摘 要:介紹了金屬線材扭轉(zhuǎn)性能測量不確定度的產(chǎn)生原因,并對某70E鋼絲進(jìn)行了金屬線材 扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn),建立了該次金屬線材扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型并給出了測量不確定度計(jì)算公式,計(jì) 算出了該次金屬線材扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)的測量不確定度。結(jié)果表明:該70E鋼絲的金屬線材扭轉(zhuǎn)性能 的測量值落在[34.5-5.99,34.5+5.99]格內(nèi)的可能性為95%。

關(guān)鍵詞:測量不確定度;扭轉(zhuǎn)性能;金屬線材

中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2021)12-0060-03

眾所周知,對材料的任何特性指標(biāo)進(jìn)行測量時(shí), 無論人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等條件如何完善,其測量 結(jié)果始終存在不確定性。測量的水平和質(zhì)量用測量 不確定度來評(píng)價(jià),不確定度越小,則測量結(jié)果的可疑 程度越小、可信程度越大、測量結(jié)果的質(zhì)量越高,反 之則測量結(jié)果的可疑程度越大、可信程度越小、測量 結(jié)果的質(zhì)量越差。在材料性能檢測中,不確定度的 評(píng)定與表示方法的統(tǒng)一是科技交流和國際貿(mào)易的迫 切需要,在試驗(yàn)室質(zhì)量管理和質(zhì)量保證中尤為重 要[1-2]。

金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是以試樣自身為軸線,沿單 向或交變方向均勻扭轉(zhuǎn),直至試樣斷裂或達(dá)到規(guī)定 的扭轉(zhuǎn)次數(shù)為止的過程。金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是檢驗(yàn) 金屬線材承受塑性變形的能力及顯示線材的表面或 內(nèi)部缺陷的重要手段之一,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果也存在著 不確定度。筆者對某70E鋼絲進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),并對 其扭轉(zhuǎn)性能的測量不確定度進(jìn)行了評(píng)定,供理化試 驗(yàn)室人員參考。

1 測量準(zhǔn)備

1.1 測量方法

測量方法參考 YB/T5311-2010《重要用途碳 素彈簧鋼絲》和 GB/T239-2012《金屬材料 線材 第一部分:單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》。

1.2 評(píng)定依據(jù)

評(píng)定依據(jù)為 CNAS-CL01:2018《檢測和校準(zhǔn) 實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》[3]和JJF1059-2019《測量 不確定度評(píng)定與表示》。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)通過計(jì)量部門校驗(yàn),準(zhǔn)確程度滿足《金屬線材扭轉(zhuǎn)試 驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)程序》的要求。

1.4 環(huán)境條件

根據(jù) GB/T239.1-2012的規(guī)定,試驗(yàn)一般應(yīng) 在10~35℃的室溫下進(jìn)行,如有特殊要求,試驗(yàn)溫 度應(yīng)為(23±5)℃。該次試驗(yàn)的溫度為26℃。

1.5 試驗(yàn)原理

試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上繞自身軸線向一個(gè)方向均 勻旋轉(zhuǎn)360°作為一次扭轉(zhuǎn),直至達(dá)到規(guī)定次數(shù)或試 樣斷裂為止。

1.6 測量對象

測量對象為70E鋼絲,直徑為2mm。 1.7 測量過程 在 GB/T239.1-2012所要求的環(huán)境條件下, 用經(jīng)計(jì)量合格的 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對70E鋼絲試樣 進(jìn)行扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)。試樣標(biāo)距長度為200mm,扭 轉(zhuǎn)速度為60r·min-1。

2 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)試驗(yàn)原理,金屬線材扭轉(zhuǎn)性能T 的數(shù)學(xué)模 型為

式中:X 為 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù),即測量結(jié)果; δTS 為K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差對于測量結(jié) 果的影響,其數(shù)學(xué)期望為0,但是需要考慮不確定度。

3 測量不確定度來源的分析

根據(jù) 計(jì) 量 結(jié) 果,已 知 K2 型 扭 轉(zhuǎn) 試 驗(yàn) 機(jī) 在 200格的使用條件下,最大允許誤差為0.5格。用6 次測量的平均值作為測量結(jié)果。K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 測量70E鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能時(shí),溫度效應(yīng)、彈性效應(yīng) 及其他不確定來源忽略不記。測量結(jié)果不確定度主 要來源于以下兩方面:

