塑料弯曲强度不确定度的评定

金 晶, 石景丽, 石巧英

(上海日之升科技有限公司， 上海 201109)

0 前言

弯曲性能测试主要用来评价材料的弯曲强度和塑性变形情况，是产品设计开发和生产过程质量控制的重要参考指标。电子万能试验机被广泛应用于塑料力学性能的评价，是测试材料弯曲性能的主要仪器设备。测量不确定度在实验室的质量管理中有着重要的作用，中国合格评定国家认可委员会在实验室认可过程中尤其关注对实验室设备能力的验证，对测量结果进行不确定度评定可以反映设备的准确度，有利于提高其测试结果的准确性；因此，不确定度的评定在质量管理中非常重要[1]。笔者按照GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性能的测定》中的三点加荷试验方法，对影响聚丙烯(PP)注塑样条弯曲强度测试的因素进行分析，测定了电子万能试验机在测试PP注塑样条弯曲强度时的相对扩展不确定度。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP 3080,台塑工业(宁波)有限公司生产，熔融指数为9 g/(10 min)，测试条件为温度230 ℃、砝码质量2.16 kg。

1.2 主要设备及仪器

电子万能试验机，CMT6104，深圳市新三思材料检测有限公司；

注塑机，MTF-80-X，宁波大榭开发区海天机械有限公司；

电子数显卡尺，量程为0～1.5 mm，桂林广陆数字测控有限公司。

1.3 测量方法

依据GB/T 9341—2008测试注塑样条的弯曲强度；依据GB/T 2918—2018《塑料 试样状态调节和试验的标准环境》对注塑样条进行试验前的状态调节。

1.4 测试过程

称取2 kg PP 3080塑料粒子，在相同的注塑工艺条件下制作10根弯曲试样，然后放置于标准环境温度23 ℃、相对湿度50%状态调节88 h[2]，再对电子万能试验机进行自动校准以确保设备状态正常，最后在温度为23 ℃、相对湿度为50%的环境下对注塑的PP 3080试样进行重复测量[3]。

1.5 数学模型

根据GB/T 9341—2008中对弯曲强度的定义，即试样在弯曲过程中承受的最大弯曲应力，可以得出被测量物弯曲强度的数学模型为：

σ=3FL/(2bh2)

(1)

式中：σ为弯曲强度，MPa；F为施加的最大力，N；L为跨度，mm；b为试样的宽度，mm；h为试样的厚度，mm。

2 测量结果与讨论

在满足GB/T 9341—2008的条件下，对PP 3080注塑样条进行5次重复测量，取平均值，结果见表1。

表1 注塑样条5次弯曲强度测量值

2.1 不确定度来源分析

按照数学模型，由GB/T 9341—2008试验步骤可知产生的不确定度的来源主要有以下几个方面：重复性试验、施加的最大力、试样宽度的测量、试样厚度的测量。由于已经考虑弯曲强度的重复性试验所引入的不确定度分量，因此此处不再考虑试样宽度及厚度测量重复性所引入的不确定度分量，只考虑测量过程中使用的电子数显卡尺引入的不确定度分量。由于检测时环境条件为恒温、恒湿，支座间跨距长度固定，所以此项目检测不考虑温度效应所引起的不确定度分量及跨度引起的不确定分量。

在上述不确定度来源中，重复性试验引入的不确定度属于A类不确定度，施加的最大力和电子数显卡尺引入的不确定度属于B类不确定度。

2.2 不确定度分量的量化

2.2.1 由测量重复性引入的不确定度

在测量重复性没有变化的情况下，引用PP 3080注塑样条进行10次测量，结果见表2。

表2 注塑样条10次弯曲强度测量值

由测量重复性引入的相对标准不确定度urel,σ为:

(2)

采用贝塞尔公式计算试验标准偏差：

(3)

将表2数值代入式(2)、式(3),可得PP 3080注塑样条进行10次测量的试验标准偏差为0.414 MPa,为0.185,则由测量重复性引入的相对标准不确定度为0.006 93。

2.2.2 由施加的最大力引入的不确定度

由电子万能试验机施加的最大力引入的相对标准不确定度urel,F为：

urel,F=Urel/k

(4)

式中:Urel为电子万能试验机相对扩展不确定度;k为包含因子。

经查通标标准技术服务(上海)有限公司出具的电子万能试验机校准证书，电子万能试验机扩展不确定度为0.15%，包含因子为2,则电子万能试验机施加的最大力引入的相对标准不确定度为0.000 75。

2.2.3 由宽度的测量引入的不确定度

由宽度的测量引入的相对标准不确定度u1rel,b为:

u1rel,b=U/(k·b)

(5)

式中：U为电子万能试验机扩展不确定度。

经查通标标准技术服务(上海)有限公司出具的校准证书，电子数显卡尺误差引入的扩展不确定度为0.01 mm,包含因子为2，则电子数显卡尺测量试样宽度准确性引入的相对标准不确定度为0.000 505。

由电子数显卡尺分辨率引入的相对标准不确定度u2rel,b为:

(6)

式中:u2为由电子数显卡尺分辨率引入的不确定度;a为电子数显卡尺的包含区间半宽度。

因为由电子数显卡尺的准确性和分辨率引起的不确定度为独立不相关，所以由宽度的测量引入的相对合成标准不确定度urel,b为:

(7)

将相关数据代入式(7)后可得由宽度的测量引入的相对合成标准不确定度为0.000 583。

2.2.4 由厚度的测量引入的不确定度

由电子数显卡尺测量厚度准确性引入的相对标准不确定度u1rel,h为:

u1rel,h=U/(k·h)

(8)

经查通标标准技术服务(上海)有限公司出具的校准证书，电子数显卡尺测量误差引入的扩展不确定度为0.01 mm,包含因子为2，则电子数显卡尺测量厚度准确性引入的相对标准不确定度为0.001 26。

由电子数显卡尺分辨率引入的相对标准不确定度u2rel,h为:

(9)

因为由电子数显卡尺的准确性和分辨率引起的不确定度为独立不相关，所以由厚度的测量引入的相对合成标准不确定度urel,h为:

(10)

将相关数据代入式(10)后可得由厚度的测量引入的相对合成标准不确定度为0.001 45。

2.3 合成标准不确定度

以上各相对标准不确定度分量互相独立不相关，所以采用平方和开根的方法合成，得出弯曲强度测量结果的相对合成标准不确定度ucrel为：

(11)

因此合成标准不确定度uc为：

(12)

将相对标准不确定度各分量代入式(11),可得ucrel=0.007 6,进一步可求得uc=0.21 MPa。

2.4 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，根据测量不确定度评定指南对一般检测实验室的要求[4]，取置信概率为95%时，可得包含因子为2，所以扩展不确定度为0.42 MPa。

3 结语

在置信概率95%情况下，本次注塑制样弯曲强度的扩展不确定度为0.42 MPa，包含因子为2。根据对测量重复性、施加的最大力、试样宽度及厚度引入的不确定度分析与评定，得出测量重复性对试样的弯曲强度不确定度的影响最大，其次为试样厚度的测量，最后为施加的力和试样宽度的测量。

在日常测试过程中，应满足试样的重复测量次数，以及试验操作的准确性，并且需对电子万能试验机和电子数显卡尺的校准予以关注，确保设备的精度，保证试验结果的准确性。