塑料屈服應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據質量的重要指標，可以反映測量結果的準確性，提高測量結果的可比性，在質量控制中有著重要的意義[1-3]。

塑料被廣泛應用在食品包裝袋、捆扎繩、汽車、光纖等產品中。塑料的屈服應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[4]。筆者對測試過程中可能出現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》的技術要求對聚丙烯塑料的屈服應力進行測量；根據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》的技術要求對測量結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)%的環境下調節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力，以測量結果的平均值表示。

2 建立模型

根據屈服應力的定義：拉伸試驗中初次出現應力不增加而應變增加時的應力，可以得到數學模型為

(1)

式中:σ為屈服應力；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

根據聚丙烯片材拉伸試驗的特點可知,測量結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)%下調節24 h后，在同一恒溫、恒濕環境下測量屈服應力，所以不考慮溫度和濕度因素所引起的不確定度分量[8]。

以上因素互不關聯，根據不確定度傳播公式可得屈服應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，測量結果如表1所示。

表1 10次重復測量結果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

根據上述評定，可得到對于聚丙烯塑料屈服應力測量結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分布的前提下，在(33.49-0.16)MPa到(33.49+0.16)MPa的區間包含了該聚丙烯塑料屈服應力測量結果可能值的95%。

8 結論

通過對測量塑料屈服應力的不確定度評定，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，在進行塑料屈服應力測量過程中，可通過提高游標卡尺的精度和試驗機的穩定性來保證試驗結果的準確性；此外，還應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果的不確定性。