(duì)于屈服強(qiáng)度的影響比抗拉強(qiáng)度要大。此外，隨著拉伸速率的增加，材料的斷后伸長(zhǎng)率也可能會(huì)降低。

2.4試驗(yàn)溫度的影響

根據(jù)GB/T228.1-2010的規(guī)定，室溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)控制在10-35℃的條件下進(jìn)行，在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)于多數(shù)金屬材料，環(huán)境溫度的變化對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。部分對(duì)溫度變化較為敏感的材料，隨著溫度升高，材料的塑性指標(biāo)上升而強(qiáng)度指標(biāo)下降，此時(shí)，需要用到溫度參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。此外，對(duì)于金屬材料的高/低溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度通常與試驗(yàn)速率共同作用，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

3.樣本選取與試樣制備對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的影響

3.1取樣部位的影響

從金屬材料的相異方位選樣實(shí)驗(yàn)所用的樣品，其力學(xué)特性往往會(huì)有所區(qū)別。比如圓鋼40毫米的核心區(qū)域抗拉系數(shù)小于1/4處的抗拉強(qiáng)度，而且斷口拉伸數(shù)據(jù)也存在差異。由此能夠看到，取樣方位對(duì)實(shí)驗(yàn)成果有著重要影響。因?yàn)榻饘俨牧显谝苯鸬倪^(guò)程中鑄造而成，在加工階段，組成元素、成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、冶煉問(wèn)題。加工形變分布不平衡，所以，會(huì)獲得相同批次、甚而相同商品的相異位置的力學(xué)特性會(huì)有所不同。所以，在樣本的選取方面，需要嚴(yán)格地按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以規(guī)避因?yàn)闃颖具x取時(shí)存在誤差，導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷產(chǎn)生。

3.2取樣方向的影響

取樣方向的差別會(huì)直觀地作用于金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)的斷后伸長(zhǎng)率、屈服數(shù)據(jù)、抗拉強(qiáng)度等各類(lèi)數(shù)據(jù)，特別是斷后伸長(zhǎng)率的影響最大。假如采用橫向取樣，那么根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)后的斷后伸長(zhǎng)率不可能合規(guī)。一般情況下，是與碾壓方向垂直，那么金屬力學(xué)特性會(huì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn);而與碾壓方向平行，那么金屬力學(xué)特性過(guò)關(guān)。

3.3測(cè)試機(jī)械與設(shè)施的影響

檢定的成果極易遭到檢定設(shè)施的影響，在實(shí)驗(yàn)階段必須對(duì)材料對(duì)其尺寸實(shí)施測(cè)定，假如要確保實(shí)驗(yàn)參數(shù)的可靠性，就需要確保尺寸測(cè)量成果的精準(zhǔn)性。尺寸的測(cè)試包含對(duì)金屬材料長(zhǎng)度的測(cè)試，測(cè)量橫斷面直徑與斷后橫斷面的直徑等的測(cè)試。夾持力對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性會(huì)有較大的影響。而且，對(duì)應(yīng)的測(cè)試用具與指定設(shè)施需要通過(guò)我國(guó)計(jì)量單位審查或核查后，方可將其使用到金屬材料拉伸特性檢定的實(shí)驗(yàn)中。

3.4裝夾模式的影響

在夾持階段，只要夾持不平穩(wěn)，就會(huì)讓以前所有的努力白費(fèi)，直接浪費(fèi)了人財(cái)物。并且，這也是實(shí)驗(yàn)獲得參數(shù)的偏差大，所以必須保證拉伸的精準(zhǔn)。在拉伸時(shí)，試樣也會(huì)產(chǎn)生缺陷。通常情況下，實(shí)驗(yàn)樣本是不會(huì)產(chǎn)生偏心力的這部分情況，只要形成偏心力，那么就會(huì)導(dǎo)致偏心嚴(yán)重偏移的情況。另外，拉伸夾的品質(zhì)也需要運(yùn)用與試驗(yàn)，規(guī)避因?yàn)槔鞀A的問(wèn)題導(dǎo)致彎曲應(yīng)力出現(xiàn)，影響實(shí)驗(yàn)成果。

3.5受溫度的影響

溫度對(duì)材料的特性通常會(huì)有極為重大的影響。熱脹冷縮情況是素有物質(zhì)都兼?zhèn)涞?。通常的，假如金屬原料氣溫居高不下，材料?gòu)成的粒子就會(huì)愈發(fā)活潑，金屬原料的硬度就會(huì)降低。特殊狀況下，對(duì)其參數(shù)造成的影響基本上可以忽視。然而對(duì)一部分核心金屬材料完成品質(zhì)的檢定與測(cè)評(píng)階段。假如發(fā)覺(jué)檢測(cè)的參數(shù)有顯著的起伏，則需要權(quán)衡是不是由于材料的氣溫致使的。

