摘 要:參照金屬材料常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果的不確定度評定方法,對高溫拉伸試驗(yàn)的測量結(jié)果進(jìn) 行了不確定度評定,提出了由溫度波動(dòng)引入的不確定度的計(jì)算方法.結(jié)果表明:按照J(rèn)JF１０５９．１－ ２０１２進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)的不確定度評定時(shí),可通過測定試驗(yàn)溫度附近不同溫度下的力值變化,按 線性關(guān)系采用最小二乘法得到兩者的關(guān)系直線,其斜率可用于評估溫度波動(dòng)對試樣力值的影響,從 而較好地評定高溫拉伸試驗(yàn)的不確定度.
關(guān)鍵詞:高溫拉伸;不確定度;溫度波動(dòng);評定方法
中圖分類號(hào):TG１１３．２５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７０３Ｇ０５
隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,各行業(yè)實(shí)驗(yàn)室 檢測/校準(zhǔn)的水平得到了顯著的提高,客戶對檢測/ 校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性要求也越來越高,經(jīng)常要求在提 供結(jié)果的同時(shí)給出其不確定度[１].因此,實(shí)驗(yàn)室認(rèn) 可準(zhǔn)則和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對檢測結(jié)果的不確定度評定和應(yīng) 用都提出了更高的要求[２].作為結(jié)構(gòu)材料常規(guī)檢測 項(xiàng)目,金屬材料的力學(xué)性能檢測通常需要提供滿足 實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則要求的不確定度評定結(jié)果.關(guān)于金 屬力學(xué)性能檢測不確定度評定的研究報(bào)道很多,但 多集 中 于 室 溫 拉 伸 試 驗(yàn) 及 硬 度 試 驗(yàn)[３Ｇ９].GB/T ２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試 驗(yàn)方法»對室溫拉伸試驗(yàn)的不確定度評定有比較詳 細(xì)的規(guī)定.而 GB/T２２８．２－２０１５«金屬材料 拉伸 試驗(yàn) 第２部分:高溫試驗(yàn)方法»中關(guān)于金屬材料高 溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果不確定度評定的規(guī)定則比較模糊, 相關(guān)研究工作更是鮮有報(bào)道.
相對于金屬材料常溫拉伸試驗(yàn),高溫拉伸試驗(yàn) 過程中的溫度波動(dòng)必然會(huì)引入新的測量不確定度, 增加評定過程的復(fù)雜性.筆者參照常溫拉伸試驗(yàn)的 不確定度評定過程,提出了通過力值測量溫度波動(dòng) 引入的不確定度的處理方法,較好地實(shí)現(xiàn)了高溫拉 伸試驗(yàn)不確定度的評定.
１ 高溫拉伸試驗(yàn)
１．１ 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為 WＧ７Cu合金,其標(biāo)準(zhǔn)性能見表１,按照 GB/T２２８．２－２０１５ 截 取 直 徑 １０ mm,標(biāo) 距 ５０mm 的螺紋卡頭試樣.使用Instron５５６９型電子 萬能材料試驗(yàn)機(jī)、merlin自動(dòng)測試軟件系統(tǒng)進(jìn)行拉 伸試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為４００ ℃.試驗(yàn)機(jī)精度為０．５級(jí), 示值誤差為±０．５％,數(shù)值顯示為０．０１N.試驗(yàn)溫度 控制精度:t≤６００ ℃時(shí)為±３ ℃;６００~８００ ℃時(shí)為 ±４ ℃.試驗(yàn)機(jī)的檢定按照J(rèn)JG４７５－２００８«電子式 萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程»進(jìn)行,使用 ０．１ 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測力 儀,其不確定度為０．１％,擴(kuò)展系數(shù)k＝２.按照J(rèn)JF １０５９．１－２０１２«測量不確定度評定與表示»進(jìn)行高溫 拉伸試驗(yàn)不確定度的評定.