①連續(xù)重復(fù)性的讀數(shù)測量所引入的不確定度 分量;

②讀數(shù)示值誤差所引入的不確定度分量。

4 測量不確定度分量

4.1 讀數(shù)X 的不確定度u1(T)=u(X)

此測量重復(fù)性引入的測量不確定度包含試驗(yàn)材 料的均勻性和穩(wěn)定性對測量值的影響,采用測量不 確定度評(píng)定中的 A 類方法進(jìn)行評(píng)定。采用貝塞爾 公式計(jì)算出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s,并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度,測量結(jié)果見表1。

測試結(jié)果的平均值計(jì)算式為

式中:X - 為扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果的平均值;Xi 為第i次扭 轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果;n為試驗(yàn)次數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差s(X - )計(jì)算式為

根據(jù)式(2)得扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果的平均值X - 為34.5 格。依據(jù)式(3)得試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為3.6193。因此, 測量X 值時(shí)引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(T)= u(X)=s(X - )=3.6193,其對應(yīng)的自由度v為5。

4.2 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差的不確定度 u2(T)=u(δTS)

該試驗(yàn)所用的 K2型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)經(jīng)計(jì)量檢定合 格,其允許示值誤差服從均勻分布,則該裝置的允許 示值誤差采用 B類方法評(píng)定。所以不確定度分量 u2(T)為

由計(jì)量結(jié)果可知最大允許誤差δTS =0.5格,于 是得u2(T)=u(δTS)=δTS/3=0.5/3=0.289。

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于連續(xù)測量值引入的不確定度與 K2型扭轉(zhuǎn) 試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)示值誤差引入的不確定度兩者是獨(dú)立 的,所以合成標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度為

由式(5)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度uc(T)= 3.6308。

6 擴(kuò)展不確定度U

本測量共兩項(xiàng)不確定度分量,其中u2(T)對不 確定度的影響很大,所以以u(píng)2(T)的矩形分布為基 準(zhǔn)。當(dāng)置信概率為95%時(shí),矩形分布的K95=1.65, 所以U95=K95uc(T)=5.99格。

7 測量不確定度的評(píng)定結(jié)果

上述不確定度的意義為該金屬線材扭轉(zhuǎn)性能的測量值落在[345.-59.9,345.+59.9]格內(nèi)的可能性為95%。

8 結(jié)束語

扭轉(zhuǎn)性能測量不確定度結(jié)果表示為一個(gè)區(qū)間, 被測量材料扭轉(zhuǎn)性能的可能值以95%的置信概率 落于區(qū)間內(nèi),即表征被測量的真值所處的范圍。通 過評(píng)定測量不確定度可以知道檢測結(jié)果判斷的風(fēng) 險(xiǎn),對產(chǎn)品質(zhì)量的判定和試驗(yàn)結(jié)論的判斷有所幫助。

70E鋼絲直徑為2mm 時(shí),技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求扭轉(zhuǎn) 次數(shù)不小于25次,根據(jù)不確定度的評(píng)定可知,金屬 線材扭轉(zhuǎn)性能的不確定度區(qū)間為(34.5±5.99)格。 若檢測值大于等于30.99次,則該產(chǎn)品一定合格;若 檢測值小于等于19.01次,則該產(chǎn)品一定不合格;若 檢測值為19.01~30.99格,則應(yīng)比較合格概率與不 合格概率的大小來判斷是否合格。測量不確定度對 試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)界限值時(shí)的判斷尤為關(guān)鍵,需要試驗(yàn) 室檢驗(yàn)人員尤其關(guān)注。

參考文獻(xiàn):

[1] 郭廣平,丁傳富.航空材料力學(xué)性能檢測[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2017.

[2] 施昌彥.測量不確定度評(píng)定與表示指南[M].北京: 中國計(jì)量出版社,2000.

[3] 中國合格評(píng)定國家認(rèn)可中心,寶山鋼鐵股份有限公司 研究院.材料理化檢驗(yàn)測量不確定評(píng)估指南及實(shí)例 [M].北京:中國計(jì)量出版社,2007.

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>57卷>12期(pp:60-62)>