力学性能测量不确定度力学性能测量不确定度评定推荐方法说明评定推荐方法说明邓星临邓星临1. 概述概述金属力学性能是金属在力作用下所显示与金属力学性能是金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变应变关系的性能。由于作用力特点的不同，如关系的性能。由于作用力特点的不同，如力的种类、施力方式、应力状态等的不同，力的种类、施力方式、应力状态等的不同，以及所处环境的不同，使金属在受力后表以及所处环境的不同，使金属在受力后表现出各种不同的行为。在诸多影响因素中，现出各种不同的行为。在诸多影响因素中，有些因素对性能的影响比较容易量化，有有些因素对性能的影响比较容易量化，有些则不然。些则不然。 金属力学试验测量结果不确定度评定的金属力学试验测量结果不确定度评定的 专业性和针对性很强。它不仅要求有测专业性和针对性很强。它不仅要求有测 量量不确定度的理论和必要的数学基础知不确定度的理论和必要的数学基础知识，还需要掌握试验方法和试验标准，识，还需要掌握试验方法和试验标准，了解设备的计量检定规范，以及标准物了解设备的计量检定规范，以及标准物质等综合知识质等综合知识，这些更增加了金属力学，这些更增加了金属力学试验测量结果不确定度评定的难度。试验测量结果不确定度评定的难度。2.编写原则编写原则3.根据根据CNAL/AR11: 2006测量不确定测量不确定度政策度政策中中 “遵循国际规范的相关要求，遵循国际规范的相关要求，与与国际相关组织的要求保持一致国际相关组织的要求保持一致”和和“目目标明确、重要先行、循序渐进标明确、重要先行、循序渐进” 原则。编原则。编写了中国金属学会推荐写了中国金属学会推荐 JJF 1059-1999 的规定，把的规定，把重点放在各不确定度分量的量重点放在各不确定度分量的量化上化上。2.1考虑仪器误差时，考虑仪器误差时，既不考虑实际检定的结果，既不考虑实际检定的结果，也不采用检定结果的修正值进行修正。也不采用检定结果的修正值进行修正。而是采用而是采用仪器的最大允差仪器的最大允差。因此，其评定结果适用于最一般的情况。因此，其评定结果适用于最一般的情况。2.2省略了自由度的计算，省略了自由度的计算，从而减少了一半的工作量，使我们能够集从而减少了一半的工作量，使我们能够集中精力对各不确定度的分量进行量化。中精力对各不确定度的分量进行量化。2.3由于省略了自由度的计算，包含因子的由于省略了自由度的计算，包含因子的选择也简化。选择也简化。扩展不确定度对应于扩展不确定度对应于95%置信水平下，包置信水平下，包含因子一律选含因子一律选 k = 2。2.4 由于力学性能试验是破坏性试验，其特由于力学性能试验是破坏性试验，其特 殊性是同一点不可能重复测量，测量包殊性是同一点不可能重复测量，测量包 含了试样均匀度的影响。当含了试样均匀度的影响。当A类不确定类不确定 度分量对合成不确定度贡献较大时度分量对合成不确定度贡献较大时 n 不不 宜太小，宜太小， (绝对不可以不考虑绝对不可以不考虑)在在“金属材料拉伸试验测量结果不确定金属材料拉伸试验测量结果不确定度评定度评定”中采用了中采用了25个试样。为了示个试样。为了示范评定范评定A类不确定度中的合并样本标准类不确定度中的合并样本标准差，在差，在 “金属洛氏硬度试验（金属洛氏硬度试验（HRC）测量结果不确定度评定测量结果不确定度评定” 中采用了中采用了3个个样本。样本。绝大多数项目的绝大多数项目的A类不确定度评定都是类不确定度评定都是采用采用5或或6个测量点为测量列，并用极个测量点为测量列，并用极差法来计算标准偏差。差法来计算标准偏差。2.5 一部分方法最后加入了讨论，将一部分方法最后加入了讨论，将 不确定度评定与能力验证结果相不确定度评定与能力验证结果相 比较。该部分仅仅是为读者提供比较。该部分仅仅是为读者提供 参考，并非是对评定不确定度的参考，并非是对评定不确定度的 要求。要求。 3. 