4.拉伸試驗(yàn)的影響因素及控制要求

4.1試樣制備

試樣的代表性是拉伸試驗(yàn)準(zhǔn)確性的前提，試樣制備不能影響其力學(xué)性能。GB/T228.1-2010規(guī)定了薄板、薄帶、線材、棒材、型材、扁材、管材的試樣類(lèi)型，對(duì)試樣的取材、形狀、尺寸、加工精度等都有規(guī)定。

4.2儀器設(shè)備要求

GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)提出了更高的要求，必須對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)力檢定、引伸計(jì)和位移的標(biāo)定;進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)零位調(diào)整就不只是試驗(yàn)力的零位調(diào)整、引伸計(jì)和位移的零位調(diào)整也同樣重要。

4.2.1試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)力的檢定和零位控制

對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求：試驗(yàn)力的檢定必須符合1級(jí)精度或優(yōu)于1級(jí)精度的要求。試驗(yàn)載荷的零位控制：在試驗(yàn)機(jī)開(kāi)機(jī)預(yù)熱20～30min后，先把試樣夾持到試驗(yàn)機(jī)的上夾具夾緊，就要進(jìn)行試驗(yàn)力的“清零”，如果等試樣上夾具和下夾具都夾緊后才開(kāi)始“清零”是不對(duì)的，由于夾具在夾緊試樣時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初始力，把初始力清零就會(huì)直接影響試驗(yàn)力的結(jié)果。

4.2.2引伸計(jì)的標(biāo)定和零位控制

對(duì)引伸計(jì)的標(biāo)定：必須將引伸計(jì)的線端連接到測(cè)量系統(tǒng)中，將引伸計(jì)裝夾到變形標(biāo)準(zhǔn)器上，調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)平衡后，轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)器的刻度盤(pán)使精密螺桿移動(dòng)，進(jìn)行標(biāo)定?？梢?jiàn)，引伸計(jì)的標(biāo)定是一個(gè)精密的操作，而不能采用游標(biāo)卡尺來(lái)標(biāo)定，也不能把引伸計(jì)拿去送檢。

引伸計(jì)的零位控制：對(duì)于需使用引伸計(jì)的試驗(yàn)，試樣在上、下夾具都夾緊后，必須對(duì)產(chǎn)生的初始力進(jìn)行消除，然后把引伸計(jì)用橡皮筋綁在試樣上，使兩刀刃垂直接觸試樣，并使引伸計(jì)的墊片緊密卡在兩力臂與標(biāo)距桿之間后才開(kāi)始“清零”，取下墊片，保證力臂與標(biāo)距桿之間保持0.5mm的間隙，這樣，引伸計(jì)夾持的標(biāo)距才是在試樣自由狀態(tài)下的原始標(biāo)距，然后才能進(jìn)入試驗(yàn)。

4.2.3位移的標(biāo)定和零位控制

位移清零后必須保持零位值不變。有的試驗(yàn)機(jī)在位移清零后會(huì)向一個(gè)方向飄移，位移零位可以通過(guò)位移控制器來(lái)調(diào)整，若仍然不能解決問(wèn)題，可能是位移的中位出了偏移，必須請(qǐng)計(jì)量部門(mén)或廠家來(lái)標(biāo)定，保證位移零位的穩(wěn)定性。否則，位移控制的試驗(yàn)就會(huì)有偏差。

4.3速率選擇與控制

GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)的速率控制方法有三種：方法A（應(yīng)變速率控制和橫梁位移控制）與方法B（應(yīng)力控制），采用不同速率控制方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有直接的影響。為此，筆者對(duì)同一根鋼筋截取9支試樣，3支采用速率為20MPa/s的應(yīng)力控制;3支采用30MPa/s的應(yīng)力控制;3支在彈性階段和屈服階段采用速率為3mm/min的橫梁位移控制，屈服后采用60mm/min的速率分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

由表1可知，不同速率控制方法和同一控制方法不同速率大小測(cè)得的下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都存在著差異，因此，拉伸試驗(yàn)速率控制方法和速率大小影響著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于不同性質(zhì)的材料應(yīng)選擇合適的控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，速率的控制必須符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.4夾持要求

不同形狀的試樣必須選擇與之相匹配的夾具;夾具必須有足夠的夾持力夾緊試樣;試樣的夾持必須保持垂直方向，不能傾斜，可以制作一個(gè)垂直直角附件，裝夾時(shí)比靠試樣看是否處于垂直方向，也可以單手捏著試樣的一端讓試樣處于自由垂直狀態(tài)，看是否與夾具面垂直;試樣夾持部分至少要為夾具面長(zhǎng)度的3/4;所有的這些要求都是為了防止試樣在拉伸過(guò)程中發(fā)生打滑，以求獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果不確定度分析

