金属材料力学性能测试不确定度评定的探讨

林 峰

（福建省建研工程检测有限公司，福建 福州 350000）

关于在金属材料拉伸的机械力学性能及试验结果中进行不确定度试验评定有关的国际各类材料研究成果报告文献较多。在国内外有关方面的有关研究报告文章中,金属材料室温下拉伸的试验方法属于研究比较最为普遍的拉伸试验的类型。在社会主义新工业日新月异的工业技术改革发展创新进程中,测量技术试验检测方法研究也随之逐渐的优化,目前国内外已经纷纷推出采用了一种新技术的新型金属材料室温冷拉伸强度试验新方法GB/T 228.1-2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》等，这些标准规定以对金属材料所进行的不确定量评定作为实例来重点说明，但在具体实施操作过程中还面临着许多问题，要优化这些问题来保证测量金属不确定度的准确性。

1 概述

1.1 测量过程中存在误差

由于检测设备的不科学与不合理或者检测设备老旧，加上所用到的检测方法以及检测标准不够严格，导致实际数据与理论检测数值之间存在一定的差距，这种差距就是“误差”。在现今科学技术不断稳步发展的过程中，在检测阶段采用了科学合理的检测技术、精准的检测方法和检测标准，虽然能够将误差适当缩小范围，但却无法使其完全地规避，因此误差在实验过程中必然存在。而针对金属材料的特性数值进行测定试验的时候，由于实际实验数据通常无法准确地获取，所以在实际使用的过程中，更多是采用了最佳估测数值的方法进行替代。

1.2 不确定度的测量

针对不确定度进行检测的时候，往往能够从侧面体现出对检测值在理解上的不足，这也就充分说明了检测结果并没有固定值，而只是属于由无数个离散值所共同产生。但必须要注意一点的是,对于“误差”和“不确定度”并没有什么完全的相同的定义,而只是处于对立面二个范畴,不要把二者进行混淆。不确定度是以被测量值结果本身为被研究分析对象时；但其真正含义又不是指“与真值之差”或“误差限”、或者“极限误差”等,而是用于表示由于各种随机影响结果和系统因素影响结果而产生对所测量值结果的不能再确定程度,表示出一个被所测量值结果可能会出现问题的范围。它定义是指以实际测量的结果值为计算中心,以某种标准差或其倍数,或以某一个置信率区间的半宽度所确定出的一个被实际测量值的最小取值率范围。确保测量真值能以至少一定的概率出现并在这个取值范围限内。因此,它实际上是被测量的结果值的某一个可量化的属性。不确定度的计量结论一般无法进行比较，因为其重点是为计量试验和计量测定等工作给出合理的参照依据，而如果是对计量的结论并没有具备对不确定度的详细描述，那么就会失去相应的比较价值[1]。

1.3 不确定度评定对象的分类

在常规的力学性能测试中，进行不确定量评价的对象主要可以包括两种：

（1）能够通过由感应器或检测工具所提供，而不需重复计量处理的量，可称为直观测试量或直观测量对象，如最高测试力值Fm，可直观从通过感应器所得到的最高负荷位移曲线中直观找到；又如，圆柱形横向截面试样平行距离的最原始口径，可直观从游标卡尺或千分尺中得到；另外，相应的直观测量对象有试样断后标距L、圆柱形纵向截面试样断后颈缩处的最小直径。

（2）在直观测量的基础上，经过比较复杂的运算与分析而间接得到的物理量，可简写为间接量，间接量则需要利用直观测量的结果计算合成。

1.4 探讨金属材料力学性能的意义

（1）金属材料在军事工程中的应用

军队是一个国家实力的象征，因此世界各国对军队工程建设的重视程度可想而知。而钛合金材料在航空民用以及航空工业和生产活动中占有广泛意义，应用的领域主要是生产制作各类复杂飞机结构材料即各种机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和各种接头和零件等产品;在当前国内整个航天工业零部件生产行业中,钛合金结构材料产品主要也用于生产与制作各类航天承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体燃料与火箭发动机壳体组件及高压电喷管系统壳等多种航空机械零部件。