几个不同类型：几个不同类型：3.1 与拉伸试验性能相关的试验与拉伸试验性能相关的试验 CSM 01 01 02 01 2006 金属材料室温拉伸试验测量结果不确定度评定金属材料室温拉伸试验测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 02 2006 金属拉伸杨氏模量金属拉伸杨氏模量(静态法静态法)测量结果不确定度评定测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 03 2006 钢绞线弹性模量测量结果不确定度评定钢绞线弹性模量测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 04 2006 金属薄板和薄带塑性应变比金属薄板和薄带塑性应变比(r值值)测量结果不确定测量结果不确定 度评定度评定 各种参数都有明确的物理公式作为数学模型。各种参数都有明确的物理公式作为数学模型。 拉伸试验机力值的不确定度分项都是通过标准测拉伸试验机力值的不确定度分项都是通过标准测 力仪进行检定来评定的。力仪进行检定来评定的。 在在B类不确定度分量的量化过程中，由于测量方类不确定度分量的量化过程中，由于测量方 法和条件的限制，测量的结果往往不是由量具的法和条件的限制，测量的结果往往不是由量具的 误差决定的。也就是说合乎要求的量具仅仅是达误差决定的。也就是说合乎要求的量具仅仅是达 到技术文件规定的保证。到技术文件规定的保证。 在进行标准不确定度合成时，考虑输入量之间的在进行标准不确定度合成时，考虑输入量之间的 相关性相关性。 3.2 夏比冲击试验夏比冲击试验 CSM 01 01 02 05 2006 金属夏比冲击试验测量结果不确定度评定金属夏比冲击试验测量结果不确定度评定 由于国内外对冲击试验量值传递还没有最后由于国内外对冲击试验量值传递还没有最后 定论，本方法仅仅是根据能力验证试验，对定论，本方法仅仅是根据能力验证试验，对 冲击满意值冲击满意值95%置信概率分布范围的评估。置信概率分布范围的评估。 这符合不确定度的概念。因此其评定结果是这符合不确定度的概念。因此其评定结果是 代表冲击试验机的总体情况。代表冲击试验机的总体情况。3.3 硬度试验硬度试验 CSM 01 01 02 06 2006金属洛氏硬度试验金属洛氏硬度试验(HRC)测量结果不确定度评定测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 07 2006 金属布氏硬度试验测量结果不确定度评定金属布氏硬度试验测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 08 2006 金属维氏硬度试验测量结果不确定度评定金属维氏硬度试验测量结果不确定度评定 CSM 01 01 02 09 2006 金属里氏硬度试验测量结果不确定度评定金属里氏硬度试验测量结果不确定度评定金属硬度试验测量不确定度的评定是通过标准金属硬度试验测量不确定度的评定是通过标准 硬度块间接检定的模式进行的。硬度块间接检定的模式进行的。有一个值得特别指出的一点是，有一个值得特别指出的一点是，在评定测量重复性和检定重复性时是采用标准在评定测量重复性和检定重复性时是采用标准硬度块进行测量的同一测量列。硬度块进行测量的同一测量列。我们认为使用标准硬度块进行试验，也代表测我们认为使用标准硬度块进行试验，也代表测量，由于其均匀性好，可以避免将试样的不均量，由于其均匀性好，可以避免将试样的不均匀带入到重复性中。匀带入到重复性中。二者的区别是，检定是五点平均值，测量是根二者的区别是，检定是五点平均值，测量是根据报结果的要求来定。据报结果的要求来定。