分享：金屬線材扭轉性能的測量不確定度評定

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

關鍵詞:測量不確定度;扭轉性能;金屬線材 

中圖分類號:TG115                                文獻標志碼:A                               文章編號:1001-4012(2021)12-0060-03 

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

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

1 測量準備 

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:單向扭轉試驗方法》。 

1.2 評定依據 

評定依據為 CNAS-CL01:2018《檢測和校準 實驗室能力的通用要求》[3]和JJF1059-2019《測量 不確定度評定與表示》。 

1.3 試驗設備 

試驗設備為 K2型扭轉試驗機。該試驗機已經通過計量部門校驗,準確程度滿足《金屬線材扭轉試 驗機校準程序》的要求。

1.4 環(huán)境條件 

根據 GB/T239.1-2012的規(guī)定,試驗一般應 在10~35℃的室溫下進行,如有特殊要求,試驗溫 度應為(23±5)℃。該次試驗的溫度為26℃。 

1.5 試驗原理 

試樣在扭轉試驗機上繞自身軸線向一個方向均 勻旋轉360°作為一次扭轉,直至達到規(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, 用經計量合格的 K2型扭轉試驗機對70E鋼絲試樣 進行扭轉性能試驗。試樣標距長度為200mm,扭 轉速度為60r·min-1。 

2 建立數(shù)學模型 

根據試驗原理,金屬線材扭轉性能T 的數(shù)學模 型為

式中:X 為 K2型扭轉試驗機的讀數(shù),即測量結果; δTS 為K2型扭轉試驗機的讀數(shù)示值誤差對于測量結 果的影響,其數(shù)學期望為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 計 量 結 果,已 知 K2 型 扭 轉 試 驗 機 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果。K2型扭轉試驗機 測量70E鋼絲的扭轉性能時,溫度效應、彈性效應 及其他不確定來源忽略不記。測量結果不確定度主 要來源于以下兩方面: 

①連續(xù)重復性的讀數(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) 

此測量重復性引入的測量不確定度包含試驗材 料的均勻性和穩(wěn)定性對測量值的影響,采用測量不 確定度評定中的 A 類方法進行評定。采用貝塞爾 公式計算出試驗標準偏差s,并計算出標準測量不確定度,測量結果見表1。

測試結果的平均值計算式為

式中:X - 為扭轉試驗結果的平均值;Xi 為第i次扭 轉試驗結果;n為試驗次數(shù)。 

試驗結果標準差s(X - )計算式為

根據式(2)得扭轉試驗結果的平均值X - 為34.5 格。依據式(3)得試驗結果標準差為3.6193。因此, 測量X 值時引入的A類標準不確定度分量u1(T)= u(X)=s(X - )=3.6193,其對應的自由度v為5。 

4.2 K2型扭轉試驗機的讀數(shù)示值誤差的不確定度 u2(T)=u(δTS) 

該試驗所用的 K2型扭轉試驗機經計量檢定合 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類方法評定。所以不確定度分量 u2(T)為 

由計量結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 合成標準不確定度 

由于連續(xù)測量值引入的不確定度與 K2型扭轉 試驗機的讀數(shù)示值誤差引入的不確定度兩者是獨立 的,所以合成標準測量不確定度為 

由式(5)計算出標準合成不確定度uc(T)= 3.6308。 

6 擴展不確定度U 

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

7 測量不確定度的評定結果 

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

8 結束語 

扭轉性能測量不確定度結果表示為一個區(qū)間, 被測量材料扭轉性能的可能值以95%的置信概率 落于區(qū)間內,即表征被測量的真值所處的范圍。通 過評定測量不確定度可以知道檢測結果判斷的風 險,對產品質量的判定和試驗結論的判斷有所幫助。 

70E鋼絲直徑為2mm 時,技術標準要求扭轉 次數(shù)不小于25次,根據不確定度的評定可知,金屬 線材扭轉性能的不確定度區(qū)間為(34.5±5.99)格。 若檢測值大于等于30.99次,則該產品一定合格;若 檢測值小于等于19.01次,則該產品一定不合格;若 檢測值為19.01~30.99格,則應比較合格概率與不 合格概率的大小來判斷是否合格。測量不確定度對 試驗數(shù)據出現(xiàn)界限值時的判斷尤為關鍵,需要試驗 室檢驗人員尤其關注。

參考文獻: 

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

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

[3] 中國合格評定國家認可中心,寶山鋼鐵股份有限公司 研究院.材料理化檢驗測量不確定評估指南及實例 [M].北京:中國計量出版社,2007.

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