焦　磊， 田晨超， 許　飛， 張　娟

(西北有色金屬研究院 材料分析中心，西安 710016)

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TC16合金測(cè)量不確定度結(jié)果的評(píng)定

焦磊， 田晨超， 許飛， 張娟

(西北有色金屬研究院 材料分析中心，西安 710016)

摘要：為評(píng)定TC16合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度，以TC16棒狀拉伸試樣為例，建立了不確定度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，確定了影響試驗(yàn)結(jié)果的屈服力Fspan、最大力Fspan、試樣尺寸等各項(xiàng)因素，計(jì)算出了各種因素的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，得出拉伸試驗(yàn)結(jié)果(Rspan、Rspan、A)的擴(kuò)展不確定度，評(píng)定了拉伸試驗(yàn)結(jié)果的不確定度.本評(píng)定方法具有一定的代表性，對(duì)評(píng)定其他金屬材料拉伸測(cè)量結(jié)果的不確定度有一定的參考意義.

關(guān)鍵詞：TC16合金；拉伸試驗(yàn)；不確定度；評(píng)定

在具體的試驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)量結(jié)果均具有一定的分散性，測(cè)量不確定度是由于隨機(jī)效應(yīng)或已識(shí)別的系統(tǒng)效應(yīng)不完善的影響，而對(duì)被測(cè)量的測(cè)得值可疑的程度[1].金屬材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于各種試驗(yàn)參數(shù)，如設(shè)備的精度、試樣的尺寸、結(jié)果數(shù)據(jù)修約、試驗(yàn)材料的均勻度及拉伸速率等[1-2].本文依據(jù)JJF1059-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》及相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]，加工了性能較為穩(wěn)定的TC16鈦合金棒材進(jìn)行拉伸測(cè)試，評(píng)定了該材料在本實(shí)驗(yàn)室拉伸結(jié)果的不確定度，并進(jìn)行了討論.

1試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)所用TC16鈦合金材料，經(jīng)機(jī)加工尺寸參照GB/T228.1-2010所規(guī)定的R7螺紋連接比例試樣(直徑為5 mm)[3].先使用1級(jí)千分尺(規(guī)格為0~25 mm)對(duì)試樣的直徑進(jìn)行測(cè)量，利用Instron 5982電子萬能試驗(yàn)機(jī)(最大量程100 kN)，試驗(yàn)機(jī)精度為0.5級(jí)(載荷示值相對(duì)最大允許誤差為±0.5%)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加載速率對(duì)試樣施加軸向拉力直至試樣斷裂，用經(jīng)計(jì)量合格的劃線機(jī)標(biāo)記原始標(biāo)距(L0=25 mm)，利用游標(biāo)卡尺(最小分度0.02 mm，0~150 mm)測(cè)量出斷后標(biāo)距，最終計(jì)算得到試驗(yàn)結(jié)果：屈服強(qiáng)度Rp0.2，抗拉強(qiáng)度Rm和斷后伸長(zhǎng)率A.本試驗(yàn)溫度為20 ℃，溫度波動(dòng)不大于2 ℃/h，相對(duì)濕度小于80%.計(jì)算公式如下：

2測(cè)量不確定度來源的分析

本試驗(yàn)中測(cè)量結(jié)果不確定度的主要來源是：試驗(yàn)力值造成的不確定度；試樣直徑偏差所引入的不確定度；長(zhǎng)度測(cè)量：試樣原始標(biāo)距和斷后標(biāo)距所引起的不確定度.除力值外上述不確定度中均包括了測(cè)量設(shè)備或量具誤差及不同檢測(cè)人員所帶來的不確定度[4-5].根據(jù)GB/T228.1-2010拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,Rm,Rp0.2以及A的報(bào)告結(jié)果必須修約，所以還要考慮數(shù)值修約所引入的不確定度[3].

3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

3.1試樣加工尺寸偏差引入的不確定度分量u(d)

3.2試驗(yàn)力值造成的不確定度分量u(FP0.2)和u(Fm)

3.2.1試樣不均勻性所帶來的不確定度u1(FP0.2)和u1(Fm)

u1(FP0.2)和u1(Fm)可以用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定，本試驗(yàn)試驗(yàn)力數(shù)值及計(jì)算見表1.

表1　試驗(yàn)力值數(shù)據(jù)

在實(shí)際測(cè)定中，均以單次測(cè)量為結(jié)果，所以標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是：

相對(duì)不確定度為：

3.2.2試驗(yàn)機(jī)精度誤差帶來的測(cè)量不確定度分量

本試驗(yàn)采用設(shè)備為Instron 5982電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)檢定其精度為0.5級(jí)，即誤差±0.5%，服從均勻分布:

3.2.3標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

試驗(yàn)機(jī)是借助0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行校準(zhǔn)的，根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室提供的報(bào)告，校準(zhǔn)源的不確定度為0.1%，置信因子為2，由此引入不確定度屬于B類不確定度[2]，其不確定度分量為：

3.2.4輸入量試驗(yàn)力值測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定u(Fp0.2)和u(Fm)

由于以上各因素獨(dú)立不相關(guān)，所以:

可以得到：

3.3試樣原始標(biāo)距和斷后標(biāo)距測(cè)量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(L0)和u(Lu)

3.3.1斷后標(biāo)距Lu測(cè)量重復(fù)性所引起的不確定度分量u1(Lu)

斷后標(biāo)距Lu由本實(shí)驗(yàn)室4位試驗(yàn)人員(簡(jiǎn)稱A、B、C、D)分別測(cè)量所得，測(cè)量結(jié)果見表2.

