金 晶, 石景麗, 石巧英

(上海日之升科技有限公司， 上海 201109)

0 前言

彎曲性能測試主要用來評價材料的彎曲強度和塑性變形情況，是產品設計開發(fā)和生產過程質量控制的重要參考指標。電子萬能試驗機被廣泛應用于塑料力學性能的評價，是測試材料彎曲性能的主要儀器設備。測量不確定度在實驗室的質量管理中有著重要的作用，中國合格評定國家認可委員會在實驗室認可過程中尤其關注對實驗室設備能力的驗證，對測量結果進行不確定度評定可以反映設備的準確度，有利于提高其測試結果的準確性；因此，不確定度的評定在質量管理中非常重要[1]。筆者按照GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》中的三點加荷試驗方法，對影響聚丙烯(PP)注塑樣條彎曲強度測試的因素進行分析，測定了電子萬能試驗機在測試PP注塑樣條彎曲強度時的相對擴展不確定度。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP 3080,臺塑工業(yè)(寧波)有限公司生產，熔融指數(shù)為9 g/(10 min)，測試條件為溫度230 ℃、砝碼質量2.16 kg。

1.2 主要設備及儀器

電子萬能試驗機，CMT6104，深圳市新三思材料檢測有限公司；

注塑機，MTF-80-X，寧波大榭開發(fā)區(qū)海天機械有限公司；

電子數(shù)顯卡尺，量程為0～1.5 mm，桂林廣陸數(shù)字測控有限公司。

1.3 測量方法

依據(jù)GB/T 9341—2008測試注塑樣條的彎曲強度；依據(jù)GB/T 2918—2018《塑料 試樣狀態(tài)調節(jié)和試驗的標準環(huán)境》對注塑樣條進行試驗前的狀態(tài)調節(jié)。

1.4 測試過程

稱取2 kg PP 3080塑料粒子，在相同的注塑工藝條件下制作10根彎曲試樣，然后放置于標準環(huán)境溫度23 ℃、相對濕度50%狀態(tài)調節(jié)88 h[2]，再對電子萬能試驗機進行自動校準以確保設備狀態(tài)正常，最后在溫度為23 ℃、相對濕度為50%的環(huán)境下對注塑的PP 3080試樣進行重復測量[3]。

1.5 數(shù)學模型

根據(jù)GB/T 9341—2008中對彎曲強度的定義，即試樣在彎曲過程中承受的最大彎曲應力，可以得出被測量物彎曲強度的數(shù)學模型為：

σ=3FL/(2bh2)

(1)

式中：σ為彎曲強度，MPa；F為施加的最大力，N；L為跨度，mm；b為試樣的寬度，mm；h為試樣的厚度，mm。

2 測量結果與討論

在滿足GB/T 9341—2008的條件下，對PP 3080注塑樣條進行5次重復測量，取平均值，結果見表1。

表1 注塑樣條5次彎曲強度測量值

2.1 不確定度來源分析

按照數(shù)學模型，由GB/T 9341—2008試驗步驟可知產生的不確定度的來源主要有以下幾個方面：重復性試驗、施加的最大力、試樣寬度的測量、試樣厚度的測量。由于已經考慮彎曲強度的重復性試驗所引入的不確定度分量，因此此處不再考慮試樣寬度及厚度測量重復性所引入的不確定度分量，只考慮測量過程中使用的電子數(shù)顯卡尺引入的不確定度分量。由于檢測時環(huán)境條件為恒溫、恒濕，支座間跨距長度固定，所以此項目檢測不考慮溫度效應所引起的不確定度分量及跨度引起的不確定分量。

在上述不確定度來源中，重復性試驗引入的不確定度屬于A類不確定度，施加的最大力和電子數(shù)顯卡尺引入的不確定度屬于B類不確定度。

2.2 不確定度分量的量化

2.2.1 由測量重復性引入的不確定度

在測量重復性沒有變化的情況下，引用PP 3080注塑樣條進行10次測量，結果見表2。

表2 注塑樣條10次彎曲強度測量值

由測量重復性引入的相對標準不確定度urel,σ為:

