塑料屈服应力测量的不确定度评定

(中国石油管道公司管道科技研究中心, 廊坊 065000)

测量不确定度是衡量数据质量的重要指标，可以反映测量结果的准确性，提高测量结果的可比性，在质量控制中有着重要的意义[1-3]。

塑料被广泛应用在食品包装袋、捆扎绳、汽车、光纤等产品中。塑料的屈服应力是其力学性能中最重要的性能之一，也是评价塑料拉伸性能的常用参数[4]。笔者对测试过程中可能出现的各种影响因素进行了不确定度分析，通过计算得到了测量塑料屈服应力的扩展不确定度。

1 试验方法

按照GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的测定 第1部分：总则》、GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》的技术要求对聚丙烯塑料的屈服应力进行测量；根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》的技术要求对测量结果的不确定度进行评定。

被测材料为聚丙烯塑料，取10根宽10 mm、厚4 mm的哑铃状试样，测量前先在温度(23±2) ℃、相对湿度(50±5)%的环境下调节24 h，采用111N型游标卡尺测量试样的宽度和厚度，然后使用INSTRON 3366型电子拉力万能试验机在拉伸速度v=20 mm·min-1，标距L0=50 mm的条件下测量试样的屈服应力，以测量结果的平均值表示。

2 建立模型

根据屈服应力的定义：拉伸试验中初次出现应力不增加而应变增加时的应力，可以得到数学模型为

(1)

式中:σ为屈服应力；F为屈服负荷；b为试样宽度；h为试样厚度。

3 测量不确定度来源分析

根据聚丙烯片材拉伸试验的特点可知,测量结果不确定度的主要来源是：测量重复性、电子拉力万能试验机屈服负荷测量、游标卡尺宽度测量、游标卡尺厚度测量[5-6]。上述的影响因素中，试样的测量重复性属于A 类不确定度，其他影响因素均属于B 类不确定度[7]。

因聚丙烯塑料对温度、湿度不敏感，且在室温(23±2)℃，相对湿度(50±5)%下调节24 h后，在同一恒温、恒湿环境下测量屈服应力，所以不考虑温度和湿度因素所引起的不确定度分量[8]。

以上因素互不关联，根据不确定度传播公式可得屈服应力的合成相对标准不确定度uc,rel(σ)为[9]

uc,rel(σ)=

(2)

式中：urel(Rσ)为测量重复性引入的相对标准不确定度；urel(F)为测量屈服负荷引起的的相对标准不确定度；urel(b)为测量宽度引起的的相对标准不确定度；urel(h)为测量厚度引起的的相对标准不确定度。

4 标准不确定度分量的评定

4.1 测量重复性引起的不确定度分量urel(Rσ)

由一位持证上岗的检验人员对10个平行试样进行重复测量，测量结果如表1所示。

表1 10次重复测量结果Tab.1 Results of 10 repeated measurements

4.2 电子拉力万能试验机测量屈服负荷引起的不确定度分量urel(F)

4.3 游标卡尺测量宽度引起的不确定度分量urel(b)

4.3.1 游标卡尺示值误差引起的不确定度

4.3.2 游标卡尺分辨力引起的不确定度

4.4 游标卡尺测量厚度引起的不确定度分量urel(h)

4.4.1 游标卡尺示值误差引起的不确定度

4.4.2 游标卡尺分辨力引起的不确定度

5 合成标准不确定度

因此，合成标准不确定度为uc(σ)=σuc,rel(σ)=33.49×0.245%≈0.082 MPa。

6 扩展不确定度

扩展不确定度为合成标准不确定度与包含因子的乘积。根据JJF 1059.1—2012的要求，取其置信概率P=95%，包含因子k=2，因此扩展不确定度为U=kuc(σ)=0.164 MPa≈0.16 MPa。

7 不确定度报告

根据上述评定，可得到对于聚丙烯塑料屈服应力测量结果的不确定度报告为σ=33.49 MPa，U=0.16 MPa，k=2。

其意义是可以预期在符合正态分布的前提下，在(33.49-0.16)MPa到(33.49+0.16)MPa的区间包含了该聚丙烯塑料屈服应力测量结果可能值的95%。

8 结论

通过对测量塑料屈服应力的不确定度评定，得出该分析方法的测量不确定度为0.16 MPa，包含因子k=2。测量过程中，不确定度主要来源于试样的测量重复性、电子拉力万能试验机屈服负荷测量、尺寸(主要为厚度)测量。因此，在进行塑料屈服应力测量过程中，可通过提高游标卡尺的精度和试验机的稳定性来保证试验结果的准确性；此外，还应该选择熟练的测量人员及定期对仪器进行校核来减小测量结果的不确定性。