表2　斷后標(biāo)距數(shù)據(jù)

3.3.2游標(biāo)卡尺引入的不確定度u2(Lu)

在本試驗(yàn)中試驗(yàn)所用游標(biāo)卡尺經(jīng)過校驗(yàn)，其誤差范圍為±0.02 mm，它所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.3.3測(cè)量Lu引入的不確定度u(Lu)

4．多種極品類型均有產(chǎn)出。昌樂藍(lán)寶石礦床之所以被稱為極品寶石的搖籃，不僅是因?yàn)橐陨先矫嫣攸c(diǎn)，更主要的是矢車菊顏色、卡藍(lán)等世界公認(rèn)的極品類型藍(lán)寶石品種在這里均有產(chǎn)出。

因上述的u1(Lu)和u2(Lu)獨(dú)立不相關(guān),可以合成為：

3.3.4試樣原始標(biāo)距L0的測(cè)量不確定度u(L0)

L0=25 mm采用劃線機(jī)一次劃出，劃線機(jī)計(jì)量檢定合格，其誤差為±1.0%，且服從均勻分布，所以：

3.4數(shù)值修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Rrou)和u(Arou)的評(píng)定

GB/T228-2010規(guī)定的修約方法，數(shù)值修約引入了不確定度，這可用B類方法來評(píng)定(表3).

表3　數(shù)值修約引起的不確定度分量

由表3可得u(RP0.2,rou)=0.29MPa，u(Rm,rou)=0.29MPa，u(Arou)=0.14%.

4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(1)

(2)

(3)

相應(yīng)的不確定度傳播系數(shù)為：

帶入數(shù)據(jù)可得：

將結(jié)果帶入(1)、(2)、(3)得uc(Rp0.2)=4.954MPa，uc(Rm)=5.881MPa,uc(A)=0.860 3%.

5擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

擴(kuò)展不確定度采用U=kuc(y)計(jì)算，取包含因子k=2，則置信概率為95%，所以有：

U(Rp0.2)=2·uc(Rp0.2)=9.91MPa≈10MPa

U(Rm)=2·uc(Rm)=11.76MPa≈12MPa

U(A)=2·uc(A)=1.72%≈2.0%

6評(píng)定結(jié)果

評(píng)定結(jié)果當(dāng)k=2時(shí)為：

Rp0.2=(887±10)MPa;Rm=(971±12)MPa;A=(17±2.0)%

7結(jié)語

(1)本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)速率均嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.因此，不必考慮試驗(yàn)速率對(duì)Rp0.2的影響，而拉伸速率對(duì)Rm和A測(cè)試結(jié)果的影響本來就不大，故文中可忽略拉伸速率對(duì)結(jié)果的影響.試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度變化不大，也滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，故其所引起的不確定度對(duì)于本試驗(yàn)可忽略不計(jì).

(2)試樣的取樣部位及加工等均嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，可忽略由這些因素對(duì)不確定度評(píng)定結(jié)果的影響.

(3)本評(píng)定方法的各不確定度分量除重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度外皆為設(shè)備和量具最大允許誤差帶來的不確定度，所以本次拉伸試驗(yàn)不確定度結(jié)果較為可靠；而且其他金屬材料拉伸試驗(yàn)的參數(shù)不確定度均可采用相類似的方法來評(píng)定.本文中的不確定度評(píng)定過程具有一定的代表性.

[參考文獻(xiàn)]

[1]JJF1059-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].2012.

[2]王承忠.測(cè)量不確定度原理及在理化檢驗(yàn)中的應(yīng)用：第四講金屬材料拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2003,39(4):220-224.

[3]GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法[S].2010.

[4]宋曉炯，楊仁江.金屬材料拉伸試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定[J].物理測(cè)試，2006,24(6):22-25.

[5]王承忠.測(cè)量不確定度原理及在理化檢驗(yàn)中的應(yīng)用：第一講測(cè)量不確定度的基本概念及A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2003,49(9):597-604.

[責(zé)任編輯馬云彤]

Evaluation on Results of Measurement Uncertainty of TC16 Alloy

JIAO Lei, TIAN Chen-chao, XU Fei, ZHANG Juan

( Materials Analysis Center, Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China )

Abstract：In order to evaluate the measuring uncertainty of the tensile test result of TC16 alloy, the mathematic model was established by taking the rod tensile specimen of TC16 bar as an example. Different factors of yield force Fspan, tensile force Fspan, original sample size and so on that influencing the tensile test result were determined, and the standard uncertainty of different factors were calculated. The expanded uncertainty of the tensile test result (Rspan、Rspan、A) was figured out, and the measuring uncertainty of the tensile test result was evaluated. This evaluation method has a certain representation, and has a certain reference value for evaluation on measuring uncertainty of the tensile test result of other metal materials.

Key words：TC16 alloy; tensile test; uncertainty; evaluation

中圖分類號(hào)：TG13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：焦磊( 1985—),男，河北撫寧人，西北有色金屬研究院材料分析中心工程師，碩士，主要從事材料物理性能測(cè)試研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51302223)

收稿日期：2015-06-01

文章編號(hào)：1008-5564(2016)01-0064-05