１．２ 測量過程
根據(jù) GB/T２２８．２－２０１５,在高于３５ ℃的溫度 下,選用不超過０．００８s－１的應(yīng)變速率.用１級(jí)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(biāo)卡尺測量斷后 標(biāo)距Lu,游標(biāo)卡尺極限誤差為±０．０２ mm,原始標(biāo) 距極限誤差為±１％.引伸計(jì)標(biāo)距為５０ mm,標(biāo)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(qiáng)度和 最大力,并測量原始標(biāo)距與斷后標(biāo)距,最終計(jì)算結(jié)果 修 正 后 得 到 抗 拉 強(qiáng) 度 Rm ＝４３２ MPa,屈 服 強(qiáng) 度 Rp０．２＝２５２MPa,斷后伸長率 A＝２１．２％,斷面收縮 率Z＝２１．５％.
１．３ 力學(xué)性能計(jì)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(biāo)距;L － u 為試樣的斷后標(biāo)距.
２ 測量不確定度的來源
WＧ７Cu合金高溫拉伸試驗(yàn)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(biāo)距測量引入的不確定度分量 u(L０);斷后標(biāo)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(biāo) 準(zhǔn) 不 確 定 度 分 量 u(S０);斷后 橫 截 面 積 的 標(biāo) 準(zhǔn) 測 量 不 確 定 度 分 量 u(Su);規(guī)定非比例延伸力的標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度分 量u(Fp０．２);最大力的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Fm).
分量中包括了由直徑測量重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)要求斷后伸長量的測量結(jié)果數(shù)值修約 帶來的不確定度u１(Lu)和測量斷后標(biāo)距數(shù)值的卡 尺帶來的誤差不確定度分量u２(Lu);直徑測量結(jié)果 重復(fù)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(yàn)機(jī)強(qiáng)度測量帶來 的不確定度u１,rel(Fp０．２)、試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)帶來的標(biāo)準(zhǔn)不 確定度u２,rel(Fp０．２)、引 伸 計(jì) 測 量 引 入 的 不 確 定 度 u３,rel (Fp０．２ )、引 伸 計(jì) 標(biāo) 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(zhǔn)線的標(biāo) 準(zhǔn)不確定度u５,rel(Fp０．２)、由溫度波動(dòng)引入的力值測 量相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u６,rel(Fp０．２);試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度測量 帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u１,rel(Fm )及試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn) 帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u２,rel(Fm).
３ 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果 見表２.
以１０組測量結(jié)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(fù)性引入的不確定度為
３．２ 原始標(biāo)距測量引入的不確定度分量u(L０)的 評定
由于L０＝５０mm,劃線機(jī)極限誤差為±１％,按 均勻分布 考 慮,原 始 標(biāo) 距 測 量 引 入 的 相 對 不 確 定 度為
３．３ 斷后標(biāo)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(yīng) 準(zhǔn)確到０．２５mm,按均勻分布,斷后伸長量的測量結(jié) 果數(shù)值修約帶來的不確定度為
３．４ 原 始 橫 截 面 積 測 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) 不 確 定 度 分 量 u(S０)的評定
由于S０ 是由直徑d 計(jì)算得到,u(S０)的來源同 u(d)的來源一致.橫截面積由下式計(jì)算得到
３．５ 斷后橫截面積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Su)的 評定
由于Su 是由縮頸處直徑du 計(jì)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(fù) 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(gè)部分.
