TC16合金测量不确定度结果的评定

焦　磊， 田晨超， 许　飞， 张　娟

(西北有色金属研究院 材料分析中心，西安 710016)



TC16合金测量不确定度结果的评定

焦磊， 田晨超， 许飞， 张娟

(西北有色金属研究院 材料分析中心，西安 710016)

摘要：为评定TC16合金拉伸试验结果的测量不确定度，以TC16棒状拉伸试样为例，建立了不确定度计算的数学模型，确定了影响试验结果的屈服力Fspan、最大力Fspan、试样尺寸等各项因素，计算出了各种因素的标准不确定度，得出拉伸试验结果(Rspan、Rspan、A)的扩展不确定度，评定了拉伸试验结果的不确定度.本评定方法具有一定的代表性，对评定其他金属材料拉伸测量结果的不确定度有一定的参考意义.

关键词：TC16合金；拉伸试验；不确定度；评定

在具体的试验测试中，测量结果均具有一定的分散性，测量不确定度是由于随机效应或已识别的系统效应不完善的影响，而对被测量的测得值可疑的程度[1].金属材料拉伸试验结果的准确度取决于各种试验参数，如设备的精度、试样的尺寸、结果数据修约、试验材料的均匀度及拉伸速率等[1-2].本文依据JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》及相关文献[1-3]，加工了性能较为稳定的TC16钛合金棒材进行拉伸测试，评定了该材料在本实验室拉伸结果的不确定度，并进行了讨论.

1试验方法

拉伸试验所用TC16钛合金材料，经机加工尺寸参照GB/T228.1-2010所规定的R7螺纹连接比例试样(直径为5 mm)[3].先使用1级千分尺(规格为0~25 mm)对试样的直径进行测量，利用Instron 5982电子万能试验机(最大量程100 kN)，试验机精度为0.5级(载荷示值相对最大允许误差为±0.5%)，按照标准规定的加载速率对试样施加轴向拉力直至试样断裂，用经计量合格的划线机标记原始标距(L0=25 mm)，利用游标卡尺(最小分度0.02 mm，0~150 mm)测量出断后标距，最终计算得到试验结果：屈服强度Rp0.2，抗拉强度Rm和断后伸长率A.本试验温度为20 ℃，温度波动不大于2 ℃/h，相对湿度小于80%.计算公式如下：

2测量不确定度来源的分析

本试验中测量结果不确定度的主要来源是：试验力值造成的不确定度；试样直径偏差所引入的不确定度；长度测量：试样原始标距和断后标距所引起的不确定度.除力值外上述不确定度中均包括了测量设备或量具误差及不同检测人员所带来的不确定度[4-5].根据GB/T228.1-2010拉伸试验方法标准规定,Rm,Rp0.2以及A的报告结果必须修约，所以还要考虑数值修约所引入的不确定度[3].

3标准不确定度分量

3.1试样加工尺寸偏差引入的不确定度分量u(d)

3.2试验力值造成的不确定度分量u(FP0.2)和u(Fm)

3.2.1试样不均匀性所带来的不确定度u1(FP0.2)和u1(Fm)

u1(FP0.2)和u1(Fm)可以用统计方法评定，本试验试验力数值及计算见表1.

表1　试验力值数据

在实际测定中，均以单次测量为结果，所以标准不确定度分量是：

相对不确定度为：

3.2.2试验机精度误差带来的测量不确定度分量

本试验采用设备为Instron 5982电子万能材料试验机，经检定其精度为0.5级，即误差±0.5%，服从均匀分布:

3.2.3标准测力仪所引入的标准不确定度

试验机是借助0.1级标准测力仪进行校准的，根据校准实验室提供的报告，校准源的不确定度为0.1%，置信因子为2，由此引入不确定度属于B类不确定度[2]，其不确定度分量为：

3.2.4输入量试验力值测量结果的标准不确定u(Fp0.2)和u(Fm)

由于以上各因素独立不相关，所以:

可以得到：

3.3试样原始标距和断后标距测量引起的标准不确定度分量u(L0)和u(Lu)

3.3.1断后标距Lu测量重复性所引起的不确定度分量u1(Lu)

断后标距Lu由本实验室4位试验人员(简称A、B、C、D)分别测量所得，测量结果见表2.

