薛 歡(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

橋梁用鋼拉伸試驗(yàn)不確定度的評(píng)定

薛 歡
(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測(cè)量結(jié)果的可用性取決于其不確定度的大小，測(cè)量結(jié)果必須附有不確定度說(shuō)明才是完整并有意義的。針對(duì)中厚板Q420NHY材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)中抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率的不確定度評(píng)定。結(jié)果表明，對(duì)于抗拉強(qiáng)度，測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度最為顯著，對(duì)于下屈服強(qiáng)度，拉伸速率的影響最大，對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率測(cè)量重復(fù)性及斷后伸長(zhǎng)的測(cè)量引入的不確定度最大。在包含概率取95%情況下，抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率的擴(kuò)展不確定度分別為2.4%、2.5%、2.9%。

不確定度；橋梁鋼;抗拉強(qiáng)度；下屈服強(qiáng)度；斷后伸長(zhǎng)率；測(cè)量誤差

1 概述

測(cè)量科學(xué)在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等生活中各方面都不可或缺。只有通過(guò)測(cè)量才能確定被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量質(zhì)量，關(guān)系到國(guó)家民用和軍用產(chǎn)品的質(zhì)量以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。在出具測(cè)量報(bào)告時(shí)，報(bào)告質(zhì)量應(yīng)該給出必定量說(shuō)明，來(lái)確認(rèn)其結(jié)果的可信度。測(cè)量不確定度就是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，不確定度的大小決定了測(cè)量結(jié)果的可用性[1-3]。因此，一份完整的測(cè)量結(jié)果一定要附有不確定度結(jié)果。

測(cè)量是用通過(guò)某種獨(dú)特的技術(shù)手段以獲取被測(cè)物理量真實(shí)值的試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果和精度是其最重要的特征，其中測(cè)量結(jié)果精度的評(píng)定一直是困擾工程界和科學(xué)界的一大難題。多年來(lái)，評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)未得到統(tǒng)一，而評(píng)定方法的好壞爭(zhēng)論不斷，這使得世界上各研究所及實(shí)驗(yàn)室之間的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有辦法進(jìn)行有意義的比較。傳統(tǒng)測(cè)量誤差是測(cè)量精度的一種近似反映，為了避免用“誤差”概念表示測(cè)量結(jié)果可能引起的問(wèn)題，各國(guó)專家學(xué)者、國(guó)際組織提出利用“測(cè)量不確定度”來(lái)取代傳統(tǒng)的誤差表示體系對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)定[4-5]。本文對(duì)橋梁用鋼Q420NHY拉伸試驗(yàn)的不確定度進(jìn)行了研究。

2 金屬材料Q420NHY拉伸試驗(yàn)不確定度的評(píng)定

金屬材料本身的組織結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分等決定了其力學(xué)性質(zhì)。在材料力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)中，金屬材料拉伸試驗(yàn)是其中最為重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)性試驗(yàn)，是評(píng)價(jià)材料力學(xué)基本性能的最有效和最普遍的方法，它可以基本準(zhǔn)確地測(cè)試出材料所具有的基本性質(zhì)，有可靠、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。材料拉伸試驗(yàn)所用的主要方法是在拉伸試驗(yàn)設(shè)備中，放入標(biāo)準(zhǔn)金屬試樣，利用電腦來(lái)設(shè)置拉伸速率等參數(shù)，材料的拉伸設(shè)備可以施加給金屬試樣一定的拉伸力，在試驗(yàn)過(guò)程中，可以測(cè)出塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率和收縮率等。值得注意的是，金屬材料拉伸試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，易受到各種因素干擾和影響，須要對(duì)影響因素有必要的了解，并對(duì)這些影響因素的成因進(jìn)行分析，制定相關(guān)操作規(guī)程，嚴(yán)格把控試驗(yàn)全過(guò)程，才能獲取相對(duì)精確的材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果。金屬材料的拉伸性能在生產(chǎn)檢驗(yàn)以及產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中都是最為重要的檢測(cè)內(nèi)容，其所測(cè)試出的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性性能指標(biāo)是體現(xiàn)金屬材料性能的主要參數(shù)。因此，拉伸試驗(yàn)不確定度的評(píng)定至關(guān)重要。

針對(duì)橋梁用鋼Q420NHY產(chǎn)品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，共20件試樣。采用的設(shè)備是UHF500KNI型液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。該拉力試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷為0.5級(jí)，示值誤差為0.5%。使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢定。試驗(yàn)試樣標(biāo)距為50mm。

首先，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差按貝塞爾公式計(jì)算：

表1 中厚板Q420NHY產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗拉強(qiáng)度不確定度評(píng)定

