桥梁用钢拉伸试验不确定度的评定

薛 欢(武钢研究院 湖北 武汉：430080)

桥梁用钢拉伸试验不确定度的评定

薛 欢
(武钢研究院 湖北 武汉：430080)

测量不确定度是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性取决于其不确定度的大小，测量结果必须附有不确定度说明才是完整并有意义的。针对中厚板Q420NHY材料进行了拉伸试验中抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率的不确定度评定。结果表明，对于抗拉强度，测量重复性引入的不确定度最为显著，对于下屈服强度，拉伸速率的影响最大，对于断后伸长率测量重复性及断后伸长的测量引入的不确定度最大。在包含概率取95%情况下，抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率的扩展不确定度分别为2.4%、2.5%、2.9%。

不确定度；桥梁钢;抗拉强度；下屈服强度；断后伸长率；测量误差

1 概述

测量科学在现代工业、农业生产、科学研究等生活中各方面都不可或缺。只有通过测量才能确定被测量的测量结果。测量质量，关系到国家民用和军用产品的质量以及企业的经济利益。在出具测量报告时，报告质量应该给出必定量说明，来确认其结果的可信度。测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，不确定度的大小决定了测量结果的可用性[1-3]。因此，一份完整的测量结果一定要附有不确定度结果。

测量是用通过某种独特的技术手段以获取被测物理量真实值的试验。测量结果和精度是其最重要的特征，其中测量结果精度的评定一直是困扰工程界和科学界的一大难题。多年来，评定的标准未得到统一，而评定方法的好坏争论不断，这使得世界上各研究所及实验室之间的测量结果没有办法进行有意义的比较。传统测量误差是测量精度的一种近似反映，为了避免用“误差”概念表示测量结果可能引起的问题，各国专家学者、国际组织提出利用“测量不确定度”来取代传统的误差表示体系对测量结果的精度进行评定[4-5]。本文对桥梁用钢Q420NHY拉伸试验的不确定度进行了研究。

2 金属材料Q420NHY拉伸试验不确定度的评定

金属材料本身的组织结构以及化学成分等决定了其力学性质。在材料力学性能测试试验中，金属材料拉伸试验是其中最为重要的一项基础性试验，是评价材料力学基本性能的最有效和最普遍的方法，它可以基本准确地测试出材料所具有的基本性质，有可靠、简便的特点。材料拉伸试验所用的主要方法是在拉伸试验设备中，放入标准金属试样，利用电脑来设置拉伸速率等参数，材料的拉伸设备可以施加给金属试样一定的拉伸力，在试验过程中，可以测出塑性指标：断后伸长率和收缩率等。值得注意的是，金属材料拉伸试验进行的过程中，易受到各种因素干扰和影响，须要对影响因素有必要的了解，并对这些影响因素的成因进行分析，制定相关操作规程，严格把控试验全过程，才能获取相对精确的材料拉伸试验结果。金属材料的拉伸性能在生产检验以及产品研发过程中都是最为重要的检测内容，其所测试出的强度指标和塑性性能指标是体现金属材料性能的主要参数。因此，拉伸试验不确定度的评定至关重要。

针对桥梁用钢Q420NHY产品进行拉伸试验，共20件试样。采用的设备是UHF500KNI型液伺服万能试验机。该拉力试验机负荷为0.5级，示值误差为0.5%。使用0.3级的标准测力仪对试验机进行检定。试验试样标距为50mm。

首先，实验室标准偏差按贝塞尔公式计算：

表1 中厚板Q420NHY产品拉伸试验结果

2.1 抗拉强度不确定度评定

2.1.1 A类相对标准不确定度分项urel(rep)

2.1.2 最大力Fm的B类相对标准不确定度分项urel(Fm)的评定

(1)试验机测力系统示值误差带来的相对标准不确定度分量urel(F1)

(2)标准测力仪的相对标准不确定度urel(F2)

使用0.3级的标准测力仪对试验机进行检定。重复性R=0.3%。可以看成重复性极限。则其相对标准不确定度为：

(3)计算机数据采集系统带来的相对标准不确定度urel(F3)

计算机数据采集系统带来的B类相对标准不确定度为urel(F3)=0.2%

2.1.2 原始横截面积S0的相对不确定度urel(S0)

测定原始横截面积时，测量每个尺寸应准确到±0.5%，而

urel(S0)=2·urel(d)=0.578%

2.1.3 拉伸速率影响带来的相对不确定度分量urel(RmV)

