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當(dāng)前位置：首頁(yè) » 國(guó)檢檢測(cè)新聞中心 » 檢測(cè)百科 » 分享：船舶用AH32鋼常溫抗拉強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定金屬材料拉伸試驗(yàn)廣泛應(yīng)用在國(guó)防、能源、船舶、航空、航天、兵器等領(lǐng)域,拉伸試驗(yàn)主要用于測(cè)試金屬材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率等力學(xué)性能。不同牌號(hào)、不同批次、相同金屬材料的強(qiáng)度和韌性等具有可比性,能直接用于材料研發(fā)、質(zhì)量控制、國(guó)內(nèi)外貿(mào)易、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)等相關(guān)工業(yè)活動(dòng)。
在金屬材料拉伸試驗(yàn)方法中,常溫拉伸試驗(yàn)方法使用頻率較高,金屬材料的常溫拉伸試驗(yàn)方法受設(shè)備、工藝、技術(shù)等因素的影響,得到的數(shù)據(jù)具有相對(duì)離散性。為全面評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)材料性能做出適當(dāng)評(píng)估,有必要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析。
在建造船舶時(shí),由于工作人員大量使用金屬材料,故需要對(duì)船舶用鋼進(jìn)行理化檢驗(yàn),其中拉伸試驗(yàn)是不可缺少的重要試驗(yàn)項(xiàng)目,其測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)價(jià)在材料研發(fā)、驗(yàn)收等過(guò)程中也尤為重要。
GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中的拉伸速率控制方法A在實(shí)驗(yàn)室具體操作時(shí)較難實(shí)現(xiàn)[1],方法A的控制模式對(duì)設(shè)備應(yīng)變控制器及試驗(yàn)人員的素質(zhì)要求較高,普通試驗(yàn)機(jī)較難實(shí)現(xiàn)該方法；方法B是目前實(shí)驗(yàn)室普遍使用的可靠速率控制方法。該拉伸試驗(yàn)方法采用方法B的試驗(yàn)速率控制模式,計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)過(guò)程,自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),自動(dòng)生成試驗(yàn)曲線。
在確定抗拉強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果不確定度時(shí),在考慮數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)條件存在不完善可能性的同時(shí),還需要考慮試樣具有分散性,即每個(gè)試樣真值在客觀上是具有差別的,試樣本身具有一定的不確定度[2－3]。經(jīng)綜合考量,船舶用鋼常溫拉伸試驗(yàn)不確定度來(lái)源確定及評(píng)定方法如表1所示,試驗(yàn)時(shí)π取3.141 6。
| 項(xiàng)目 | 來(lái)源 | 評(píng)定方法 |
|---|---|---|
| 重復(fù)性不確定度urel(r) | 重復(fù)性引入的不確定度 | A |
| 試驗(yàn)機(jī)示值誤差引起的不確定度 | B | |
| 拉力不確定度urel(Fm) | 測(cè)力儀校準(zhǔn)誤差引起的不確定度 | B |
| 計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)引起的不確定度 | B | |
| 試樣直徑不確定度urel(Smo) | 截面測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度 | A |
| 千分尺測(cè)量誤差引入的不確定度 | B | |
| 拉伸速率不確定度urel(Rmv) | 拉伸速率引入的不確定度 | B |
| 修約不確定度urel(Rc) | 修約引入的不確定度 | B |
根據(jù)拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。
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(1) |
式中：d為拉伸試樣直徑；A為拉伸試樣截面積；Fm為最大拉力。
拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度不確定度數(shù)學(xué)模型如式(2)所示。
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(2) |
試驗(yàn)儀器為WDW－300KN型電子材料試驗(yàn)機(jī),計(jì)量精度為1級(jí)；外徑千分尺量程為0～25 mm,計(jì)量精度為0.01 mm。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀等級(jí)為0.3級(jí)；拉伸試樣材料為AH32鋼,為圓形棒狀,試樣相關(guān)尺寸符合GB/T 228.1—2021對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求,直徑為10 mm。
環(huán)境要求：試驗(yàn)一般在10～35 ℃的室溫環(huán)境中進(jìn)行,將實(shí)驗(yàn)室溫度控制為(23±3) ℃,濕度控制為不大于70%。
按照GB/T 228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)推薦,用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試10個(gè)同爐批試樣,在相同條件下,可認(rèn)為是重復(fù)測(cè)定同一試樣,所得抗拉強(qiáng)度分別為435,433,429,427,430,429,435,438,436,431 MPa,均值為432.300 MPa,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.795%。