力学性能测量不确定度评定中力学性能测量不确定度评定中的几个问题的几个问题1, B1, B类不确定度分量的量化是根据量具还是依据类不确定度分量的量化是根据量具还是依据类不确定度分量的量化是根据量具还是依据类不确定度分量的量化是根据量具还是依据 技术文件规定的问题技术文件规定的问题技术文件规定的问题技术文件规定的问题 2, 拉力试验力值的测量不确定度分量评定拉力试验力值的测量不确定度分量评定3, 不确定度的不确定度的A类评定类评定 4, 力学性能试验中不确定度分量的相关性力学性能试验中不确定度分量的相关性5, 引伸计带来的不确定度分项评定中的问题引伸计带来的不确定度分项评定中的问题6, 金属硬度试验测量不确定度评定中的几个问题金属硬度试验测量不确定度评定中的几个问题 1. B类不确定度分量的量化是根据量类不确定度分量的量化是根据量 具还是依据技术文件规定的问题具还是依据技术文件规定的问题JJF 1059-1999 文件文件 8.2 中指出：中指出：“在工业、商业等日常的大量测量中，有时在工业、商业等日常的大量测量中，有时虽然没有任何明确的不确定度报告，但所用虽然没有任何明确的不确定度报告，但所用的测量仪器是经过检定处于合格状态，并且的测量仪器是经过检定处于合格状态，并且测量程序有技术文件明确规定，则其不确定测量程序有技术文件明确规定，则其不确定度可以由技术指标或规定的文件评定。度可以由技术指标或规定的文件评定。” 拉伸试样横截面积的测量拉伸试样横截面积的测量 在量化此分量时多数人是根据千分在量化此分量时多数人是根据千分尺的最大误差。有的人则进行反复尺的最大误差。有的人则进行反复测量。测量。在测量时无法得知试验后的断裂位在测量时无法得知试验后的断裂位置；置；GB/T 228-2002标准中试样标准中试样的加工除规定了尺寸公差外，还规的加工除规定了尺寸公差外，还规定了形状公差。再加上实验现场的定了形状公差。再加上实验现场的实际清洁条件等限制实际清洁条件等限制 GB/T 228-2002标准要求来选用量具或测量装标准要求来选用量具或测量装置。在试样横截面尺寸置。在试样横截面尺寸2.010.0mm时，分时，分辨力不大于辨力不大于0.01mm，因此选用千分尺来测量。，因此选用千分尺来测量。GB/T 2282002标准标准B4中给出，中给出，测定原始横截面积时，测定原始横截面积时，测量每个尺寸应准确到测量每个尺寸应准确到0.5%。是经过大量统计得出的，是经过大量统计得出的，在评定工作中可直接引用。在评定工作中可直接引用。 试样断后横截面积的测量误差不取决于量具，试样断后横截面积的测量误差不取决于量具，断后缩径处最小直径测量用卡尺，断后缩径处最小直径测量用卡尺，由于断口配接存在一定困难，由于断口配接存在一定困难，实际的测量误差要远大于量具的误差。实际的测量误差要远大于量具的误差。GB/T 2282002标准标准19.1中规定中规定断裂后最小横截面积的测定应准确到断裂后最小横截面积的测定应准确到2%。 试样的的标距距试样原始原始标距由划距由划线操作和操作和测量来决量来决定的，因此量化定的，因此量化该项不确定度分量不确定度分量时仅仅考考虑量具是量具是远远不不够的。的。按按GB/T 2282002GB/T 2282002标准中准中规定定原始原始标距的距的标记应准确到应准确到1% 断后伸长率不确定度的评定断后伸长率不确定度的评定GB/T 228-2002GB/T 228-2002国家国家标准中，准中，对断后伸断后伸长的规定有误。的规定有误。如果按照该标准的规定来评定不确定度，如果按照该标准的规定来评定不确定度，即使方法正确，也不能得到正确的结果。即使方法正确，也不能得到正确的结果。GB/T 2282002标准中规定，标准中规定，原始标距原始标距L0 应准确到应准确到1%，断后标距断后标距Lu 应准确到应准确到0.25mm，L0 与与Lu 两个量相关，且相关系数接近两个量相关，且相关系数接近1。如果如果L0=50mm 可相差到可相差到0.5mm 与Lu 应准确到应准确到0.25mm矛盾矛盾GB/T 2282002标准标准等效采用等效采用 ISO 6892：1998（E）ISO 6892的的 11.1中规定中规定断后伸长（断后伸长（Lu-L0）的测量应准确到）的测量应准确到0.25mm在评定测量不确定度时应该采用该规定在评定测量不确定度时应该采用该规定L 与与 L0 彼此不相关彼此不相关2. 