以１０組直徑測量結(jié)果的平均值作為試樣縮頸 處直徑的最終測量結(jié)果,由直徑測量重復(fù)性帶來的 不確定度為
３．６ 規(guī)定非比例延伸力的標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度分量 u(Fp０．２)的評定
３．６．１ 試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度測量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u１,rel(Fp０．２)
Instron５５６９型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的精度為 ０．５ 級(jí),按均勻分布,測量引入的相對標(biāo)準(zhǔn) 不 確 定 度為
３．６．２ 試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u２,rel(Fp０．２)
校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度為
３．６．３ 引伸計(jì)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(jì)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(jì)測量引入的不確定度為
３．６．４ 引伸計(jì)標(biāo)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(jì)標(biāo)距誤差半寬 為０．５％,按矩形分布計(jì)算得到的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定 度為
３．６．５ 基準(zhǔn)線引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u５,rel(Fp０．２)
測量規(guī)定非比例延伸力時(shí),首先要確定基準(zhǔn)線 (拉伸試驗(yàn)曲線的彈性直線段部分),根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 它有±２．０％的偏差,半寬為２．０％,由此產(chǎn)生的相對 標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
３．６．６ 溫度波動(dòng)引入的力值測量相對標(biāo)準(zhǔn)不確定 度u６,rel(Fp０．２)
為測量試驗(yàn)溫度波動(dòng)引入的載荷變化,需要預(yù) 先測量該材料在４００℃附近的規(guī)定塑性延伸力與溫 度的關(guān)系.準(zhǔn)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(shí)的規(guī)定塑性延 伸力,然后使用最小二乘法計(jì)算,得到的直線斜率為 該溫度范圍內(nèi)的規(guī)定塑性延伸力與溫度的關(guān)系.此 試驗(yàn)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(dòng)范圍半寬為３℃,則
由Fp０．２引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(Fp０．２)可 按下式計(jì)算
３．７ 最大力的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Fm)的評定
根據(jù)載荷Ｇ位移曲線,由 merlin 程序給出的最 大載荷為３３９２９N,試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度測量引入的相對標(biāo) 準(zhǔn)不確定度為
校 準(zhǔn) 測 力 儀 的 不 確 定 度 為 ０．１ ％,置 信 因 子 為２,則 試 驗(yàn) 機(jī) 校 準(zhǔn) 引 入 的 相 對 標(biāo) 準(zhǔn) 不 確 定 度 u２,rel(Fm)為
４ 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定
對各被測量的數(shù)學(xué)模型的輸入量求偏導(dǎo)數(shù),得
到不確定度靈敏系數(shù)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(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
５ 擴(kuò)展不確定度的評定
取置信概率p＝９５％,按kp＝２,擴(kuò)展不確定度為
６ 測量不確定度報(bào)告
該試驗(yàn)所評定的 WＧ７Cu合金的抗拉強(qiáng)度 Rm 、 屈服強(qiáng)度Rp０．２、斷后伸長率 A、斷面收縮率Z 的測 量結(jié)果的不確定度報(bào)告為:
７ 結(jié)論
高溫和常溫拉伸試驗(yàn)均可以按照J(rèn)JF１０５９．１－２０１２進(jìn)行不確定度評定.對于高溫拉伸試驗(yàn)過程 中的溫度波動(dòng)引入的測量不確定度,可通過測定試 驗(yàn)溫度點(diǎn)附近不同溫度下的力值變化,并使用最小 二乘法得到對應(yīng)的規(guī)定塑性延伸力值和最大力值與 溫度的線性關(guān)系來進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算,從而較好地實(shí) 現(xiàn)高溫拉伸試驗(yàn)不確定度的評定.
參考文獻(xiàn):
[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(shí)例 第一講 測量不確定度的基本原理 和定義[J]．理化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),２０１３,４９(９):５９７Ｇ ６０４．
[２] 中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì)．石油石化領(lǐng)域理化檢 測測量不確定度評估指南及實(shí)例[M]．北京:中國計(jì)量 出版社,２０１０．
[３] 王?。饘俨牧鲜覝乩煸囼?yàn)的不確定度評定[J]．理 化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１３,４９(７):４４８Ｇ４５６．
[４] 傅志強(qiáng)．金屬材料規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp０．２測量結(jié)果 的不確定度評定[J]．理化檢驗(yàn)(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(qiáng)度測量結(jié) 果不確定度評定[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１０,４６ (９):５７１Ｇ５７４．
[６] 王俊,王玉玲．金屬材料布氏硬度試驗(yàn)的不確定度評 定[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１０,４６(１２):７７１Ｇ７７４．
[７] 吳偉．IF熱軋鋼板拉伸試驗(yàn)結(jié)果的測量不確定度評定 [J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１６,５２(６):３９２Ｇ３９６．
[８] 吳偉．扁鋼布氏硬度試驗(yàn)的測量不確定度評定[J]．理 化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１７,５３(２):１１４Ｇ１１７．
[９] 孫雄飛,王磊．紫銅板布氏硬度試驗(yàn)的測量不確定度 評定[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１８,５４(６):４３８Ｇ４４１．