在實(shí)際拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,采用抗拉強(qiáng)度平均值進(jìn)行計(jì)算,其自由度為
,拉伸試驗(yàn)試樣的重復(fù)性相對(duì)不確定度urel(r)為0.484%。
測(cè)試使用試驗(yàn)機(jī)的鑒定結(jié)果符合1級(jí),服從均勻分布,
,按B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定[4],由此引入的B類(lèi)評(píng)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Fm1)＝0.577%。
檢定試驗(yàn)機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀最大允許誤差為0.3級(jí),該校準(zhǔn)源的不確定度為0.3%,包含因子為2[5],由此引入的B類(lèi)評(píng)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Fm2)＝0.15%。
計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入的B類(lèi)相對(duì)不確定度urel(Fm3)不大于0.35%。
拉力引入的不確定度合成urel(Fm)＝0.691%。
拉力相對(duì)不確定度urel(Fm)的評(píng)定影響因素較多,引入示值誤差、測(cè)力儀誤差(最大誤差)及計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)帶來(lái)的誤差,能基本反映拉力不確定度的分布情況,分析得到的拉力不確定度具有可操作性和針對(duì)性。
由直徑為10 mm的圓棒試樣開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn),圓棒試樣的各個(gè)截面可能存在加工橢圓變化及測(cè)量誤差,由2名測(cè)試人員在重復(fù)條件下對(duì)6號(hào)試樣等距10個(gè)位置、不同截面徑向的原始直徑di各測(cè)量2次,測(cè)量結(jié)果如表2所示。得到直徑平均值
為9.968 mm。
| 項(xiàng)目 | 值1 | 值2 | 值3 | 值4 | 值5 | 值6 | 值7 | 值8 | 值9 | 值10 | 數(shù)列合并標(biāo)準(zhǔn)差 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A1位置 | 9.93 | 9.92 | 10.03 | 9.96 | 9.94 | 9.95 | 10.15 | 9.96 | 9.92 | 9.98 | — |
| A2位置 | 9.92 | 9.98 | 9.98 | 9.96 | 10.02 | 9.83 | 10.06 | 9.93 | 9.95 | 9.93 | — |
| B1位置 | 9.91 | 9.9 | 10.06 | 10.03 | 9.97 | 9.94 | 10.12 | 9.95 | 10.03 | 9.91 | — |
| B2位置 | 10.03 | 9.91 | 10.00 | 9.95 | 10.01 | 9.92 | 10.02 | 9.89 | 9.93 | 9.93 | — |
| 均值 | 9.95 | 9.93 | 10.02 | 9.98 | 9.99 | 9.91 | 10.09 | 9.93 | 9.96 | 9.94 | — |
| 標(biāo)準(zhǔn)差 | 0.055 603 | 0.035 940 | 0.035 000 | 0.036 968 | 0.036 968 | 0.054 772 | 0.058 523 | 0.030 957 | 0.049 917 | 0.029 861 | 0.010 43 |
根據(jù)CNAS－GL009：2018 《材料理化檢驗(yàn)不確定度評(píng)估指南及實(shí)例》,試樣直徑測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量采用高可靠性的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差,即每次核查的自由度相等(每次核查時(shí)測(cè)量次數(shù)相同)。
根據(jù)表2數(shù)據(jù),試樣測(cè)量直徑合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp為0.043 71 mm。
標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)列估算標(biāo)準(zhǔn)差
時(shí) ,指示長(zhǎng)度重復(fù)性不確定度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)差指示長(zhǎng)度自由度為
,因?yàn)槊看魏瞬?每次核查得到的觀測(cè)列為一組,核查m次就有m組)時(shí)測(cè)量次數(shù)相同,所以νp＝m(n－1),n為測(cè)量次數(shù)。可見(jiàn)合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差的自由度大于單組(m＝1)的自由度,可靠性大。
直徑測(cè)量重復(fù)性不確定度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)列合并標(biāo)準(zhǔn)差
為0.014 3 mm。
直徑測(cè)量重復(fù)性不確定度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)列估算標(biāo)準(zhǔn)差如式(3)所示。
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(3) |
為0.017 8 mm。
