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瀏覽:- 發(fā)布日期:2024-10-10 13:03:08【

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(xiàn)。 

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[23]。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。 

Table  1.  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
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。 

(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。 

(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。 

Table  2.  圓棒試樣直徑測(cè)量結(jié)果
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νpm(n-1),n為測(cè)量次數(shù)??梢?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。 

(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(xiàn)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。 

Table  3.  抗拉強(qiáng)度相對(duì)不確定度分量匯總
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。 

(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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