分享：金属材料高温拉伸试验的不确定度评定
摘 要:参照金属材料常温拉伸试验结果的不确定度评定方法,对高温拉伸试验的测量结果进 行了不确定度评定,提出了由温度波动引入的不确定度的计算方法.结果表明:按照JJF１０５９．１－ ２０１２进行高温拉伸试验的不确定度评定时,可通过测定试验温度附近不同温度下的力值变化,按 线性关系采用最小二乘法得到两者的关系直线,其斜率可用于评估温度波动对试样力值的影响,从 而较好地评定高温拉伸试验的不确定度.
关键词:高温拉伸;不确定度;温度波动;评定方法
中图分类号:TG１１３．２５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７０３Ｇ０５
随着社会的发展和科技的进步,各行业实验室 检测/校准的水平得到了显著的提高,客户对检测/ 校准结果的可靠性要求也越来越高,经常要求在提 供结果的同时给出其不确定度[１].因此,实验室认 可准则和相关标准对检测结果的不确定度评定和应 用都提出了更高的要求[２].作为结构材料常规检测 项目,金属材料的力学性能检测通常需要提供满足 实验室认可准则要求的不确定度评定结果.关于金 属力学性能检测不确定度评定的研究报道很多,但 多集 中 于 室 温 拉 伸 试 验 及 硬 度 试 验[３Ｇ９].GB/T ２２８．１－２０１０«金属材料 拉伸试验 第１部分:室温试 验方法»对室温拉伸试验的不确定度评定有比较详 细的规定.而 GB/T２２８．２－２０１５«金属材料 拉伸 试验 第２部分:高温试验方法»中关于金属材料高 温拉伸试验结果不确定度评定的规定则比较�：�, 相关研究工作更是鲜有报道.
相对于金属材料常温拉伸试验,高温拉伸试验 过程中的温度波动必然会引入新的测量不确定度, 增加评定过程的复杂性.笔者参照常温拉伸试验的 不确定度评定过程,提出了通过力值测量温度波动 引入的不确定度的处理方法,较好地实现了高温拉 伸试验不确定度的评定.
１ 高温拉伸试验
１．１ 试样制备与试验方法
试验材料为 WＧ７Cu合金,其标准性能见表１, 按照 GB/T２２８．２－２０１５ 截 取 直 径 １０ mm,标 距 ５０mm 的螺纹卡头试样.使用Instron５５６９型电子 万能材料试验机、merlin自动测试软件系统进行拉 伸试验,试验温度为４００ ℃.试验机精度为０．５级, 示值误差为±０．５％,数值显示为０．０１N.试验温度 控制精度:t≤６００ ℃时为±３ ℃;６００~８００ ℃时为 ±４ ℃.试验机的检定按照JJG４７５－２００８«电子式 万能试验机检定规程»进行,使用 ０．１ 级标准测力 仪,其不确定度为０．１％,扩展系数k＝２.按照JJF １０５９．１－２０１２«测量不确定度评定与表示»进行高温 拉伸试验不确定度的评定.
１．２ 测量过程
根据 GB/T２２８．２－２０１５,在高于３５ ℃的温度 下,选用不超过０．００８s－１的应变速率.用１级千分 尺测 量 试 样 直 径 d,千 分 尺 极 限 示 值 误 差 为 ±０．００４mm.用０~１５０ mm 的游标卡尺测量断后 标距Lu,游标卡尺极限误差为±０．０２ mm,原始标 距极限误差为±１％.引伸计标距为５０ mm,标距 相对误差为±０．５％,允许示值误差为±０．５％.对 试样施加轴向拉力,测试其规定非比例延伸强度和 最大力,并测量原始标距与断后标距,最终计算结果 修 正 后 得 到 抗 拉 强 度 Rm ＝４３２ MPa,屈 服 强 度 Rp０．２＝２５２MPa,断后伸长率 A＝２１．２％,断面收缩 率Z＝２１．５％.
１．３ 力学性能计算公式
式中:Fp０．２和Fm 为规定非比例延伸力和最大力;S０ 为试样平行长度的原始横截面积;Su 为试样断后缩 颈处的横截面积;d － 为试样平行段直径的平均值; L０ 为试样原始标距;L － u 为试样的断后标距.
２ 测量不确定度的来源
WＧ７Cu合金高温拉伸试验的测量不确定度的 主要来源包括:对试样原始直径测量引入的不确定 度分量u(d);原始标距测量引入的不确定度分量 u(L０);断后标距测量所引入的不确定度分量u(Lu); 原始 横 截 面 积 测 量 引 入 的 标 准 不 确 定 度 分 量 u(S０);断后 横 截 面 积 的 标 准 测 量 不 确 定 度 分 量 u(Su);规定非比例延伸力的标准测量不确定度分 量u(Fp０．２);最大力的标准不确定度分量u(Fm).
分量中包括了由直径测量重复性引入的不确定 度u１(d)和量具本身的测量误差引入的不确定度 u２(d);标准要求断后伸长量的测量结果数值修约 带来的不确定度u１(Lu)和测量断后标距数值的卡 尺带来的误差不确定度分量u２(Lu);直径测量结果 重复性带来的不确定度u１(du)和量具本身的测量 误差带来的不确定度u２(du);试验机强度测量带来 的不确定度u１,rel(Fp０．２)、试验机校准带来的标准不 确定度u２,rel(Fp０．２)、引 伸 计 测 量 引 入 的 不 确 定 度 u３,rel (Fp０．２ )、引 伸 计 标 距 引 入 的 不 确 定 度 u４,rel(Fp０．２)、规定非比例延伸力所采用基准线的标 准不确定度u５,rel(Fp０．２)、由温度波动引入的力值测 量相对标准不确定度u６,rel(Fp０．２);试验机强度测量 带来的相对标准不确定度u１,rel(Fm )及试验机校准 带来的相对标准不确定度u２,rel(Fm).
