摘要：本文介绍了测量不确定度在金属夏比（V型缺口）室温冲击试验中的应用，并对影响冲击试验结果的测量不确定度做了详细评定，从试样的形状和尺寸、缺口底部的光洁度、冲击试验机、试验温度、检查试样尺寸量具的最小分度值五方面分析了不确定度的来源，对各分量进行了计算、合成并作出评定。
我国JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》计量技术规范和GB/T15481-2000 idt ISO/IEC17025:1999《检测和校准实验室能力的通用要求》发布以后，对于检测实验室来说在不确定度的评定与表示方面还处于刚刚起步的探索阶段。本文就以检测实验室的检测项目------金属夏比缺口（V型）室温冲击试验为例对影响其试验结果的不确定度因素进行了分析和评定。
1 概述
（1） 测量方法：依据GB/T229-1994 金属夏比缺口冲击试验方法
（2） 环境条件：室温冲击试验应在10~35℃进行，对试验温度要求严格的试验应在20±2℃进行，本试验在21℃条件下进行。
（3） 测量仪器：JB-30A冲击试验机。
（4） 被测对象：厚度δ=12mm，材质为16MnR、采用焊条电弧焊的焊件。
（5） 其它有关说明（包括评定结果的使用）：符合上述条件或条件十分接近者一般可直接用本不确定度的评定结果，其它可使用本不确定度的评定方法。
2 数学模型的建立：
常温冲击的冲击试验结果可直接显示，所以数学模型为Y= ，式中， 为被测焊件冲击读出值，Y为被测焊件冲击测定值。
3 测量不确定度来源的分析
因为本试验讨论的是常温冲击，假设试验是在恒温条件下进行，即不考虑温度效应引起的不确定度分量，金属夏比缺口（V型）常温冲击试验结果测量不确定度主要来源于下列几方面（如表1所示）：
金属夏比缺口（V型）常温冲击试验结果测量不确定度一览表（表1）
序号 | 不确定度来源 | 符号 | 相对标准不确定度分量 |
1 | 试样的形状和尺寸 | μsr | μar、μbr |
2 | 缺口底部光滑度 | μgr |
|
3 | 试验机 | μjr | μjr1、μjr2、μjr3、μjr4 |
4 | 温度 | μwr |
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5 | 检查试样尺寸量具的最小分度值 | μfr |
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4 不确定度分量的评定
4.1 试样形状和尺寸引入的相对标准不确定度μs
试样的形状和尺寸采用国际上通用的形状和尺寸，标准试样为10×10×55mm，中间带2mmV型缺口的试样。试样缺口处横截面尺寸公差的大小，直接进入试验测定的误差，允许大的尺寸公差必然引起 的偏差与分散性大。缺口处净面积为S=a·b，式中a为宽度，b为缺口底下的厚度。标准GB/T229-1994中规定a和b尺寸公差均为±0.05mm，故宽度a的最大相对允差为±0.05/10=±0.5%，设测量值落在该区间内的概率分布为均匀分布，k= ，因此由宽度a引入的相对标准不确定度为μar=0.5%/ =2.89×10－3。
厚度b的最大相对允差为：±0.05/8=±0.625%，同宽度一样，可认为此分布为均匀分布，k= ，因此，由厚度b引入的相对标准不确定度为μbr=0.625%/ =3.6×10－3。故由缺口处净面积S引入的相对标准不确定度为：
4.2 由缺口底部光洁度引入的相对标准不确定度μgr
缺口底部的光洁度对某些金属材料的冲击试验结果是有些影响的，缺口底部光洁度低会使冲击吸收功偏低，但国际上多数国家均规定试样缺口应光滑，无与缺口轴线平行的划痕，而没有规定具体定量指标。GB/T229-1994中规定仅在仲裁时试样缺口底部表面粗糙度参数Ra应不大于1.6μm，至于日常检验，则只要求试样缺口底部应光滑。评定缺口底部的光洁度大多数使用标准光洁度块目视对比评定，用一般的铣、拉方法就能达到日常检验要求的光洁度，故由缺口底部光洁度引入的相对标准不确定度可忽略。
4.3 由冲击试验机引入的相对标准不确定度μjr
4.3.1 由标尺刻度精确度引入的相对标准不确定度分量μjr1
刻度的精确度直接影响试验误差，尤其对小能量的试验结果更不容忽视。本试验室采用的是宁夏吴忠试验机厂生产的JB-30A型冲击试验机，以满量程300J计量，则在各点引起的相对误差如表2所示：
表2
能量，J | 1 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
相对误差，% | 6 | 3 | 2 | 1.5 | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.24 | 0.2 |
