拉伸试验测量不确定度分析

王春雁 袁晓桐 张玉潮 纪静

摘要：力学性能指标是评定材料和零部件的重要指标，拉伸试验是测量力学性能的重要一环，检测结果是否有效可靠尤为关键，为了验证我公司拉伸试验检测过程和检测数据的有效性和可靠性，根据GUM即国际标准《测量不确定度第3部分：测量不确定度指南》和JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》标准规定的方法，选取Q235热轧钢板制成试样做拉伸试验，进行不确定度分析评定， 结果表明，拉伸试验不确定度的水平与GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准附录预测水平相当，我公司实验室拉伸试验过程受控正常，检测数据有效可靠。

关键词：拉伸试验;有效可靠;不确定度;受控正常

1  概述

多年来人们习惯用误差理论判断试验结果的准确性，误差是真值与实际测量结果之差，由于真值往往不知道，因此误差无法准确得到。测量不确定度是说明测量分散性的参数，比误差更科学准确。拉伸试验根据试验结果不确定度产生的来源，引入分析各不确定度分量原因数据，进而计算各分量的合成不确定度，最终求出扩展不确定度。

2  试样制备与试验方法

①试样制备：厚度8mm的Q235热轧钢板按GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样及试样制备》标准要求截取试样，加工成1组（6个试样）矩形横截面比例试样，试样要求：厚度a0为5.0mm±0.03，宽度b0为15±0.05mm，Lo为50±0.25mm（5.65■）。

②试验设备：WDW-60微机控制电子万能试验机，1级。

③试验方法：依据GB/T228.1-2010《金属材料 室温拉伸试验方法》规定的方法。

3  测量不确定度评定

3.1 数学模型

Q235热轧钢板拉伸试验测量过程涉及到抗拉强度Rm、上屈服强度ReH和断后伸长率A[1]，计算公式为：Rm=Fm/S0，ReH=FeH/S0，A=（Lu-L0）/L0（Fm—最大力，FeH—上屈服力，S0—试样原始横截面积，Lu—断后标距，L0—原始标距）。

3.2 不确定度因素分析

3.2.1 拉伸强度不确定度分量主要有：①试样原始横截面积引起的不确定度分量urel（S0）;②最大力引起的不确定度分量urel（Fm）;③拉伸速率引起的不确定度分量urel（Rmv）;④测量重复性引起的不确定度分量urel（rep）。

3.2.2 上屈服强度不确定度分量主要有：①试样原始横截面积引起不确定度分量urel（S0）;②上屈服力引起的不确定度分量urel（FeH）;③拉伸速率影响引起的不确定度分量urel（ReHv）;④测量重复性引起的不确定度分量urel（rep）。

3.2.3 断后伸长率不确定度分量主要有：①试样原始标距引起的不确定度分量urel（L0）;②断后伸长引起的不确定度分量urel（ΔL）;③数值修约引起的不确定度分量urel（off）;④测量重复性引起的不确定度分量urel（rep）。

3.3 拉伸试验合成不确定度的评定

3.3.1 对加工好的6个试样进行测量，每个试样测量三次取平均值计入数据，然后在拉伸试验机上试验，试验测量统计分析结果见表1。

3.3.2 抗拉强度不确定度的评定

根据抗拉强度不确定度影响因素，抗拉强度相对合成不确定度urel（Rm）为：

②最大力Fm的评定是根据测力系统示值误差、标准测力仪、计算机数据采集系统这些因素进行评定，不同于观测列统计分析的方法来评定，为B类相对标准不确定度。

2）标准测力仪的相对标准不确定度Urel（F2），使用0.3级的标准测量仪对试验机进行检定，重复性R为0.3%，urel（F2）=0.3%/2.53=0.118%

3）计算机数据采集系统带来的相对标准不确定度Urel（F3）=0.2%

最大力的相对标准不确定度分量为：

3.3.3 上屈服强度不确定度的评定

上屈服强度ReH不确定度的评定与抗拉强度不确定度的评定的步骤是一致的，根据影响因素，上屈服强度相对合成不确定度urel（ReH）为：

②上屈服力FeH的評定是根据测力系统示值误差、标准测力仪、计算机数据采集系统这些因素进行评定，不同于观测列统计分析的方法来评定，为B类相对标准不确定度。

2）标准测力仪的相对标准不确定度Urel（F2），使用0.3级的标准测量仪对试验机进行检定，重复性R为0.3%，urel（F2）=0.3%/2.53=0.118%

3）计算机数据采集系统带来的相对标准不确定度Urel（F3）=0.2%

最大力的相对标准不确定度分量为：

⑤由以上4项相对标准分量，得到上屈服强度相对合成不确定为

⑥上屈服强度的相对扩展不确定度，取包含概率p=95%，按k=2，

Urel（ReH）=2×urel（ReH）=1.7%

3.3.4 断后伸长率不确定度的评定

根据断后伸长率不确定度影响因素，其相对合成不确定度urel（A）为：

⑤由以上4项相对标准分量，得到断后伸长率相对合成不确定为

3.4 拉伸试验扩展不确定度的评定

①抗拉强度的相对扩展不确定度，取包含概率p=95%，按k=2，Urel（Rm）=2×urel（Rm）=1.6%，抗拉强度95%概率落在（487.7-7.8）MPa至（487.7+7.8）MPa之间。

②上屈服强度的相对扩展不确定度，取包含概率p=95%，按k=2，Urel（ReH）=2×urel（ReH）=1.7%，上屈服强度95%概率落在（390.3-6.6）MPa至（390.3+6.6）MPa之间。

③断后伸长率的相对扩展不确定度Urel（A），取包含概率p=95%，按k=2，Urel（A）=2×urel（A）=4.9%，断后伸长率95%概率落在（27.75-1.35）%至（27.75+1.35）%之间。

4  结论

通过对上述拉伸试验测量不确定度分析，拉伸试验的抗拉强度值、上屈服强度值、断后伸长率均落在置信区间内。表明本单位试验室拉伸试验检测数据有效可靠，检测过程受控正常。

参考文献：

[1]GB/T3274-2007，碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带，GB/T700-2007，碳素结构钢.

[2]JJF1059.1-2012，测量不确定度评定与表示，GUM即国际标准《测量不确定度第3部分：测量不确定度指南》.

[3]GB/T228.1-2010，金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法.