３ 输入量的标准不确定度评定
３．１ 试样原始直径测量引入的不确定度分量u(d) 的评定
试样原始直径d 和断口处直径du 的测量结果 见表２.
以１０组测量结果的平均值作为试样原始直径 的最终值,由直径测量的重复性引入的不确定度为
３．２ 原始标距测量引入的不确定度分量u(L０)的 评定
由于L０＝５０mm,划线机极限误差为±１％,按 均匀分布 考 虑,原 始 标 距 测 量 引 入 的 相 对 不 确 定 度为
３．３ 断后标距测量引入的不确定度分量u(Lu)的 评定
GB/T２２８．２－２０１５要求断后伸长量的测量应 准确到０．２５mm,按均匀分布,断后伸长量的测量结 果数值修约带来的不确定度为
３．４ 原 始 横 截 面 积 测 量 的 标 准 不 确 定 度 分 量 u(S０)的评定
由于S０ 是由直径d 计算得到,u(S０)的来源同 u(d)的来源一致.横截面积由下式计算得到
３．５ 断后横截面积的标准不确定度分量u(Su)的 评定
由于Su 是由缩颈处直径du 计算得到,u(du) 的来源也是u(Su)的来源,通常包括直径测量重复 性带来的不确定度u１(du)和量具本身的测量误差 带来的不确定度u２(du)两个部分.
以１０组直径测量结果的平均值作为试样缩颈 处直径的最终测量结果,由直径测量重复性带来的 不确定度为
３．６ 规定非比例延伸力的标准测量不确定度分量 u(Fp０．２)的评定
３．６．１ 试验机强度测量引入的相对标准不确定度 u１,rel(Fp０．２)
Instron５５６９型电子万能材料试验机的精度为 ０．５ 级,按均匀分布,测量引入的相对标准 不 确 定 度为
３．６．２ 试验机校准引入的标准不确定度u２,rel(Fp０．２)
校准测力仪的不确定度为 ０．１％,置信因子为 ２,由此引入的相对标准不确定度为
３．６．３ 引伸计测量引入的不确定度u３,rel(Fp０．２)
规定非比例延伸力测量所用的引伸计示值误差 必须小于±０．５％,半宽为０．５％,且为矩形分布,因 此引伸计测量引入的不确定度为
３．６．４ 引伸计标距引入的不确定度u４,rel(Fp０．２)
规定非比例延伸力所用的引伸计标距误差半宽 为０．５％,按矩形分布计算得到的相对标准不确定 度为
３．６．５ 基准线引入的标准不确定度u５,rel(Fp０．２)
测量规定非比例延伸力时,首先要确定基准线 (拉伸试验曲线的弹性直线段部分),根据实际经验, 它有±２．０％的偏差,半宽为２．０％,由此产生的相对 标准不确定度为
３．６．６ 温度波动引入的力值测量相对标准不确定 度u６,rel(Fp０．２)
为测量试验温度波动引入的载荷变化,需要预 先测量该材料在４００℃附近的规定塑性延伸力与温 度的关系.准备５组相同尺寸及状态的试样,分别 测定其在３８０,３９０,４００,４１０,４２０℃时的规定塑性延 伸力,然后使用最小二乘法计算,得到的直线斜率为 该温度范围内的规定塑性延伸力与温度的关系.此 试验测得斜率为－１５．５N??℃－１,即温度每升高１ ℃, 规定塑性延伸力降低１５．５N.４００ ℃的炉温变化区 间为３９７~４０３℃,温度波动范围半宽为３℃,则
由Fp０．２引入的标准不确定度分量urel(Fp０．２)可 按下式计算
３．７ 最大力的标准不确定度分量u(Fm)的评定
根据载荷Ｇ位移曲线,由 merlin 程序给出的最 大载荷为３３９２９N,试验机强度测量引入的相对标 准不确定度为
校 准 测 力 仪 的 不 确 定 度 为 ０．１ ％,置 信 因 子 为２,则 试 验 机 校 准 引 入 的 相 对 标 准 不 确 定 度 u２,rel(Fm)为
４ 合成标准不确定度的评定
对各被测量的数学模型的输入量求偏导数,得
到不确定度灵敏系数为
各 不 确 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.
相应的合成标准不确定度为
５ 扩展不确定度的评定
取置信概率p＝９５％,按kp＝２,扩展不确定度为
６ 测量不确定度报告
该试验所评定的 WＧ７Cu合金的抗拉强度 Rm 、 屈服强度Rp０．２、断后伸长率 A、断面收缩率Z 的测 量结果的不确定度报告为:
７ 结论
高温和常温拉伸试验均可以按照JJF１０５９．１－２０１２进行不确定度评定.对于高温拉伸试验过程 中的温度波动引入的测量不确定度,可通过测定试 验温度点附近不同温度下的力值变化,并使用最小 二乘法得到对应的规定塑性延伸力值和最大力值与 温度的线性关系来进一步进行计算,从而较好地实 现高温拉伸试验不确定度的评定.
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