金属线材扭转性能的测量不确定度评定

彭 萌, 孙小波, 郗 涛

(中航西安飞机工业集团股份有限公司, 西安 710089)

众所周知，对材料的任何特性指标进行测量时，无论人员、设备、方法、环境等条件如何完善，其测量结果始终存在不确定性。测量的水平和质量用测量不确定度来评价，不确定度越小，则测量结果的可疑程度越小、可信程度越大、测量结果的质量越高，反之则测量结果的可疑程度越大、可信程度越小、测量结果的质量越差。在材料性能检测中，不确定度的评定与表示方法的统一是科技交流和国际贸易的迫切需要，在试验室质量管理和质量保证中尤为重要[1-2]。

金属线材扭转试验是以试样自身为轴线，沿单向或交变方向均匀扭转，直至试样断裂或达到规定的扭转次数为止的过程。金属线材扭转试验是检验金属线材承受塑性变形的能力及显示线材的表面或内部缺陷的重要手段之一，扭转试验结果也存在着不确定度。笔者对某70E钢丝进行扭转试验，并对其扭转性能的测量不确定度进行了评定，供理化试验室人员参考。

1 测量准备

1.1 测量方法

测量方法参考YB/T 5311-2010《重要用途碳素弹簧钢丝》和GB/T 239-2012《金属材料 线材 第一部分：单向扭转试验方法》。

1.2 评定依据

评定依据为CNAS-CL01：2018《检测和校准实验室能力的通用要求》[3]和JJF 1059-2019《测量不确定度评定与表示》。

1.3 试验设备

试验设备为K2型扭转试验机。该试验机已经通过计量部门校验，准确程度满足《金属线材扭转试验机校准程序》的要求。

1.4 环境条件

根据GB/T 239.1-2012的规定，试验一般应在10～35 ℃的室温下进行，如有特殊要求，试验温度应为(23±5) ℃。该次试验的温度为26 ℃。

1.5 试验原理

试样在扭转试验机上绕自身轴线向一个方向均匀旋转360°作为一次扭转，直至达到规定次数或试样断裂为止。

1.6 测量对象

测量对象为70E钢丝，直径为2 mm。

1.7 测量过程

在GB/T 239.1-2012所要求的环境条件下，用经计量合格的K2型扭转试验机对70E钢丝试样进行扭转性能试验。试样标距长度为200 mm，扭转速度为60 r·min-1。

2 建立数学模型

根据试验原理，金属线材扭转性能T的数学模型为

T=X+δTS

(1)

式中:X为K2型扭转试验机的读数，即测量结果；δTS为K2型扭转试验机的读数示值误差对于测量结果的影响，其数学期望为0，但是需要考虑不确定度。

3 测量不确定度来源的分析

根据计量结果，已知K2型扭转试验机在200格的使用条件下，最大允许误差为0.5格。用6次测量的平均值作为测量结果。K2型扭转试验机测量70E钢丝的扭转性能时，温度效应、弹性效应及其他不确定来源忽略不记。测量结果不确定度主要来源于以下两方面：

①连续重复性的读数测量所引入的不确定度分量；

②读数示值误差所引入的不确定度分量。

4 测量不确定度分量

4.1 读数X的不确定度u1(T)=u(X)

此测量重复性引入的测量不确定度包含试验材料的均匀性和稳定性对测量值的影响，采用测量不确定度评定中的A类方法进行评定。采用贝塞尔公式计算出试验标准偏差s,并计算出标准测量不确定度，测量结果见表1。

测试结果的平均值计算式为

(2)

(3)

4.2 K2型扭转试验机的读数示值误差的不确定度u2(T)=u(δTS)

该试验所用的K2型扭转试验机经计量检定合格，其允许示值误差服从均匀分布，则该装置的允许示值误差采用B类方法评定。所以不确定度分量u2(T)为

(4)

5 合成标准不确定度

由于连续测量值引入的不确定度与K2型扭转试验机的读数示值误差引入的不确定度两者是独立的，所以合成标准测量不确定度为

(5)

由式(5)计算出标准合成不确定度uc(T)=3.630 8。

6 扩展不确定度U

本测量共两项不确定度分量，其中u2(T)对不确定度的影响很大，所以以u2(T)的矩形分布为基准。当置信概率为95%时，矩形分布的K95=1.65，所以U95=K95uc(T)=5.99格。

7 测量不确定度的评定结果

上述不确定度的意义为该金属线材扭转性能的测量值落在[34.5-5.99，34.5+5.99]格内的可能性为95%。

8 结束语

扭转性能测量不确定度结果表示为一个区间，被测量材料扭转性能的可能值以95%的置信概率落于区间内，即表征被测量的真值所处的范围。通过评定测量不确定度可以知道检测结果判断的风险，对产品质量的判定和试验结论的判断有所帮助。

70E钢丝直径为2 mm时，技术标准要求扭转次数不小于25次，根据不确定度的评定可知，金属线材扭转性能的不确定度区间为(34.5±5.99)格。若检测值大于等于30.99次，则该产品一定合格；若检测值小于等于19.01次，则该产品一定不合格；若检测值为19.01～30.99格，则应比较合格概率与不合格概率的大小来判断是否合格。测量不确定度对试验数据出现界限值时的判断尤为关键，需要试验室检验人员尤其关注。