樣本合并標(biāo)準(zhǔn)差是否可以應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)判定,判定需要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差
和
的關(guān)系。判定得
,Sp可用,否則選用樣本標(biāo)準(zhǔn)差中的最大值。
直徑測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度urel(Smo)經(jīng)過(guò)高靈敏度合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,
,表明測(cè)量狀態(tài)穩(wěn)定,即測(cè)量組各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差相差在合理范圍,可采用Sp作為直徑測(cè)量的不確定度,即0.043 71 mm。
試樣直徑測(cè)量不確定度受測(cè)量加工精度、人員、截面等因素影響,直徑測(cè)量不確定度一般占抗拉強(qiáng)度不確定度的權(quán)重較大,提高加工精度可以有效降低抗拉強(qiáng)度不確定度,從而提供更加可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
經(jīng)計(jì)量,合格極限示值誤差為0.01 mm,即誤差范圍為±0.01 mm,并且在該區(qū)間服從均勻分布,由此引入的B類(lèi)評(píng)定相對(duì)不確定度urel(Smo2)＝u2(d0)＝0.005 8 mm。
因?yàn)?/span>d0所得不確定度是測(cè)量重復(fù)性引起的,和示值誤差不確定度相互獨(dú)立,試樣原始直徑引入的合成相對(duì)不確定度urel(Smo) 為0.884%。
試樣直徑測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)時(shí),考慮采用不同徑向、人員開(kāi)展重復(fù)性測(cè)量,并引入測(cè)量尺精度(最大精度誤差),這樣分析得到的直徑測(cè)量相對(duì)不確定度更符合實(shí)際測(cè)量情況,能基本反映直徑測(cè)量不確定度。
拉伸速率不確定度是評(píng)價(jià)橫梁位移速率造成的不確定度,其數(shù)值受橫梁剛性、第一速和第二速變換等因素影響,拉伸曲線容易出現(xiàn)跳躍,拉伸速率明顯影響到抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。
拉伸試驗(yàn)機(jī)橫梁速率校準(zhǔn)不確定度為0.3%(k＝2.0),由拉伸速率引入的相對(duì)不確定度拉伸速率不確定度urel(Rmv)為0.173 4%。
抗拉強(qiáng)度Rm隨著拉伸速率的增大而增大[6],在某些高可靠性、高精度要求條件下,可以開(kāi)展不同拉伸速率條件下的測(cè)試,找到相關(guān)趨勢(shì),分析拉伸速率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。為規(guī)范拉伸速率的影響,采用機(jī)器定期校準(zhǔn)報(bào)告中工作速率下的橫梁速率校準(zhǔn)不確定度作為拉伸速率不確定度引入值,具有一定代表性和可操作性。
按照GB/T 228.1—2021規(guī)定,將抗拉強(qiáng)度修約至1 MPa,分布區(qū)間半寬為0.5 MPa,由修約引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(Rc)為0.067%。
首先,在眾多抗拉強(qiáng)度不確定度影響分量中,圓棒試樣直徑不確定度的影響最大,說(shuō)明提高其直徑加工精度能明顯改變抗拉強(qiáng)度不確定度；其次,采用測(cè)試組內(nèi)極差作為拉伸速率不確定度分析依據(jù),得到的不確定度影響僅次于圓棒試樣直徑不確定度,作為拉伸速率不確定度引入有一定可操作性；拉力不確定度取決于設(shè)備、附件等系統(tǒng)精度。按實(shí)例結(jié)果分析可知,在其他不確定度分量相對(duì)穩(wěn)定的情況下,提升圓棒試樣直徑加工精度可以改善抗拉強(qiáng)度不確定度。
抗拉強(qiáng)度相對(duì)不確定度分量具體匯總?cè)?/span>表3所示。
| 分量名稱(chēng) | 相對(duì)不確定度 |
|---|---|
| 重復(fù)性相對(duì)不確定度urel(rep) | 0.484% |
| 拉力相對(duì)不確定度urel(Fm) | 0.691% |
| 試樣直徑相對(duì)不確定度urel(Smo) | 0.884% |
| 拉伸速率相對(duì)不確定度urel(Rmv) | 0.173 4% |
| 修約相對(duì)不確定度Urel(Rc) | 0.067% |
抗拉強(qiáng)度相對(duì)不確定度合成如式(4)所示。
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(4) |
得到ucrel(Rm)為1.236 0%。
取概率為95%,置信因子k＝2.0,則抗拉強(qiáng)度相對(duì)擴(kuò)展不確定度uKrel(Rm)為2.472 0%。
抗拉強(qiáng)度擴(kuò)展不確定度為10.68 MPa,取10.7 MPa。
置信概率為95%(k＝2.0)條件下,該試驗(yàn)擴(kuò)展相對(duì)不確定度為2.472 0%,拉伸示值相對(duì)擴(kuò)展不確定度為(432±10.7) MPa。
(1) 該批次船舶用鋼(AH32)常溫抗拉強(qiáng)度在置信概率為95%(k＝2.0)條件下,相對(duì)不確定度為2.472 0%,擴(kuò)展不確定度為(432±10.7) MPa。
(2) 為規(guī)范拉伸速率的影響,采用機(jī)器定期校準(zhǔn)報(bào)告中工作速率下的橫梁速率校準(zhǔn)不確定度作為拉伸速率不確定度引入值,具有一定代表性和可操作性。
(3) 直徑測(cè)量不確定度一般占抗拉強(qiáng)度不確定度的權(quán)重較大,提高加工精度可以有效降低抗拉強(qiáng)度不確定度,以提供更加可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
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