拉力试验力值的测量拉力试验力值的测量 不确定度分量评定不确定度分量评定 标准测力仪的不确定度分项标准测力仪的不确定度分项 1 级试验机的力值允差为级试验机的力值允差为 1.0% 0.5级试验机的力值允差为级试验机的力值允差为0.5% 许多人以为许多人以为0.3级标准测力仪的力值允差分级标准测力仪的力值允差分0.3% 0.1级标准测力仪的力值允差为级标准测力仪的力值允差为0.1% 0.3级标准测力仪的级标准测力仪的R 为为0.3% 0.1级标准测力仪的级标准测力仪的R 为为0.1% 计算机数据采集系统带来的计算机数据采集系统带来的 相对标准不确定度相对标准不确定度 在评定力值不确定度分项时，在评定力值不确定度分项时，往往遗漏计算机数据采集系统的不确定度分项往往遗漏计算机数据采集系统的不确定度分项JJF 1103-2003 万能试验机计算机数据采集系统评定万能试验机计算机数据采集系统评定 B3中，中，合格的计算机数据采集系统所引入的合格的计算机数据采集系统所引入的B类类相对标准不确定度为相对标准不确定度为 0.210-2 拉伸杨氏模量试验中拉伸杨氏模量试验中 力值不确定度分量评定力值不确定度分量评定轴向力增量轴向力增量 F 为为 A、B 两点力值之差，即：两点力值之差，即： F = FA FB 3. 不确定度的不确定度的A类评定类评定评定时必须考虑评定时必须考虑 拉伸性能重复性较差。拉伸性能重复性较差。A类不确定度分量贡献较类不确定度分量贡献较大时，大时，n 不宜太小。不宜太小。 n 小于小于10，按贝塞尔公式，按贝塞尔公式计算标准偏差可乘上安全因子计算标准偏差可乘上安全因子 T 可以考虑采用极差法来计算标准偏差可以考虑采用极差法来计算标准偏差 评定评定A类不确定度时应明确是采用单次试验，类不确定度时应明确是采用单次试验，还是几次（还是几次（m次）试验平均次）试验平均 4. 力学性能试验中不确定度力学性能试验中不确定度 分量的相关性分量的相关性 拉伸试样原始截面拉伸试样原始截面 S0 大，大，断后最小横截面积断后最小横截面积 Su 也一定大，也一定大，二者强相关。可近似认为其二者强相关。可近似认为其相关系数为相关系数为1。则各则各不确定度分项为线性和关系不确定度分项为线性和关系 试样原始标距试样原始标距L0 与断后伸长与断后伸长 Lu 也应该是强相关。也应该是强相关。 薄板和薄带塑性应变比（薄板和薄带塑性应变比（r 值）试验中值）试验中L/L0 与与 b/b0 相关相关 5.引伸计带来的不确定度分项引伸计带来的不确定度分项 评定中的问题评定中的问题 引伸计的误差极限引伸计的误差极限 一级引伸计的误差极限为一级引伸计的误差极限为1.0%。变形量小于变形量小于0.3mm时，误差极限为时，误差极限为0.3m。测量弹性模量，变形量往往都小于测量弹性模量，变形量往往都小于0.3mm 。 拉伸拉伸杨氏模量氏模量试验中中轴向向变形增量形增量 不确定度分量的不确定度分量的评定定 经常犯的常犯的错误是将引伸是将引伸计的不确定度的不确定度 当成了当成了轴向向变形增量形增量的不确定度。的不确定度。6. 金属硬度试验测量不确定度金属硬度试验测量不确定度评定中的几个问题评定中的几个问题 金属金属硬度硬度试验测量不确定度的评试验测量不确定度的评定是通过标准硬度块传递的模式定是通过标准硬度块传递的模式进行的，实际上进行的，实际上千分尺千分尺、卡尺卡尺等等其它领域的测量不确定度评定，其它领域的测量不确定度评定，也普遍是这种模式。因此把这种也普遍是这种模式。因此把这种评定模式弄清楚特别有意义。评定模式弄清楚特别有意义。2003年年4月月17日国际标准化组织日国际标准化组织ISO/TC 164/SC 3 硬度分委员硬度分委员会发出的一份会发出的一份ISO/CD 6508-1 讨论稿中，由德国人提交的一份讨论稿中，由德国人提交的一份金属材料硬度试验草案金属材料硬度试验草案 硬度硬度计允允许误差差引起的引起的标准不确定度分准不确定度分项；标准硬度块标准硬度块引起的标准不确定度分项；引起的标准不确定度分项；用标准硬度块用标准硬度块检定时平均值检定时平均值的标准不确定度分项；的标准不确定度分项；试样硬度试样硬度测量重复性测量重复性引起的标准不确定度分项；引起的标准不确定度分项；测量系统的测量系统的分辨力分辨力引起的标准不确定度分项。引起的标准不确定度分项。 谢谢谢谢