钛管TA2室温拉伸试验测量结果不确定度的评定

苟曼曼，张浩，余泽利

（西安汉唐分析检测有限公司，陕西西安 710201）

1 概述

钛管材因为其质量较轻并且强度高的特点被广泛应用于各行各业，尤其近些年来多用于化工行业、电站及军工舰船等重要行业。因此研究钛管的力学性能则显得尤为重要。评价钛管力学性能的方式和试验有很多种，其中强度和塑性是衡量金属钛管材力学性能的重要指标，通常经过设计并完成拉伸试验即可获得这两种力性指标。然而，其结果的可靠性需要通过测量不确定度的评定才能决定是否可信。对于钛管材料，其抗拉强度和断后伸长率测量结果的准确度则直接影响到钛管力学性能的评定。因此对这两个指标的检测及它们的不确定度评定非常重要。而试验结果的准确度则需要引入不确定度进行详细分析［1-4］。

虽然前人对金属材料的不确定度已经进行了大量分析［5-6］，但是主要集中在对棒材金属的不确定度评定方面，对管材金属的研究则较少。此外，查阅文献可以发现前人对钛管室温拉伸结果不确定度的分析不够全面，因此本文主要从钛管力学性能的测性方法以及试验设备等方面入手，选取TA2管材作为研究对象，对钛管室温拉伸测量结果（抗拉强度和断后伸长率）的不确定度进行了全面的分析和评定，为分析钛管的力学性能可靠性提供了一定的理论基础。同时，该计算方法也适用于其他金属管材室温拉伸试验结果的不确定度评定。

2 试验条件及方法

本次试验控制在25℃下进行，湿度为65%。试验采用10个均匀的TA2管材试样，管材直径为25mm，壁厚1.245mm，管材长度为200mm。试验使用拉伸试验机型号为WAW-1000，量程为100KN，精度为1.0级的电子万能试验机。试验过程中采用整管拉伸方式，不对管材进行破坏性加工，在管材两端装入满足标准要求的子弹头销子，将试样两端夹持后对管材进行轴向施力加载直至拉断。试验前采用激光划线机在管材表面标记50mm标距，且在试验过程中采用标距为50mm的引伸计记录管材的变形，在同一拉伸速率下最终获得拉伸应力-应变曲线，根据试验机系统获取管材的抗拉强度，最后采用游标卡尺人工量取管材断后标距，通过计算获得相应的断后伸长率。

本次试验完全依据GB/T228.1-2010方法进行［7］，并根据JJF1059.1-2012中的方法对钛管TA2的抗拉强度以及断后伸长率进行不确定度评定［8］。整个不确定度评定过程主要由以下几个步骤完成：首先是确立试验方法，其次是分析主要不确定度因素来源，最后通过计算获得相应的不确定度值。

3 结果与讨论

3.1 抗拉强度的不确定度评定

钛管TA2的抗拉强度计算公式为：Rm=Fm/S0=Fm/π(d-a)。可见抗拉强度主要由试验的最大力、管材本身的外径以及管材的壁厚决定，所以本文主要从这三个方面讨论抗拉强度的不确定度。且每个因素几乎都受到试验设备和检测人员的影响，因此这三个因素都需要计算各个不确定度分量。试验测得10批钛管材的外径、壁厚、抗拉强度及断后伸长率结果如表1所示。根据试验结果计算得到相应的平均值、标准偏差以及相对标准偏差。

表1 钛管TA2的外径，壁厚，抗拉强度及断后伸长率测量结果

3.1.1 A类不确定度urel（rep）的评定

从计算结果可知钛管的相对标准偏差为0.566%，而A类不确定度则是由计算所得的相对标准偏差表示。本次钛管室温拉伸试验共选取3个TA2试样进行评定，对其测试结果取平均值进行不确定度分析，故在计算时应除以

3.1.2 最大力的B类不确定度Urel（Fm）的评定

最大力值由拉伸试验机获得，因此最大力的准确度主要与试验设备相关，包括试验机的示值误差、对试验机校准的准确度以及获取数据的准确度这个三个方面。

（1）试验机示值误差带来的不确定度urel（F1）分项

本次评定采用量程为100KN，精度等级为1.0级的WAW-1000型号拉伸试验机，，则：

（2）测力仪校准误差的不确定度分项urel（F2）

在对拉伸试验机进行力值校准时应采用精度等级比试验机本身精度等级更高一级的测力仪，所以采用0.5级的标准测力仪，则：

（3）数据采集带入的不确定度urel（F3）

则最终获得最大力的不确定度为：

由以上分析可知，最大力的不确定度主要与试验设备息息相关，因此对拉伸试验机的要求就较高。不仅要满足试验基本条件，其量程和精度等也需满足要求，在控制试验成本的同时尽量采用精度值较高的试验设备。同时在对试验设备进行计量校准时也应采用精度等级更高的计量校准设备。

