金属材料拉伸试验测量结果不确定度分析

金属材料拉伸试验测量结果不确定度分析

张玉

中国第一重型机械股份公司 黑龙江省 齐齐哈尔市 161042

摘    要：本文评估了18Cr2Ni4WA圆棒抗拉强度测量系统的不确定度，分析了各种不确定度来源和评价结果的影响。通过评估方法的选择，不确定度分量的选择和测量系统的要求，可以为测量系统的不确定性对测量系统的测量能力和稳定性的真实反映提供保证，并可以提供有效的可靠的参考依据。

　　关键词：金属材料;拉伸试验;测量结果不确定度

　　对于金属材料来说，其机械性能来源于本身的结构和化学组成，这两者是主要决定因素。金属材料的力学性能测试中的重要元素之一是材料的拉伸性能测试，可用于有效评估材料的力学性能，并被广泛使用。

　　1 方法与条件

　　测定方法：根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验》的第1部分：室温试验方法进行。环境条件：测试温度应在10℃和35℃之间，本试验选择温度为20℃;相对湿度不超过85%，本试验进行时相对湿度为79%。测试对象：18Cr2Ni4WA圆棒。设备：CSS44300电子万能试验机，标准测力计，千分尺。

　　2不确定度来源

　　测量所得数值的四舍五入修约算法和测量仪器存在的不确定性是拉伸试验结构不确定性的主要因素。由于有许多因素可能影响样品的均匀性，如采样表示和热处理均匀性，因此不能与测量系统的不确定性评估范围相适应。

　　3  数学模型建立及相关试验

　　拉伸强度测试的两个主要试验参数是试验机的拉力值和试样直径。Rm=f（Fm，d）=4 Fm/πd2，其中Rm表示拉伸强度N，Fm表示最大拉伸力N，d表示圆棒样品。截面直径，mm。主要的拉伸强度测试装置是测量力值的测试器，校准测试机器的测力计，以及测量样品长度的千分尺。

　　3.1  最大拉力值Fm的标准不确定度μ（Fm）

　　最大拉力值Fm的不确定性的主要组成部分是试验机指示误差的不确定性和试验机的校准误差。一方面，一部分不确定性的分项内容与试验机的读数误差有关。试验机力的数值测量的数学模型为Fm=F-ΔF，其中Fm代表测量值，F代表试验机的读数，ΔF代表试验机的指示误差。一些不确定因素是测试机器指示误差不确定性的主要因素，如信号转换或放大，采样频率，数字-模拟转换和传感器检测能力等。这些参数可以由测试者制造商获得。然而，通常还需要根据标准测试仪和不确定度进行重复测量，这是因为测试中的不确定性因素较多，结合这些影响因素导致测试结果的可靠性不足。必须根据A类定律判断多次测量的结果。拉伸试验机的读数如下表。一组数据完成后，没有异常数据被排除在外。

　　读数误差标准不确定分量为μ（Fm1）=0.021%，平均值Fm=79814.03 N.由于通过该年度稳定性产生的A类方法不确定性分量的基础上，测量数据所获得的测试仪误差的不确定性是没有必要考虑。在另一方面，试验机，校准试验机，标准测力计测试或校准显示错误的不确定性的校准误差的不确定性的内容，作为功率计的年度稳定性使用0.3级的标准功率计。标准不确定性是标准不确定性的两个主要原因。一般而言，具有不确定年稳定性准则分布可以被认为是均匀的，也可以采取包含因子k=3，和B类方法被用作用于评估的基础。对于标准测功机，年度稳定性不确定性通常可以忽略不计。基于由所述验证证书给定了显示错误的0.01%，不确定性是μ（Fm2）=0.01%/3=0.0058%，合成不确定性是Fm。两个不确定性：μ2（Fm）=μ2（Fm1）+μ2（Fm2），μ（Fm）=0.022%。

　3.2  圆棒直径d标准不确定度评定

　　圆棒直径的数学模型为d=d m-e，其中，数学模型中d代表的是圆棒直径的实测值，mm，dm是圆棒直径的测量值，mm，e表示圆棒的直径的千分尺误差测量值，mm。圆棒的直径的标准不确定度主要由圆棒直径读出错误的测量误差和圆杆直径的千分尺，指示错误确定。前者是由测试仪引入的用于测量直径测量值的小项目，虽然有许多影响因素，但可以使用A类重复测量结果的不确定性评估。

　　μ（d1）= 0.010%，将其平均值d =10.048毫米。千分尺所造成的由圆棒的直径的指示的误差测量值的误差的不确定性，验证者读数的重复性，该千分尺指示值和其它因素会影响它。数学模型为e =Lm-Lb+LmαmΔtm-LbαbΔtb，其中e是千分尺错误示值;Lm为在20℃下测微计指示;，Lb是20℃的环境下的标距长度值;αb，αm是量块和千分尺的线性膨胀系数;Δtm，Δtb指所用千分尺的偏差，并从20℃参考温度下的量块。验证证书提供指示误差的不确定性，该测量值是10.00毫米，不确定性是0.55μm，而相对不确定度为0.0055%。指示值的分布误差是均匀的，并且可以采用包含因子k=3。由指示误差产生的标准不确定度是μ（d2）=0.0032%

，并且直径标准不确定度是μ2（d）=μ2（d1）+μ2（d2），μ（d）=0.010%。

　3.3  数字修约不确定度评定

　　当待测机器约为0.1N时，测量结果为0.1/79814.03×100%=0.00013%，其分布可视为均匀。数值修复不确定度为μr=0.00013%/3=0.000072%。可以忽略。当将其修复至约1N/mm2时，认为分布均匀，并且μr=0.5/3=0.29N/mm 2。最终试验的拉伸强度确定为R m=4F m/πd2=1007N/mm 2，并且数字圆化的相对不确定度为μr=0.02%。

　　3.4  综合不确定性评估

　　不确定性分量相互之间没有相关性，因此μ2（R m）=μ（F m）2+2μ（d）2，μ（R m）=0.022%。

　　3.5  不确定度报告

　　试验所测的金属材料的抗拉强度测量和不确定度评估结果为：R m=1007N/mm2，U=0.062%，K=2。

　　4 结论

　　总而言之，在性能测试中，通常只需要测试和评估单个样品的结果。多个样品或样品可能由于取样，或热处理期间的散热和不均匀加热，而导致较大的不均匀性出现在样品中，这样的测量无意义，这种数据浮动情况并不能表示测量系统存在不稳定，因此，单个样品测试成为了拉伸测试中通常会使用的方案。

　　参考文献：

　　[1] 高波，刘杰，孙岭，宋保霞，郭玉香.金属材料拉伸试验结果测量不确定度评定研究[J].山东冶金，2004（1）：54～56.

　　[2] 冀建新，钟洪.金属材料拉伸试验测量结果不确定度评定[J].物理测试，2006（6）：26～27+30.