2.1.1 A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(rep)

2.1.2 最大力Fm的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(Fm)的評(píng)定

(1)試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)示值誤差帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(F1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F2)

使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢定。重復(fù)性R=0.3%?？梢钥闯芍貜?fù)性極限。則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(3)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F3)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為urel(F3)=0.2%

2.1.2 原始橫截面積S0的相對(duì)不確定度urel(S0)

測(cè)定原始橫截面積時(shí)，測(cè)量每個(gè)尺寸應(yīng)準(zhǔn)確到±0.5%，而

urel(S0)=2·urel(d)=0.578%

2.1.3 拉伸速率影響帶來(lái)的相對(duì)不確定度分量urel(RmV)

試驗(yàn)過(guò)程中，在拉伸速率變化范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度最大相差10MPa，則拉伸速率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響為±5MPa，按均勻分布考慮：

將各抗拉強(qiáng)度不確定度分項(xiàng)匯總見(jiàn)表2。

表2 抗拉強(qiáng)度不確定度分項(xiàng)匯總

得到抗拉強(qiáng)度的相對(duì)合成不確定度：

取包含概率p=95%，按k=2，則抗拉強(qiáng)度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

Urel(Rm)=k·ucrel(Rm)=2×1.191%=2.4%

2.2 下屈服強(qiáng)度不確定度的評(píng)定

數(shù)學(xué)模型

其中ReL是下屈服強(qiáng)度，F(xiàn)eL是下屈服力，S0是原始橫截面積。

2.2.1 A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(rep)

2.2.2 下屈服力FeL的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(FeL)的評(píng)定

(1)試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)示值誤差帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量urel(F1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F2)

使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢定。重復(fù)性R=0.3%。可以看成重復(fù)性極限。則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(3)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F3)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為urel(F3)=0.2%

2.2.3 原始橫截面積S0的相對(duì)不確定度urel(S0)

測(cè)定原始橫截面積時(shí)，測(cè)量每個(gè)尺寸應(yīng)準(zhǔn)確到±0.5%，而

urel(S0)=2·urel(d)=0.578%

2.2.4 拉伸速率影響帶來(lái)的相對(duì)不確定度分量urel(ReLV)

試驗(yàn)過(guò)程中，在拉伸速率變化范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度最大相差10MPa，則拉伸速率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響為±5MPa，按均勻分布考慮：

將各抗拉強(qiáng)度不確定度分項(xiàng)匯總見(jiàn)表3。

表3 下屈服強(qiáng)度不確定度的評(píng)定

ucrel(FeL)==1.24%

取包含概率p=95%，按k=2則下屈服強(qiáng)度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

Urel(FeL)=k·ucrel(FeL)=2×1.24%=2.5%

2.3 斷后伸長(zhǎng)率不確定度的評(píng)定

數(shù)學(xué)模型

A為斷后伸長(zhǎng)率，L0是原始標(biāo)距，Lu是斷后標(biāo)距。斷后伸長(zhǎng)(Lu-L0)的測(cè)量應(yīng)準(zhǔn)確到±0.25mm。在評(píng)定測(cè)量不確定度時(shí)公式應(yīng)表達(dá)為：

2.3.1 A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(rep)

2.3.2 原始標(biāo)距的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(L0)的評(píng)定

2.3.3 斷后伸長(zhǎng)的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(ΔL)的評(píng)定

2.3.4 修約帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)urel(off)

斷后伸長(zhǎng)率的修約間隔為0.5%。按均布分布考慮，修約帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)

表4 斷后伸長(zhǎng)率不確定度的評(píng)定

取包含概率p=95%，按k=2。斷后伸長(zhǎng)率的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

Urel(A)=k·ucrel(A)=2×1.42%=2.9%

3 結(jié)論

(1)對(duì)于抗拉強(qiáng)度，測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度為最為顯著，對(duì)于下屈服強(qiáng)度，拉伸速率的影響最大，對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率測(cè)量重復(fù)性及斷后伸長(zhǎng)的測(cè)量引入的不確定度最大。

(2)Q420NHY在包含概率取95%情況下，抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率的擴(kuò)展不確定度分別為2.4%、2.5%、2.9%。

[1] 粱晉文，陳林才，何貢．誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003．

[2] 上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院．常用測(cè)量不確定度評(píng)定方法及應(yīng)用實(shí)例[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2001.

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

[4]JJF1059—1999.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].

[5] 王承忠.測(cè)量不確定度與誤差的區(qū)別及在評(píng)定中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].冶金分析，2004：678-682.

(責(zé)任編輯：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 歡(1981～)，男，博士，高級(jí)工程師.E-mail：stonemechanics@163.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2017)01-0011-04