5.1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(yàn)機(jī)指示誤差的不確定性和試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)誤差。一方面，一部分不確定性的分項(xiàng)內(nèi)容與試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)誤差有關(guān)。試驗(yàn)機(jī)力的數(shù)值測(cè)量的數(shù)學(xué)模型為Fm=F-ΔF，其中Fm代表測(cè)量值，F(xiàn)代表試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)，ΔF代表試驗(yàn)機(jī)的指示誤差。一些不確定因素是測(cè)試機(jī)器指示誤差不確定性的主要因素，如信號(hào)轉(zhuǎn)換或放大，采樣頻率，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換和傳感器檢測(cè)能力等。這些參數(shù)可以由測(cè)試者制造商獲得。然而，通常還需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀和不確定度進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，這是因?yàn)闇y(cè)試中的不確定性因素較多，結(jié)合這些影響因素導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的可靠性不足。必須根據(jù)A類(lèi)定律判斷多次測(cè)量的結(jié)果。測(cè)功機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)值為80kN，拉伸試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)如表。一組數(shù)據(jù)完成后，沒(méi)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=79814.03N.由于通過(guò)該年度穩(wěn)定性產(chǎn)生的A類(lèi)方法不確定性分量的基礎(chǔ)上，測(cè)量數(shù)據(jù)所獲得的測(cè)試儀誤差的不確定性是沒(méi)有必要考慮。在另一方面，試驗(yàn)機(jī)，校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力計(jì)測(cè)試或校準(zhǔn)顯示錯(cuò)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(jì)的年度穩(wěn)定性使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)不確定性是標(biāo)準(zhǔn)不確定性的兩個(gè)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(rèn)為是均勻的，也可以采取包含因子k=3，和B類(lèi)方法被用作用于評(píng)估的基礎(chǔ)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)功機(jī)，年度穩(wěn)定性不確定性通常可以忽略不計(jì)?；谟伤鲵?yàn)證證書(shū)給定了顯示錯(cuò)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(gè)不確定性：μ2（Fm）=μ2（Fm1）+μ2（Fm2），μ（Fm）=0.022%。

5.2圓棒直徑d標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

圓棒直徑的數(shù)學(xué)模型為d=dm-e，其中，數(shù)學(xué)模型中d代表的是圓棒直徑的實(shí)測(cè)值，mm，dm是圓棒直徑的測(cè)量值，mm，e表示圓棒的直徑的千分尺誤差測(cè)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(cuò)誤的測(cè)量誤差和圓桿直徑的千分尺，指示錯(cuò)誤確定。前者是由測(cè)試儀引入的用于測(cè)量直徑測(cè)量值的小項(xiàng)目，雖然有許多影響因素，但可以使用A類(lèi)重復(fù)測(cè)量結(jié)果的不確定性評(píng)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(cè)量值的誤差的不確定性，驗(yàn)證者讀數(shù)的重復(fù)性，該千分尺指示值和其它因素會(huì)影響它。數(shù)學(xué)模型為e=Lm-Lb+LmαmΔtm-LbαbΔtb，其中e是千分尺錯(cuò)誤示值;Lm為在20℃下測(cè)微計(jì)指示;，Lb是20℃的環(huán)境下的標(biāo)距長(zhǎng)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(yàn)證證書(shū)提供指示誤差的不確定性，該測(cè)量值是10.00毫米，不確定性是0.55μm，而相對(duì)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%。

5.3數(shù)字修約不確定度評(píng)定

當(dāng)待測(cè)機(jī)器約為0.1N時(shí)，測(cè)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(shí)，認(rèn)為分布均勻，并且μr=0.5/3=0.29N/mm2。最終試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度確定為Rm=4Fm/πd2=1007N/mm2，并且數(shù)字圓化的相對(duì)不確定度為μr=0.02%。

5.4綜合不確定性評(píng)估

不確定性分量相互之間沒(méi)有相關(guān)性，因此μ2（Rm）=μ（Fm）2+2μ（d）2，μ（Rm）=0.022%。

5.5不確定度報(bào)告

試驗(yàn)所測(cè)的金屬材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)量和不確定度評(píng)估結(jié)果為：Rm=1007N/mm2，U=0.062%，K=2。

6.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，受拉伸方法、試驗(yàn)過(guò)程等方面要素的影響，當(dāng)前電站鍋爐金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量實(shí)踐中依舊存在諸多短板，阻礙著不確定度評(píng)定效果的優(yōu)化提升，有關(guān)人員應(yīng)該從其客觀實(shí)際出發(fā)，遵循拉伸試驗(yàn)測(cè)量規(guī)律，提高評(píng)定效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈峰宇，張晨仙，潘華峰.基于信息技術(shù)的金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)（下旬刊）：2019（10）：225.

（作者單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院）