摘 要:參照金屬材料常溫拉伸試驗結果的不確定度評定方法,對高溫拉伸試驗的測量結果進 行了不確定度評定,提出了由溫度波動引入的不確定度的計算方法.結果表明:按照JJF１０５９．１－ ２０１２進行高溫拉伸試驗的不確定度評定時,可通過測定試驗溫度附近不同溫度下的力值變化,按 線性關系采用最小二乘法得到兩者的關系直線,其斜率可用于評估溫度波動對試樣力值的影響,從 而較好地評定高溫拉伸試驗的不確定度.

關鍵詞:高溫拉伸;不確定度;溫度波動;評定方法 

中圖分類號:TG１１３．２５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７０３Ｇ０５

隨著社會的發(fā)展和科技的進步,各行業(yè)實驗室 檢測/校準的水平得到了顯著的提高,客戶對檢測/ 校準結果的可靠性要求也越來越高,經常要求在提 供結果的同時給出其不確定度[１].因此,實驗室認 可準則和相關標準對檢測結果的不確定度評定和應 用都提出了更高的要求[２].作為結構材料常規(guī)檢測 項目,金屬材料的力學性能檢測通常需要提供滿足 實驗室認可準則要求的不確定度評定結果.關于金 屬力學性能檢測不確定度評定的研究報道很多,但 多集 中 于 室 溫 拉 伸 試 驗 及 硬 度 試 驗[３Ｇ９].GB/T ２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部分:室溫試 驗方法»對室溫拉伸試驗的不確定度評定有比較詳 細的規(guī)定.而 GB/T２２８．２－２０１５«金屬材料 拉伸 試驗 第２部分:高溫試驗方法»中關于金屬材料高 溫拉伸試驗結果不確定度評定的規(guī)定則比較模糊, 相關研究工作更是鮮有報道.

相對于金屬材料常溫拉伸試驗,高溫拉伸試驗 過程中的溫度波動必然會引入新的測量不確定度, 增加評定過程的復雜性.筆者參照常溫拉伸試驗的 不確定度評定過程,提出了通過力值測量溫度波動 引入的不確定度的處理方法,較好地實現(xiàn)了高溫拉 伸試驗不確定度的評定. 

１ 高溫拉伸試驗 

１．１ 試樣制備與試驗方法 

試驗材料為 WＧ７Cu合金,其標準性能見表１, 按照 GB/T２２８．２－２０１５ 截 取 直 徑 １０ mm,標 距 ５０mm 的螺紋卡頭試樣.使用Instron５５６９型電子 萬能材料試驗機、merlin自動測試軟件系統(tǒng)進行拉 伸試驗,試驗溫度為４００ ℃.試驗機精度為０．５級, 示值誤差為±０．５％,數值顯示為０．０１N.試驗溫度 控制精度:t≤６００ ℃時為±３ ℃;６００~８００ ℃時為 ±４ ℃.試驗機的檢定按照JJG４７５－２００８«電子式 萬能試驗機檢定規(guī)程»進行,使用 ０．１ 級標準測力 儀,其不確定度為０．１％,擴展系數k＝２.按照JJF １０５９．１－２０１２«測量不確定度評定與表示»進行高溫 拉伸試驗不確定度的評定. 

１．２ 測量過程 

根據 GB/T２２８．２－２０１５,在高于３５ ℃的溫度 下,選用不超過０．００８s－１的應變速率.用１級千分 尺測 量 試 樣 直 徑 d,千 分 尺 極 限 示 值 誤 差 為 ±０．００４mm.用０~１５０ mm 的游標卡尺測量斷后 標距Lu,游標卡尺極限誤差為±０．０２ mm,原始標 距極限誤差為±１％.引伸計標距為５０ mm,標距 相對誤差為±０．５％,允許示值誤差為±０．５％.對 試樣施加軸向拉力,測試其規(guī)定非比例延伸強度和 最大力,并測量原始標距與斷后標距,最終計算結果 修 正 后 得 到 抗 拉 強 度 Rm ＝４３２ MPa,屈 服 強 度 Rp０．２＝２５２MPa,斷后伸長率 A＝２１．２％,斷面收縮 率Z＝２１．５％.

１．３ 力學性能計算公式 

式中:Fp０．２和Fm 為規(guī)定非比例延伸力和最大力;S０ 為試樣平行長度的原始橫截面積;Su 為試樣斷后縮 頸處的橫截面積;d － 為試樣平行段直徑的平均值; L０ 為試樣原始標距;L － u 為試樣的斷后標距.

