不锈钢板材抗拉强度检测结果不确定度的评定

卢文东 李志宏

摘要：金属材料的力学性能是材料性能测试的重要技术要求，在提供测量结果的同时，还应提供其测量不确定度。依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》、JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，选用WDW-50E 型微机控制电子万能试验机对厚度为1.9 mm、牌号为06Cr19Ni10的不锈钢板材进行拉伸试验，并通过数学模型推导计算，对抗拉强度检测结果不确定度进行评定，评定过程按照不确定度评定的一般要求和规律，通过对不确定度来源的分析，找出影响测量准确度的主要原因。评定结果表明，在这种试验条件下的不锈钢板材抗拉强度检测结果不确定度为0.9%。

关键词：金属材料;抗拉强度;不确定度;不锈钢板材

中图分类号：TG115文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0308-03

Evaluation of Uncertainty of Tensile Strengthtest Results of Stainless Steel Plate

Lu Wendong，Li Zhihong

（ Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision，Foshan，Guangdong 528300，China ）

Abstract：Themechanicalpropertyof metalmaterialisanimportanttechnicalrequirementof materialpropertytest.Themeasurement uncertainty should be provided as well as the measurement results.According to GB/T 228.1-2010 metallic materials tensile test Part 1：room temperature test method，JJF 1059.1-2012 Evaluation andexpression of measurement uncertainty，WDW-50Emicrocomputer controlled electronic universal testingmachinewasusedtocarryouttensiletestonstainlesssteelplatewiththicknessof 1.9 mmandgradeof 06Cr19Ni10，and the uncertainty of tensile strength test results wasevaluated through mathematical model derivation and calculation.The evaluation process was based on the general requirements and rules of uncertainty evaluation，and the sources of uncertainty were analyzed.The main factors affecting the accuracy of measurement were found out.The evaluation results show that the uncertainty of tensile strength test results of stainless steel plate under this test condition is 0.9%.

Key words：metal materials;tensile strength;uncertainty;stainless steel plate

0 引言

不確定度是指由于测量误差的存在而引起的测量值的不确定，它是衡量测量结果质量的一个指标。不确定度较小的话，说明测量结果接近真值，测试数据基本可信。不确定度较大的话，说明测量结果离真值较远，测试数据不太可采信。在报告物理量的测量结果时，测量报告必须附有详细的不确定度报告供使用者参考[1]。测量结果和精度是最重要的，测量结果的精度评价一直是科学界和工程技术界的难题。多年来，评价方法和标准不统一，评价方法争论不断，使得国际上的检测检验实验室和研究机构之间对测量结果无法进行有意义的比较。为了避免用“误差”概念来表达测量结果所带来的各种各样问题，各国际组织和专家学者提出用“测量不确定度”代替传统的误差表示体系来评价测量结果的准确性[2-3]。

不锈钢板材力学性能中的抗拉强度指标是判断不锈钢板材是否合格的标准之一，也是毛坯材料、零部件制造和设计的重要依据。由于不锈钢板材的拉伸试验是一种破坏性试验，不锈钢板材的不均匀性和试验的不可重复性，使得测试结果有一定的分散性，因此，对试验数据的不确定度进行评定是必须的[4]。

目前，行业上对牌号为06Cr19Ni10的不锈钢板材的抗拉强度的不确定度的分析研究相对其他钢材较少。本文依照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》要求[5]，对厚度为1.9 mm的不锈钢板材的力学性能进行了检测，根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》要求[6]，通过数学模型推导计算对拉伸试验结果的偏差值的测量不确定度进行了评定，全面分析影响测试结果的主要因素，同时有利于更好地指导检测工作，使检测结果更具可信性。

1 抗拉强度的测量及测量不确定度的来源

1.1试验的方法标准和判定依据

依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》，对厚度为1.9 mm 的不锈钢板材进行抗拉试验，以应变速度为0.00025/s 施加拉力，将不锈钢板材试样拉伸到断裂为止，不锈钢板材的抗拉强度等于试样拉断过程中最大力所对应的应力。

1.2 试验的环境条件

金属材料受温度的影响较为明显，一般情况下，温度越高，不锈钢板材塑性能指标随着升高，则其强度性能指标下降，GB/T228.1-2010标准要求试验环境温度为10～35℃，本次试验实验室恒温在23～24℃，温度变化带来的测量不确定度可以忽略不计[7]。

1.3 试验的设备

试验使用山东济南试金集团有限公司生产的WDW-50E 型微机控制电子万能试验机、哈量千分尺。试验设备带来的测量不确定度的数值可以从该设备有效的计量检定证书中获得。

1.4 试验的材料

从同一块牌号为06Cr19Ni10的不锈钢板材上按同一方向均匀线切割截取10片试样进行抗拉试验，所有试样的切割边缘统一进行去硬化处理以消除样品制备对抗拉强度的影响。试验材料引起的测量不确定度可以通过大量的重复性测量获得[8]。

1.5 试验的操作员

试验操作人员主要给测试数值结果带来过失误差和偶然误差，其差值的正负和大小不是一成不变的，实验者因其技术水平和心理因素的不同，会使测试结果产生不确定的影响。在实际操作拉伸试验中，薄板的矩形拉伸试样，如果不严格按照操作规程的话就很容易出错，这就造成测量结果不准确的现象[9]。本次试验采用同一试验人员进行测试以尽量减少人為的测量误差。

1.6 试样的夹持方法

试件的夹紧方式对实验结果有很大影响。在抗拉试验中，夹紧方式方法是非常重要的。如果夹持不稳，试件会失控打滑，无法完成;如果夹持试样方式方法出现偏离，试验结果会有较大误差。在抗拉试验中，由于应力集中，试样经常在夹持部位或标距外断裂，导致试验失败。试验机的加载轴应与试样的几何中心一致[10]。