（2）金属材料在生活中的应用

日常生活中使用金属复合板材的典型例子也比比皆是，剪刀、锤子等是在家庭日常生活产品中最常见的用具，也是充分利用了金属材料的优势特点，要求其坚固耐用程度，还要求其具有抗腐蚀冲击能力。

（3）金属材料在生产中的应用

农业生产方式中，温室大棚的搭建，往往需要钢骨架的支持。而各种农业机具的制造也多采用金属制造，以满足其简单耐用的效果和特点。生产中，不论是厂棚骨架、建筑或是机械产品都离不开对各种金属材质的大量投入。

2 金属材料不确定度的评价方法

2.1 直接测量评定

在具体实验的研究阶段，一般以在各种金属材质内部的高温拉伸实验中的最大力为案例分析对象，其组成标准并不确定，但一般都是根据最大拉力值提出特定的未知量，由测量系统自身的示值所表现出来的量，与测力计的量一起组成了高温拉伸实验中的最大拉力。根据相应的试验装置差异分析，试验分量盘的偏差及示值等偏差状况，都能直接影响到试验金属板材的力学性能及不确定度，因此必须根据具体的试验情形，进行科学合理的分析，做出合理的确定。在操作微机试验设备时，示值和分辨率所设置的不确定度来源比较明显，不过因一般情形下差错发生的概率较小，可将之忽略不计。对部分表盘实验装置而言，不确定度的起源也相当普遍，如实验人员在完成数据整理时的疏忽以及在试验机度盘上的差错等，都能直接影响到最后的实验结论。通常，坚固性试验设备一般都是对通过了合理化的测试标准硬度块通过了测定，从而测试标准硬度值的取得，为测试工作的开展打下了牢固的基石[2]。

2.2 间接测量评定

一般来说，对于间接量的统计信息数据展示的结果，多是经过对相关的工作人员进行直接定量检测而得到，并进行了科学合理的统计与数据分析过程，使成果展示更加到位。在一般情形下，如果人员能够对间接测量内容进行了科学合理的评价，则相应的人员就能够合理地通过一定的过程进行基本操作。首先，对基本过程进行了合理的评价分析[3]。在这个进行具体数据运算及分析工作的最后阶段,需要对所有的有关的各种不确定量信息数据做进了一次科学且合理全面的归纳、总结、整理、分析。有关实验室的实验研究与工作分析人员还可以随时根据圆截面的试验测量结果来进行更加精确及时的试验数据分析统计,科学合理地使用分析结果数据,以此来得到更可靠的数值结论。在做具体的测量与运算操作的过程时,若是将圆形截面呈现出一个矩形截面的状态,则可能需要我们对我们所能测量出来的几何指标进行比较科学合理的更换或处理,并且还需要根据实际的状况进行判定。

2.3 误差评定

（1）测量所使用的工具。金属不确定度所说的测量仪器工具，通常是为测量工作的进行而提供的特定工具，它既可保证测量工作的安全进行，又可以为具体实验结果提供较可靠准确的保障。在使用起价要保证测量仪器工具的准确性，而且要保证仪器工具等满足最高测量准则。

（2）测量基准。它主要是根据计量工具而发展产生的一种概念，但通过大量的工具实际试验结果表明，工具本身的测量数据精确度往往会低于国家测量标准。当我们使用此类测量基础工具或者仪器，针对实际要测量的对象进行精确的数据分析的时候，实际获取的数据与理论数据会存在着明显的误差，而如果再详细思考此类测量工具、仪器设备实际使用过程中产生的误差问题，那么具体进行检测所得出来的测量数据中有偏差值的区域就可能会明显有所扩大，因此，此类测量问题就必须及时受到政府有关测量人员的高度重视，从而可以制定和提出一套科学合理的具有针对性测量策略，使得所检测的误差可以限制在理想的范围以内。

3 金属力学性能测试不确定因素

3.1 压缩操作不确定因素

压缩试验方法就是作为最常用的一个力学测量和对金属材料内部力学性能进行试验的一种方法，常常被社会人们广泛使用。通过压缩方法操作的基本试验方法很简单。一般来说，是通过利用万能压缩试验机对各种金属材料内部予以外力加压，并采用一定量的方法测量来准确观测各种金属材料的外部内力发生变形，过程中还需要详细记录观测金属自身可能产生内力变形的各个细节，断裂的持续时间等。压缩影响各种金属材料力学特性的最重要关键因素主要取决于其均匀性，唯有各种金属材料的均匀性良好，方可有效确保各种金属材料的力学特性良好，从而有效降低材料内应力，以最大化的强度充分利用各种金属材料的力学特点。