3.1.3 横截面积B类不确定度的评定urel（S0）

管材外径测量结果和管材壁厚测量结果共同决定钛管TA2的横截面积，本次试验管材外径使用精度为0.02的游标卡尺测量，管材壁厚使用精度为0.001的壁厚千分尺测量。

（1）由游标卡尺测量引起的管材外径的不确定度

（2）由千分尺测量引起的管材壁厚的不确定度

以上两个测量结果共同决定管材的横截面积，因此：

从计算结果我们可以看出，由千分尺测量引起的管材壁厚的标准不确定度仅为0.058%，由游标卡尺测量引起的管材直径的标准不确定度高达1.155%。相比于采用千分尺引起的管材壁厚的不确定度，采用精度为0.02的游标卡尺测量的管材直径引起的不确定度较大，说明该测量误差对抗拉强度结果的影响较大，因此建议实验室采用精度值更高的测量设备进行管材外径的测量，以减小由测量误差引起的管材外径的标准不确定度。同时也建议提高检验员的测量能力，避免人为因素而导致的管材外径的测量误差。

3.1.4 拉伸速率引起的不确定度urel（RmV）

在同一拉伸速率下，钛管TA2抗拉强度的平均值为517MPa，最大值为521MPa，最小值为513MPa，两者相差8MPa，所以认为该因素对抗拉强度的影响为±4MPa，则：

从计算结果可知拉伸速率带入的不确定度值较小，可以通过严格控制各拉伸阶段的拉伸速率来减小该因素产生的不确定度。即控制每次试验时屈服前的第一应变速率和屈服后的第二应变速率应保持一致。

3.1.5 合成不确定度

3.1.6 扩展不确定度

本次进行的拉伸试验取包含概率P=95%，按包含因子K=2，则：

3.2 断后伸长率不确定度的评定

3.2.1 A类不确定度的评定urel（rep）

3.2.2 原始标距的B类不确定度的评定urel（Lo）

本次试验，采用激光划线机来标记原始标距，该划线设备可以精确到±1%，试验中试样棒的原始标距为50mm，则：

同理，要想减小原始标距引入的不确定度，可采用精度值更高的划线设备。

3.2.3 断后伸长量的B类不确定度urel（△L）的评定

由表1可知，本次试验钛管TA2的平均伸长量为19.20mm，伸长量的测量可精确到±0.25mm，则：

本次试验，管材断后标距采用精度为0.02的游标卡尺测量，要想减小断后伸长量带入的不确定度，应采用精度值更高的测量设备，同时提高检测人员测量能力。

3.2.4 修约引起的不确定度urel（off）的评定

根据标准要求，对断后伸长率需进行数值修约，因此修约是引入不确定度的一个关键因素，需要进行相应的不确定度评定。钛管TA2断后伸长率应修约到0.5%，而本次试验管材的断后伸长率平均值为38.40%。则：

3.2.5 合成不确定度

3.2.6 扩展不确定度

4 结论

通过以上计算结果可以看出，钛管TA2的抗拉强度及其不确定度评定结果为：Rm=517MPa，Urel（Rm)=2.9%；断后伸长率及其不确定度评定结果为：A=38.4%，Urel（A)=2.066%。从计算结果可知，采用精度为0.02的游标卡尺测量的管材直径引起的不确定度较大，因此建议试验时采用精度值更高的测量仪器对金属管材直径进行测量，从而减小其对抗拉强度的影响，最终保证测试结果的可靠性。任何检测结果都会存在一定的不确定度，不确定度越小则表明试验结果可信度越高，因此测量不确定度的评定对分析材料的性能是很有必要的，同时也有利于提高实验室的检测能力。在进行试验时应考虑多重因素的影响，尽量减小试验设备、环境和人员引起的试验结果的不确定度，同时应定期对试验项目进行测量不确定度评定，通过有效地评估手段，规避因测量不确定度引起的检测结果不可靠的风险。另外，当实验室给客户提供检测结果时应考虑到不确定度的影响，应告知客户试验结果是否包含不确定度，尤其当检测结果在合格线临界值时应该做出不确定度评定，以确保试验结果的可靠性。