1.7 关于试样的夹持清零问题

有时引起抗拉强度和屈服强度数值偏低的主要原因是试验人员操作拉力试验机时对试样的夹持力清零所致。正确的方法是试样夹持前先清零，因拉力试验机电脑软件设置不同的原因要求夹持试样后不能清零，否则将导致抗拉强度和屈服强度结果偏低。

2 不锈钢板材抗拉强度检测结果的数学模型

不锈钢板材抗拉强度按下式计算：

式中：Rm 为抗拉强度，N/mm2;Fm 为试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力，N;a 为不锈钢板材矩形横截面试样厚度，取1.9 mm;b 为不锈钢板材矩形横截面试样平行长度的宽度，取15 mm。

3 抗拉强度不确定度分量

抗拉强度不确定度分量包括：最大力不确定度分量uFm;数据修约的不确定度分量uRm2;不锈钢板材厚度不确定度分量ua;不锈钢板材试样宽度不确定度分量ub;检测结果的重复性引入的不确定度uRm1。

依照式（1）可以推出不锈钢板材抗拉强度的相对不确定度为：

3.1不锈钢板材厚度、宽度标准不确定度ua、ub

测量仪器的精度必须满足试验要求，压力值、表面污染和测量工具的零点也影响测量精度。因此，试验前必须对各种计量器具进行校准，并保持量具的清洁。不锈钢板材试样的厚度和宽度分别为1.9 mm、15 mm，这两个尺寸测量的不确定度由两部分组成：千分尺的示值误差导致的不确定度和操作者所引入的测量不确定度。

（1）千分尺的示值误差导致的不确定度u1

千分尺仪器的不确定度：u =1.2μm（ k =2），则其相对标准不确定度为：

（2）由操作者所引入的测量不确定度u2

根据经验估计，由操作者引入的测量误差在±10μm 范围内，以均匀分布估计，则：

两者合成后，得厚度和宽度测量的不确定度均为：

3.2 检测结果重复性标准不确定度uRm1

不锈钢板材在铸造和加工过程中，由于化学成分的分布和内部结构的不均匀，同一产品不同部位的抗拉性能也不同。取样方向的不同会明显影响不锈钢板材拉伸试验的抗拉强度，因此在取样时严格按标准 GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，以避免实验结果出现偏差造成误判。本试验从同一块不锈钢板材上均匀截取10片相同方向的不锈钢板材，进行抗拉试验，结果如下：820 N/mm2、825N/mm2、825 N/mm2、830 N/mm2、820 N/mm2、830 N/mm2、820 N/mm2、830 N/mm2、830 N/mm2、830 N/mm2。采用A 类不确定度评定，平均值Rm 为826 N/mm2。

10次测量结果的算术平均值作为测量结果，则测量结果的标准不确定度为：

其相对标准不确定度为：

3.3 拉力标准不确定度uFm

在试验过程中，必须保证试验机和引伸计在检定合格的有效期内。另外，要注意的是，如果试件放偏、不平，力不垂直，会影响测量结果的真实性。

（1）试验机引入的标准不确定度uFm1

依照WDW-50E 型微机控制电子万能试验机检定证书提供：u =0.4%（ k =2），则其相对标准不确定度为：

（2）读数引入的标准不确定度uFm2

选用量程为50 kN，分辨率为1N，则每一个读数值可能包含的误差应在±0.5 N 范围内，数显仪表在其范围内满足矩形分布（根据3.2，10块不锈钢板材测得值的数学期望值所对应的拉力为826×1.9×15×10-3=23.54 kN ），采用B 类评定，则读数不确定度为：

其相对标准不确定度为：

由于试验机、读数引入的不确定度分量之间彼此无关联，所以拉力标准不确定度可合成为：

3. 4 数据修约标准不确定度

根据试验仪器的特征，不锈钢板材抗拉强度修约数值间隔等于5N/mm2，根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》要求，由于数据修约引起的测量不确定度为[11]：

则其相对标准不确定度为：

4 不确定度分量列表

不确定度分量如表1所示。

5 合成标准不确定度

由于不锈钢板材厚度偏差、不锈钢板材宽度偏差、检测结果重复性不确定度、拉力不确定度、数据修约不确定度，它们之间彼此无关联，是独立的，由此可得到抗拉强度的相对合成标准不确定度为：

6 扩展不确定度

选择包含因子k=2，则其相对扩展不确定度为：

7 不确定度报告

不锈钢板材抗拉强度检测结果不确定度的评定：宽度为15 mm，厚度为1.9 mm 牌号为06Cr19Ni10的不锈钢板材抗拉强度检测结果相对扩展不确定度为：Ur，Rm = 0. 9% ，它是由相对标准不确定度0.45%和包含因子k = 2乘积得到的[12]

8 结束语

本文依据GB / T228. 1-2010 《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》JF 1059. 1-2012 《测量不确定度评定与表示》，通过对厚度为1. 9 mm的牌号为06Cr19Ni10不锈钢板材进行拉伸试验，提出并分析了不确定度来源，通过对抗拉强度检测结果不确定度的评定，使不锈钢板材抗拉强度检测数据更接近真实结果，有利于更好地指导检测工作，使检测结果更具可信性，使笼统的不确定度评定步骤变得规范、统一，有章可循，使看似复杂深奥的不确定度评定得以优化，满足日常测量的实际需要。

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[12]国家质量技术监督局计量司组.测量不确定度评定与表示指南[M].北京：中国计量出版社，2005.

第一作者简介：卢文东（1969-），男，广东兴宁人，大学本科，工程师，研究领域为机械产品质量检验。（编辑：王智圣）