２ 測量不確定度的來源 

WＧ７Cu合金高溫拉伸試驗的測量不確定度的 主要來源包括:對試樣原始直徑測量引入的不確定 度分量u(d);原始標距測量引入的不確定度分量 u(L０);斷后標距測量所引入的不確定度分量u(Lu); 原始 橫 截 面 積 測 量 引 入 的 標 準 不 確 定 度 分 量 u(S０);斷后 橫 截 面 積 的 標 準 測 量 不 確 定 度 分 量 u(Su);規(guī)定非比例延伸力的標準測量不確定度分 量u(Fp０．２);最大力的標準不確定度分量u(Fm). 

分量中包括了由直徑測量重復性引入的不確定 度u１(d)和量具本身的測量誤差引入的不確定度 u２(d);標準要求斷后伸長量的測量結果數值修約 帶來的不確定度u１(Lu)和測量斷后標距數值的卡 尺帶來的誤差不確定度分量u２(Lu);直徑測量結果 重復性帶來的不確定度u１(du)和量具本身的測量 誤差帶來的不確定度u２(du);試驗機強度測量帶來 的不確定度u１,rel(Fp０．２)、試驗機校準帶來的標準不 確定度u２,rel(Fp０．２)、引 伸 計 測 量 引 入 的 不 確 定 度 u３,rel (Fp０．２ )、引 伸 計 標 距 引 入 的 不 確 定 度 u４,rel(Fp０．２)、規(guī)定非比例延伸力所采用基準線的標 準不確定度u５,rel(Fp０．２)、由溫度波動引入的力值測 量相對標準不確定度u６,rel(Fp０．２);試驗機強度測量 帶來的相對標準不確定度u１,rel(Fm )及試驗機校準 帶來的相對標準不確定度u２,rel(Fm).

３ 輸入量的標準不確定度評定 

３．１ 試樣原始直徑測量引入的不確定度分量u(d) 的評定

試樣原始直徑d 和斷口處直徑du 的測量結果 見表２. 

以１０組測量結果的平均值作為試樣原始直徑 的最終值,由直徑測量的重復性引入的不確定度為

３．２ 原始標距測量引入的不確定度分量u(L０)的 評定 

由于L０＝５０mm,劃線機極限誤差為±１％,按 均勻分布 考 慮,原 始 標 距 測 量 引 入 的 相 對 不 確 定 度為 

３．３ 斷后標距測量引入的不確定度分量u(Lu)的 評定 

GB/T２２８．２－２０１５要求斷后伸長量的測量應 準確到０．２５mm,按均勻分布,斷后伸長量的測量結 果數值修約帶來的不確定度為

３．４ 原 始 橫 截 面 積 測 量 的 標 準 不 確 定 度 分 量 u(S０)的評定

由于S０ 是由直徑d 計算得到,u(S０)的來源同 u(d)的來源一致.橫截面積由下式計算得到 

３．５ 斷后橫截面積的標準不確定度分量u(Su)的 評定 

由于Su 是由縮頸處直徑du 計算得到,u(du) 的來源也是u(Su)的來源,通常包括直徑測量重復 性帶來的不確定度u１(du)和量具本身的測量誤差 帶來的不確定度u２(du)兩個部分.

以１０組直徑測量結果的平均值作為試樣縮頸 處直徑的最終測量結果,由直徑測量重復性帶來的 不確定度為

３．６ 規(guī)定非比例延伸力的標準測量不確定度分量 u(Fp０．２)的評定 

３．６．１ 試驗機強度測量引入的相對標準不確定度 u１,rel(Fp０．２) 

Instron５５６９型電子萬能材料試驗機的精度為 ０．５ 級,按均勻分布,測量引入的相對標準 不 確 定 度為

３．６．２ 試驗機校準引入的標準不確定度u２,rel(Fp０．２) 

校準測力儀的不確定度為 ０．１％,置信因子為 ２,由此引入的相對標準不確定度為

３．６．３ 引伸計測量引入的不確定度u３,rel(Fp０．２) 

規(guī)定非比例延伸力測量所用的引伸計示值誤差 必須小于±０．５％,半寬為０．５％,且為矩形分布,因 此引伸計測量引入的不確定度為

３．６．４ 引伸計標距引入的不確定度u４,rel(Fp０．２) 

規(guī)定非比例延伸力所用的引伸計標距誤差半寬 為０．５％,按矩形分布計算得到的相對標準不確定 度為

３．６．５ 基準線引入的標準不確定度u５,rel(Fp０．２) 

測量規(guī)定非比例延伸力時,首先要確定基準線 (拉伸試驗曲線的彈性直線段部分),根據實際經驗, 它有±２．０％的偏差,半寬為２．０％,由此產生的相對 標準不確定度為