3.2 扭转操作不确定因素

扭力试验的金属材料力学特性多应用于车轴材质等关键的金属材料上。而这种金属材料不但在车上的使用很普遍，在工业生产流水线上也是起到着举足轻重的作用。用这种方式检测车轴等金属材料的力学特征十分的必要。通过确定车轴在最大所能承受的扭转应力，可以确定车轴的实际使用状况和应用范围，从而提高安全系数，保障人类日常生活。测试主要是通过扭力试验机对金属材料进行扭力试验，期间记录了金属材料的变形状况。在对于各种金属材料力学性能的扭力试验中，重点是要测量其金属材料形式的外形与同轴度。金属材料形式的外形主要影响的是金属材料的外力特性，而同轴度则主要影响的是金属材料的内部特性。

3.3 拉伸操作不确定因素

拉伸操作能力测试的工程金属材料自身力学性能主要因素反映在基础建设中比较多。例如，钢筋在建筑结构里主要是抗拉为主，所有梁板里的配筋都是按抗拉设计和布置的。墙柱钢筋看起来好像是抗压，其实配筋的目的还是为了侧向抗拉而设计的，抗压主要依靠砼，侧向的稳定靠钢筋的抗拉来决定。第一因素是温度变化方面。各种工程金属材质在各种面对外界的不同高热温度环境下，抗拉伸能力也不同。而高热环境会大大减弱各种工程金属材质的自身抗拉伸操作能力，这就是在民事军工中最被广泛研究使用的力学特点要求所在，也就是在各种新型工程金属材质加工生产中广泛使用的基本力学原则要求所在。而低温条件下，各种金属材质往往会变脆，从而造成部分各种金属材质受力后直接断裂。所以在工业生产中，人们往往运用各种金属材质的这些特点，来完成相应的加工动作，以实现产品的各种目的。第二因素是拉伸速率，也同样会可能因此直接影响到了实际拉伸所得实验中曲线计算的数据质量可靠性程度与实际计算结果真实性,可能会在进一步中造成所需要测量所得的曲线数值的相对实际测量数据质量会产生一个很大的误差,使得实际所拉伸得的曲线数值还不够的精确。拉伸弹性弯曲速率的大小不同,数据结论也可能会同时出现了相应地变动,在金属材料拉伸极限屈曲速度的实际计算推导过程中,拉伸极限弹性曲线在其曲线上第一极限屈服点处延伸，一般就是指曲线先平行向下沿拉伸极限弹性曲线边缘平行向上延伸弯曲并到达第一个极限屈服点,然后该曲线边缘再继续垂直向下平行延伸直到进入第一极限屈服点位置为止的这一个弯曲过程,与实际标准的金属材料曲线上的拉伸极限屈服拉伸强度曲线并不都很一致,易造成产生的一些较大的程度相同的误差。

3.4 冲击操作不确定因素

冲击操作中所测试的军用金属材料的力学性能也是在民用军工中已经使用得比较多。在军用中，大炮的力学爆炸、枪弹的力学撞击，对于各种金属材料都会直接起到力学撞击效应。受到撞击的金属接触区域面积越大，则对于金属材料的力学抗冲击效应能力就越强。而需要改善的是金属材料的各种微观化学粒子质量的排列，也有助于提高其抗冲击能力。在军事材料中，对于易于遭受撞击的部分，通过特殊改进的金属材料，就可以使之更耐冲击，进而提高了其寿命和安全的特性。

4 结语

金属力学特性的优劣，很大程度决定金属自身的特征与质量。不论是金属材料本身的热均匀度、夹持材料量等，或者在测试时的外部温度条件都对金属材料力学特性均产生了很大的影响。当前的社会生产与生活中，人们对金属材料的要求程度正在高度增长，这就要求人们对金属材料的力学性能也不得不加深了解与认识，才能够比较合理地选取与利用金属。