试验过程中，在拉伸速率变化范围内抗拉强度最大相差10MPa，则拉伸速率对抗拉强度的影响为±5MPa，按均匀分布考虑：

将各抗拉强度不确定度分项汇总见表2。

表2 抗拉强度不确定度分项汇总

得到抗拉强度的相对合成不确定度：

取包含概率p=95%，按k=2，则抗拉强度的相对扩展不确定度为

Urel(Rm)=k·ucrel(Rm)=2×1.191%=2.4%

2.2 下屈服强度不确定度的评定

数学模型

其中ReL是下屈服强度，FeL是下屈服力，S0是原始横截面积。

2.2.1 A类相对标准不确定度分项urel(rep)

2.2.2 下屈服力FeL的B类相对标准不确定度分项urel(FeL)的评定

(1)试验机测力系统示值误差带来的相对标准不确定度分量urel(F1)

(2)标准测力仪的相对标准不确定度urel(F2)

使用0.3级的标准测力仪对试验机进行检定。重复性R=0.3%。可以看成重复性极限。则其相对标准不确定度为：

(3)计算机数据采集系统带来的相对标准不确定度urel(F3)

计算机数据采集系统带来的B类相对标准不确定度为urel(F3)=0.2%

2.2.3 原始横截面积S0的相对不确定度urel(S0)

测定原始横截面积时，测量每个尺寸应准确到±0.5%，而

urel(S0)=2·urel(d)=0.578%

2.2.4 拉伸速率影响带来的相对不确定度分量urel(ReLV)

试验过程中，在拉伸速率变化范围内抗拉强度最大相差10MPa，则拉伸速率对抗拉强度的影响为±5MPa，按均匀分布考虑：

将各抗拉强度不确定度分项汇总见表3。

表3 下屈服强度不确定度的评定

ucrel(FeL)==1.24%

取包含概率p=95%，按k=2则下屈服强度的相对扩展不确定度

Urel(FeL)=k·ucrel(FeL)=2×1.24%=2.5%

2.3 断后伸长率不确定度的评定

数学模型

A为断后伸长率，L0是原始标距，Lu是断后标距。断后伸长(Lu-L0)的测量应准确到±0.25mm。在评定测量不确定度时公式应表达为：

2.3.1 A类相对标准不确定度分项urel(rep)

2.3.2 原始标距的B类相对标准不确定度分项urel(L0)的评定

2.3.3 断后伸长的B类相对标准不确定度分项urel(ΔL)的评定

2.3.4 修约带来的相对标准不确定度分项urel(off)

断后伸长率的修约间隔为0.5%。按均布分布考虑，修约带来的相对标准不确定度分项

表4 断后伸长率不确定度的评定

取包含概率p=95%，按k=2。断后伸长率的相对扩展不确定度为

Urel(A)=k·ucrel(A)=2×1.42%=2.9%

3 结论

(1)对于抗拉强度，测量重复性引入的不确定度为最为显著，对于下屈服强度，拉伸速率的影响最大，对于断后伸长率测量重复性及断后伸长的测量引入的不确定度最大。

(2)Q420NHY在包含概率取95%情况下，抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率的扩展不确定度分别为2.4%、2.5%、2.9%。

[1] 粱晋文，陈林才，何贡．误差理论与数据处理[M].北京：中国计量出版社，2003．

[2] 上海计量测试技术研究院．常用测量不确定度评定方法及应用实例[M].中国计量出版社，2001.

[3]BIPM,IEC,LFCC,ISO,IUPAC,IUPAP,OIML.GuidetotheexpressionofuncertaintyinMeasurement.CorrectedandReprintedGUM[M].GeneveSwiterland:ISO,1995.

[4]JJF1059—1999.测量不确定度评定与表示[S].

[5] 王承忠.测量不确定度与误差的区别及在评定中应注意的几个问题[J].冶金分析，2004：678-682.

(责任编辑：李文英)

Evaluation of Uncertainty of Tensile Test on Bridge Steel

Xue Huan

(Research & Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Measurement of uncertainty is a quantitative characterization of the quality of the measurement results, the availability of the measurement results depends on the size of the uncertainty. The measurement result must be accompanied by instructions of uncertainty to be complete and meaningful. The evaluation of tensile strength, lower yield strength, elongation after fracture uncertainty of tensile test on bridge steel of Q420NHY plate is implemented. The results show that repeatability induced uncertainty is the most significant for tensile strength measurement, tensile rate induced uncertainty is with the greatest impact for lower yield strength; measurement repeatability and elongation measurement induced uncertainty is the maximum for the elongation after fracture uncertainty evaluation. When contain probability is set at 95%, expanded uncertainty of tensile strength, lower yield strength and percentage elongation after fracture are respectively 2.4%, 2.5%, 2.9%.

uncertainty; bridge steel; tensile strength; lower yield strength; percentage elongation after fracture; measurement error

2016-10-25

2016-11-01

薛 欢(1981～)，男，博士，高级工程师.E-mail：stonemechanics@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2017)01-0011-04