金屬材料拉伸試驗測量不確定度的評定

楊威(廣東省地質裝備中心，廣東 廣州 510510)

0 引言

室溫拉伸試驗是評價金屬材料力學機械性能的試驗方法之一，拉伸試驗結果是評價金屬材料機械性能的重要性指標，在生產中對材料的研究和評價起著舉足輕重的作用。在探礦機械制造過程中金屬材料的使用占主要地位，采用溫室拉伸試驗結果作為評價金屬材料機拉伸械性能的符合性，其結果是判定材料是否能被接受的重要依據。

拉伸試驗測量結果的準確度與測量方法和測量裝置有密切關系，對其測量不確定度進行正確評定能夠比較客觀的反映測量系統的可靠程度[1]。以探礦機械生產中金屬薄板件為例，研究金屬材料室溫拉伸試驗的測量不確定度評定。

1 試驗部分

1.1 儀器

(1)電子萬能試驗機，型號：SD-30KD，1.0級，允差：±1.0%；

(2)千分尺，型號：0～25 mm，允差：±0.01 mm；

(3)游標卡尺，型號：0～200 mm，允差：±0.02 mm；

儀器和設備在使用前進行校準或自校，確認儀器和設備狀態正常。

1.2 試驗方法

GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[2]。

1.3 評定項目

依據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》的規定，進行金屬材料拉伸試驗抗拉強度Rm的測量不確定度。

1.4 測試樣件

用ST12冷軋鋼板，按GB/T 2975的要求切取樣坯和制備試樣，試樣均符合試驗要求，制作備用試樣12個，其中兩個備用。

2 評定數據

2.1 拉伸試驗抗拉強度Rm測量不確定度的評定

2.1.1 拉伸試驗抗拉強度Rm檢測程序

首先測量矩形截面試樣截面原始厚度a0、原始寬度b0，計算原始截面積S0；再以規定速率施加拉力，直至試樣斷裂；最后讀取斷裂過程中的最大力Fm，并計算出抗拉強度Rm=Fm/S0。

注：在同樣試驗條件下，完成重復的10次試驗，并記錄結果。

2.1.2 抗拉強度Rm測量數據

10個測量值，測量值經過簡單的換算和整理后得到如表1的所示結果。

表1 金屬材料拉伸試驗測量不確定度評定重復性試驗測量結果

2.1.3 抗拉強度Rm數學模型

根據抗拉強度定義；最大力Fm，除以試樣原橫截面積S0所得的應力Rm，稱為抗拉強度或者強度極限，即，在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。數學模型為：

式中：Rm為抗拉強度(N/mm2)；Fm為斷裂過程中的最大力(N)；S0為金屬材料橫截面積(mm2)。

2.1.4 抗拉強度Rm不確定度來源

金屬材料拉伸試驗抗拉強度Rm不確定度的來源，主要包括不確定度分量如下：(1)測量重復性引入的不確定度urel(rep)；(2)最大力Fm引入的不確定度urel(Fm)；(3)原始橫截面積S0引入的不確定度urel(S0)；(4)拉伸速率影響帶來的不確定度urel(Rmv)；(5)數據修約[3]和其他因素對不確定度影響甚小，忽略。

2.1.5 不確定度分量評定

(1)測量重復性引入的相對標準不確定度分量urel(rep)(A類評定方法)

由于重復測量次數較多(10次)，故實驗標準偏差使用貝塞爾公式計算：

測量重復性的相對標準不確定度urel(rep)(評定時取3個試樣測量的平均值的不確定度，因而取n=3)：

(2)最大力，Fm的相對標準不確定度分量urel(Fm)(B類評定方法)

①試驗機測力系統示值誤差帶來的相對標準不確定度urel(Fm)

1.0 級的拉力試驗機示值誤差為±1.0%[4]，在實際測量中，常常將測量設備的測量示值誤差以均勻分布等次用B類方法進行示值誤差不確定度的評定[5]，按均勻分布考慮，則

②標準測力儀的相對標準不確定度urel(F2)

使用0.3級的標準測力儀對試驗機進行校準，重復性R=0.1%，其相對標準不確定度為：

③計算機數據系統帶來的相對標準不確定度urel(F3)

依據經驗，計算機數據采集系統引入的相對標準不確定度為urel(F3)=0.2%。

④最大力Fm的相對標準不確定度為：

(3)原始橫截面積S0的相對標準不確定度分量urel(S0)

測定原始橫截面積時，測量每一個尺寸應準確到±0.5%：

(4)拉伸速率Rmv影響帶來的相對標準不確定度分量urel(Rmv)

試驗得出，在拉伸速率變化范圍內抗拉強度最大相差RR=12，所以拉伸速率對抗拉強度的影響為區間半寬度即RR/2=6，按均勻分布考慮：

2.1.6 抗拉強度Rm的相對標準不確定度

抗拉強度的相對標準不確定度分量匯總表如表2所示。

表2 抗拉強度的相對標準不確定度分量匯總表

2.1.7 抗拉強度Rm的合成相對標準不確定度

2.1.8 抗拉強度Rm的相對擴展不確定度

取包含概率p=95%，包含因子k=2，則：

3 結語

對金屬制品及材料室溫拉伸試驗研究了抗拉強度Rm的測量不確定度，研究結果表明：作為規范化的檢測試驗室，在人員、設備、試樣、方法、環境和管理等受控以及包含因子k=2的條件下，抗拉強度Rm的相對擴展不確定度Urel(Rm)=2.9%；同時在金屬拉伸試驗測量過程中，可能引起的測量不確定度分量進行了分析與評定，主要有測量的重復性，試驗力偏差，試驗截面積，拉伸速率引入的測量不確定度，其中拉伸速率對測量結果的不確定度貢獻較大。