３．６．６ 溫度波動引入的力值測量相對標準不確定 度u６,rel(Fp０．２) 

為測量試驗溫度波動引入的載荷變化,需要預 先測量該材料在４００℃附近的規(guī)定塑性延伸力與溫 度的關系.準備５組相同尺寸及狀態(tài)的試樣,分別 測定其在３８０,３９０,４００,４１０,４２０℃時的規(guī)定塑性延 伸力,然后使用最小二乘法計算,得到的直線斜率為 該溫度范圍內的規(guī)定塑性延伸力與溫度的關系.此 試驗測得斜率為－１５．５N??℃－１,即溫度每升高１ ℃, 規(guī)定塑性延伸力降低１５．５N.４００ ℃的爐溫變化區(qū) 間為３９７~４０３℃,溫度波動范圍半寬為３℃,則

由Fp０．２引入的標準不確定度分量urel(Fp０．２)可 按下式計算 

３．７ 最大力的標準不確定度分量u(Fm)的評定 

根據載荷Ｇ位移曲線,由 merlin 程序給出的最 大載荷為３３９２９N,試驗機強度測量引入的相對標 準不確定度為

校 準 測 力 儀 的 不 確 定 度 為 ０．１ ％,置 信 因 子 為２,則 試 驗 機 校 準 引 入 的 相 對 標 準 不 確 定 度 u２,rel(Fm)為

４ 合成標準不確定度的評定 

對各被測量的數學模型的輸入量求偏導數,得 到不確定度靈敏系數為

各 不 確 定 度 分 量 如 下:u(Fp０．２)＝８８．５ N, u(Fm)＝５８．６６ N,u(d)＝０．００２４,u(Rp０．２,rou)＝ １．４MPa,u(Rm,rou)＝２．９ MPa,u(Lu)＝０．０２５８, u(L０)＝ ０．０７２２,u(Arou)＝ ０．００１ ４,u(Zrou)＝ ０．００１４,u(Su)＝０．１４７３,u(S０)＝０．０１８８.

相應的合成標準不確定度為 

５ 擴展不確定度的評定 

取置信概率p＝９５％,按kp＝２,擴展不確定度為 

６ 測量不確定度報告 

該試驗所評定的 WＧ７Cu合金的抗拉強度 Rm 、 屈服強度Rp０．２、斷后伸長率 A、斷面收縮率Z 的測 量結果的不確定度報告為: 

７ 結論 

高溫和常溫拉伸試驗均可以按照JJF１０５９．１－２０１２進行不確定度評定.對于高溫拉伸試驗過程 中的溫度波動引入的測量不確定度,可通過測定試 驗溫度點附近不同溫度下的力值變化,并使用最小 二乘法得到對應的規(guī)定塑性延伸力值和最大力值與 溫度的線性關系來進一步進行計算,從而較好地實 現(xiàn)高溫拉伸試驗不確定度的評定.

參考文獻: 

[１] 王承忠．測量不確定度基本原理和評定方法及在材料 檢測中的評定實例 第一講 測量不確定度的基本原理 和定義[J]．理化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１３,４９(９):５９７Ｇ ６０４． 

[２] 中國合格評定國家認可委員會．石油石化領域理化檢 測測量不確定度評估指南及實例[M]．北京:中國計量 出版社,２０１０． 

[３] 王?。饘俨牧鲜覝乩煸囼灥牟淮_定度評定[J]．理 化檢驗(物理分冊),２０１３,４９(７):４４８Ｇ４５６． 

[４] 傅志強．金屬材料規(guī)定非比例延伸強度Rp０．２測量結果 的不確定度評定[J]．理化檢驗(物理分冊),２００３,３９ (９):４６５Ｇ４６７．

[５] 王俊,王玉玲．金屬材料規(guī)定非比例延伸強度測量結 果不確定度評定[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１０,４６ (９):５７１Ｇ５７４． 

[６] 王俊,王玉玲．金屬材料布氏硬度試驗的不確定度評 定[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１０,４６(１２):７７１Ｇ７７４． 

[７] 吳偉．IF熱軋鋼板拉伸試驗結果的測量不確定度評定 [J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(６):３９２Ｇ３９６． 

[８] 吳偉．扁鋼布氏硬度試驗的測量不確定度評定[J]．理 化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(２):１１４Ｇ１１７． 

[９] 孫雄飛,王磊．紫銅板布氏硬度試驗的測量不確定度 評定[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１８,５４(６):４３８Ｇ４４１． 

<文章來源  >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 10期 (pp:703-707)>