表2　断后标距数据

3.3.2游标卡尺引入的不确定度u2(Lu)

在本试验中试验所用游标卡尺经过校验，其误差范围为±0.02 mm，它所引起的标准不确定度：

3.3.3测量Lu引入的不确定度u(Lu)

4．多种极品类型均有产出。昌乐蓝宝石矿床之所以被称为极品宝石的摇篮，不仅是因为以上三方面特点，更主要的是矢车菊颜色、卡蓝等世界公认的极品类型蓝宝石品种在这里均有产出。

因上述的u1(Lu)和u2(Lu)独立不相关,可以合成为：

3.3.4试样原始标距L0的测量不确定度u(L0)

L0=25 mm采用划线机一次划出，划线机计量检定合格，其误差为±1.0%，且服从均匀分布，所以：

3.4数值修约引起的标准不确定度分量u(Rrou)和u(Arou)的评定

GB/T228-2010规定的修约方法，数值修约引入了不确定度，这可用B类方法来评定(表3).

表3　数值修约引起的不确定度分量

由表3可得u(RP0.2,rou)=0.29MPa，u(Rm,rou)=0.29MPa，u(Arou)=0.14%.

4合成标准不确定度

(1)

(2)

(3)

相应的不确定度传播系数为：

带入数据可得：

将结果带入(1)、(2)、(3)得uc(Rp0.2)=4.954MPa，uc(Rm)=5.881MPa,uc(A)=0.860 3%.

5扩展不确定度的评定

扩展不确定度采用U=kuc(y)计算，取包含因子k=2，则置信概率为95%，所以有：

U(Rp0.2)=2·uc(Rp0.2)=9.91MPa≈10MPa

U(Rm)=2·uc(Rm)=11.76MPa≈12MPa

U(A)=2·uc(A)=1.72%≈2.0%

6评定结果

评定结果当k=2时为：

Rp0.2=(887±10)MPa;Rm=(971±12)MPa;A=(17±2.0)%

7结语

(1)本试验所采用的试验速率均严格遵守标准规定.因此，不必考虑试验速率对Rp0.2的影响，而拉伸速率对Rm和A测试结果的影响本来就不大，故文中可忽略拉伸速率对结果的影响.试验时环境温度变化不大，也满足标准的规定，故其所引起的不确定度对于本试验可忽略不计.

(2)试样的取样部位及加工等均严格按照标准执行，可忽略由这些因素对不确定度评定结果的影响.

(3)本评定方法的各不确定度分量除重复性测量引入的不确定度外皆为设备和量具最大允许误差带来的不确定度，所以本次拉伸试验不确定度结果较为可靠；而且其他金属材料拉伸试验的参数不确定度均可采用相类似的方法来评定.本文中的不确定度评定过程具有一定的代表性.

[参考文献]

[1]JJF1059-2012测量不确定度评定与表示[S].2012.

[2]王承忠.测量不确定度原理及在理化检验中的应用：第四讲金属材料拉伸试验检测结果测量不确定度的评定[J].理化检验(物理分册)，2003,39(4):220-224.

[3]GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法[S].2010.

[4]宋晓炯，杨仁江.金属材料拉伸试验测量结果不确定度评定[J].物理测试，2006,24(6):22-25.

[5]王承忠.测量不确定度原理及在理化检验中的应用：第一讲测量不确定度的基本概念及A类标准不确定度[J].理化检验(物理分册)，2003,49(9):597-604.

[责任编辑马云彤]

Evaluation on Results of Measurement Uncertainty of TC16 Alloy

JIAO Lei, TIAN Chen-chao, XU Fei, ZHANG Juan

( Materials Analysis Center, Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China )

Abstract：In order to evaluate the measuring uncertainty of the tensile test result of TC16 alloy, the mathematic model was established by taking the rod tensile specimen of TC16 bar as an example. Different factors of yield force Fspan, tensile force Fspan, original sample size and so on that influencing the tensile test result were determined, and the standard uncertainty of different factors were calculated. The expanded uncertainty of the tensile test result (Rspan、Rspan、A) was figured out, and the measuring uncertainty of the tensile test result was evaluated. This evaluation method has a certain representation, and has a certain reference value for evaluation on measuring uncertainty of the tensile test result of other metal materials.

Key words：TC16 alloy; tensile test; uncertainty; evaluation

中图分类号：TG13

文献标志码：A

作者简介：焦磊( 1985—),男，河北抚宁人，西北有色金属研究院材料分析中心工程师，硕士，主要从事材料物理性能测试研究.

基金项目：国家青年自然科学基金资助项目(51302223)

收稿日期：2015-06-01

文章编号：1008-5564(2016)01-0064-05