表2表明，能量≤30J以下范围的相对误差是不容忽视的，故在标准GB/T229-1994中7.2条中规定冲击试验机一般在摆锤最大能量的10%~90%范围内使用，故在10%~90%范围内使用时的最大相对误差为0.2%，可认为示值出现在±0.2%范围内的任何处都是等概率的，而落于该范围外的概率基本为零，即是矩形分布。由JJF1059-1999表3可知k= ，所以由此引入的相对标准不确定度为：
μjr1=0.2%/ =1.15×10－3。
4.3.2 由标准测力仪引入的相对标准不确定度分量μjr2
冲击试验机又是借助于0.3级标准测力仪进行校准的，该校准源的不确定度为0.3%，其置信因子为2，故由此引入的相对标准不确定度为：
μjr2=0.3%/2=0.15×10－2=1.50×10－3。
4.3.3 由试验人员读取冲击试验机示值时引入的相对标准不确定度分量μjr3
试验人员读取冲击试验机示值时引入的不确定度，与试验机度盘的分度值有关，以量程300J为例，1个分度相当于2J，而试验人员可以估读到±0.2个分度，即±0.4J，则相对于满刻度而言，可以估读到±0.4/300=±1.33×10－3，而本例选择的测量对象为：δ=12mm，材质为16MnR的焊件，冲击吸收功为198J，这样±0.4J相对于198J而言，即为±0.4/198=±2.02×10－3。
取±2.02×10－3为冲击示值的读数误差，则读数的可能值出现于此范围内的任何处是等概率的，而落于该范围外的概率基本为零，故呈矩形分布，其相对标准不确定度为：
μjr3=2.02×10－3/ =1.17×10－3。
4. 3.4 由摆锤定打时被动指针的回零差引入的相对标准不确定度分量μjr4
GB/T229-1994中规定：“试验前应检查摆锤空打时被动指针的回零差；回零差不应超过最小分度值的四分之一。”以量程300J为例，最小分度值为2J的试验机，1/4分度值为0.5J，折合满量程相对误差为0.16%，可认为此分布为矩形分布，则由回零差引入的相对标准不确定度分量为μjr4=0.16%/ =9.24×10－4。
鉴于标尺刻度精确度、标准测力仪、读取试验机示值以及被动指针的回零差这四个不确定度分量彼此无关，所以，由冲击试验机引入的相对标准不确定度可合成为：
4.4 由试验温度引入的相对标准不确定度μwr
鉴于本例是研究的室温冲击试验，而且在检测标准GB/T229-1994中对试验温度的要求作了较严格的规定，因此，本例中假定由试验温度引入的相对标准不确定度可忽略不计。
4.5 检查试样尺寸量具的最小分度值引入的相对标准不确定度μfr
标准GB/T229-1994中规定：“检查试样尺寸的量具最小分度值应不大于0.02mm，本实验室采用的游标卡尺最小分度值为0.02mm，最大刻度值为20cm，则由检查试样尺寸量具最小分度值引入的标准不确定度分量为：μfr =0.02/20×10=1.00×10－4。
5 合成标准不确定度
鉴于不确定度分量μsr、μgr、μjr、μwr、μfr彼此不相关，所以，相对合成标准不确定度为：
本例中冲击吸收功为198J，则合成标准不确定度为：
6 扩展不确定度
的扩展不确定度为合成标准不确定度与所选择的包含因子k之积，即
设k=2，则相对扩展不确定度为：
7 不确定度报告
在本次评定条件下，相对扩展不确定度U为2.0J，包含因子k=2，则该试样冲击测定结果可表示为 =198±2.0J，k=2。
本文以δ=12mm，材质为16MnR、采用焊条电弧焊的焊件为例，对其冲击试验检测结果的测量不确定度进行了评定，提供了具有参考价值的思路和方法，有利于检测实验室操作人员对测量结果进行分析、总结，逐步提高自身的检测水平。
参考文献：
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[2] ISO/IEC 17025-1999，检测和校准实验室能力的通用要求[S]．
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[5] 刘智敏著．不确定度原理[M]．北京：中国计量出版社，1993．
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[7] 王承忠．测量不确定度原理及在理化检验中的应用[J]．理化检验-物理分册，2003,39（2）：113-116．
[8] 王承忠．测量不确定度原理及在理化检验中的应用[J]．理化检验-物理分册，2003,39（3）：160-170．
注：
作者简介：张增杰（1972-），男，河北人，毕业于大庆石油学院机械系化工设备与机械专业，工程师，主要从事石油工程建设技术质量管理工作。