(2)

采用貝塞爾公式計算試驗標準偏差：

(3)

將表2數(shù)值代入式(2)、式(3),可得PP 3080注塑樣條進行10次測量的試驗標準偏差為0.414 MPa,為0.185,則由測量重復性引入的相對標準不確定度為0.006 93。

2.2.2 由施加的最大力引入的不確定度

由電子萬能試驗機施加的最大力引入的相對標準不確定度urel,F為：

urel,F=Urel/k

(4)

式中:Urel為電子萬能試驗機相對擴展不確定度;k為包含因子。

經查通標標準技術服務(上海)有限公司出具的電子萬能試驗機校準證書，電子萬能試驗機擴展不確定度為0.15%，包含因子為2,則電子萬能試驗機施加的最大力引入的相對標準不確定度為0.000 75。

2.2.3 由寬度的測量引入的不確定度

由寬度的測量引入的相對標準不確定度u1rel,b為:

u1rel,b=U/(k·b)

(5)

式中：U為電子萬能試驗機擴展不確定度。

經查通標標準技術服務(上海)有限公司出具的校準證書，電子數(shù)顯卡尺誤差引入的擴展不確定度為0.01 mm,包含因子為2，則電子數(shù)顯卡尺測量試樣寬度準確性引入的相對標準不確定度為0.000 505。

由電子數(shù)顯卡尺分辨率引入的相對標準不確定度u2rel,b為:

(6)

式中:u2為由電子數(shù)顯卡尺分辨率引入的不確定度;a為電子數(shù)顯卡尺的包含區(qū)間半寬度。

因為由電子數(shù)顯卡尺的準確性和分辨率引起的不確定度為獨立不相關，所以由寬度的測量引入的相對合成標準不確定度urel,b為:

(7)

將相關數(shù)據(jù)代入式(7)后可得由寬度的測量引入的相對合成標準不確定度為0.000 583。

2.2.4 由厚度的測量引入的不確定度

由電子數(shù)顯卡尺測量厚度準確性引入的相對標準不確定度u1rel,h為:

u1rel,h=U/(k·h)

(8)

經查通標標準技術服務(上海)有限公司出具的校準證書，電子數(shù)顯卡尺測量誤差引入的擴展不確定度為0.01 mm,包含因子為2，則電子數(shù)顯卡尺測量厚度準確性引入的相對標準不確定度為0.001 26。

由電子數(shù)顯卡尺分辨率引入的相對標準不確定度u2rel,h為:

(9)

因為由電子數(shù)顯卡尺的準確性和分辨率引起的不確定度為獨立不相關，所以由厚度的測量引入的相對合成標準不確定度urel,h為:

(10)

將相關數(shù)據(jù)代入式(10)后可得由厚度的測量引入的相對合成標準不確定度為0.001 45。

2.3 合成標準不確定度

以上各相對標準不確定度分量互相獨立不相關，所以采用平方和開根的方法合成，得出彎曲強度測量結果的相對合成標準不確定度ucrel為：

(11)

因此合成標準不確定度uc為：

(12)

將相對標準不確定度各分量代入式(11),可得ucrel=0.007 6,進一步可求得uc=0.21 MPa。

2.4 擴展不確定度

擴展不確定度為合成標準不確定度與包含因子的乘積，根據(jù)測量不確定度評定指南對一般檢測實驗室的要求[4]，取置信概率為95%時，可得包含因子為2，所以擴展不確定度為0.42 MPa。

3 結語

在置信概率95%情況下，本次注塑制樣彎曲強度的擴展不確定度為0.42 MPa，包含因子為2。根據(jù)對測量重復性、施加的最大力、試樣寬度及厚度引入的不確定度分析與評定，得出測量重復性對試樣的彎曲強度不確定度的影響最大，其次為試樣厚度的測量，最后為施加的力和試樣寬度的測量。

在日常測試過程中，應滿足試樣的重復測量次數(shù)，以及試驗操作的準確性，并且需對電子萬能試驗機和電子數(shù)顯卡尺的校準予以關注，確保設備的精度，保證試驗結果的準確性。