劉 武

(上海質(zhì)偉企業(yè)管理咨詢有限公司, 上海 200126)

試驗室間比對，是按照預(yù)先規(guī)定的條件，由兩個或多個試驗室對相同或類似的物品進行測量或檢測的組織、實施和評價[1]。在試驗室質(zhì)量控制活動中，試驗室間比對因受參加者規(guī)模等因素限制一直未能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。第三方能力驗證活動，也因組織者權(quán)威性不足，或比對發(fā)起者統(tǒng)計力量薄弱而未受到試驗室能力評價機構(gòu)的全面認可。

但作為試驗室質(zhì)量控制活動之一的試驗室間比對，因其方式方法靈活、成本低廉、周期較短、試驗室自愿性和主動性較強等優(yōu)勢而受到諸多擬提升自身質(zhì)量控制水平的試驗室青睞。

2020年以來，因受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，很多試驗室的設(shè)備校準、能力驗證等服務(wù)不能及時獲得。筆者公司受部分試驗室委托開展了一次金屬板材室溫拉伸試驗室間比對，以期通過比對活動提升各參加試驗室的質(zhì)量控制水平，確保檢測結(jié)果的良好精密度。

在歷次進行的拉伸能力驗證計劃中，圓棒拉伸試樣經(jīng)常被能力驗證(PT)計劃提供者采用。這是因為圓棒試樣取材于中厚規(guī)格結(jié)構(gòu)鋼，而隨著冶金工藝裝備的現(xiàn)代化水平日益提升，獲得性能均勻穩(wěn)定的熱軋結(jié)構(gòu)鋼板在技術(shù)上已相當成熟[2]。因此，本次試驗室間比對活動主要圍繞熱軋鋼板室溫拉伸試驗進行。

1 試樣制備

1.1 試樣選擇及生產(chǎn)

金屬板材室溫拉伸試驗室間比對樣品及測試項目應(yīng)盡可能反映試驗室常規(guī)的檢測指標、尺寸規(guī)格，并能反映參加試驗室的能力。因此策劃開展的金屬板材室溫拉伸試驗項目為抗拉強度(Rm)、規(guī)定塑性延伸強度(Rp0.2)、斷后伸長率(A)等3個常規(guī)指標。

筆者公司作為該次試驗室間比對發(fā)起方之一，特邀請青山實業(yè)旗下的印尼永青集團公司作為本次試驗室間比對樣品的生產(chǎn)制造方。樣品從規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品中選材制備，針對這些產(chǎn)品的生產(chǎn)，從成分設(shè)計、冶煉、軋制、酸洗等環(huán)節(jié)開始即由冶煉及壓延專家進行跟蹤質(zhì)量管控。主要采取的控制措施如下：

(1) S30400不銹鋼在ASTM A240標準成分要求基礎(chǔ)上，結(jié)合制造方自身生產(chǎn)經(jīng)驗建立化學(xué)成分內(nèi)控標準，通過建立窄限的化學(xué)成分接受準則以穩(wěn)定產(chǎn)品的力學(xué)性能。

(2) 在冶煉過程中，嚴格控制夾雜物水平，確保A、B、C、DS各類非金屬夾雜物控制在1.0級以下。

(3) 軋制過程中嚴格控制鋼坯出爐溫度及終軋溫度，軋制比大于6…1以保證軋坯的變形量。

(4) 選擇同一澆次產(chǎn)品對應(yīng)軋制成品的中間爐次及中間軋制批次的產(chǎn)品作為試樣坯。

1.2 試樣均勻性檢驗

拉伸試驗結(jié)果的精密度受到多方面因素的影響，引起測量不確定度的主要因素包括試樣材料的不均勻性、試樣的幾何尺寸及截面積、測量重復(fù)性、最大力、拉伸速率等[3]。故在樣品準備時應(yīng)對樣品均勻性進行檢驗。

綜合考慮樣品特性、試驗室內(nèi)的重復(fù)性、試驗方法的重復(fù)性和試驗室間的變動性，各試驗室金屬板材室溫拉伸中抗拉強度測試結(jié)果的目標標準偏差在均值的±3%，規(guī)定塑性延伸強度的測試結(jié)果的目標標準偏差在均值的±6.5%，斷后伸長率的測試結(jié)果的目標標準偏差在均值的±12.6%。因此，樣品各特性的分散程度(標準偏差)按上述預(yù)期目標值的0.3倍來設(shè)計和控制。

CNAS GL003:2018《能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南》給出了樣品的均勻性和穩(wěn)定性檢驗方法，金屬板材樣品的力學(xué)性能穩(wěn)定性較好，因此不進行穩(wěn)定性檢驗，只考慮均勻性檢驗。

該次試驗室間比對選用印尼永青集團有限公司生產(chǎn)的S30400不銹鋼薄板，試樣坯靜置24 h后機加工成厚度3 mm，平行長度70 mm，寬度25 mm，總長250 mm的板條試樣30組，并逐一編號，每組3個試樣。按隨機數(shù)表隨機抽取10組樣品進行均勻性檢驗，剩下20組樣品用于試驗室間比對的樣品分發(fā)。將隨機抽取10組樣品的每組視為組間，每組3個樣品的測試結(jié)果視為組內(nèi)的重復(fù)性測試。在重復(fù)性條件下，試樣由10 a(年)以上的認可試驗室，經(jīng)過同一技術(shù)熟練的人員在同一試驗機上，依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標準要求，在短時間內(nèi)完成上述樣品的測試。得到的抗拉強度Rm均勻性檢測原始數(shù)據(jù)見表1，初步統(tǒng)計結(jié)果見表2，單因素方差分析見表3。

表1 抗拉強度均勻性檢驗原始數(shù)據(jù)Tab.1 Original data of tensile strength uniformity inspection MPa

表2 抗拉強度均勻性檢驗統(tǒng)計Tab.2 Test statistics of tensile strength uniformity MPa

表3 抗拉強度均勻性檢驗單因素方差分析Tab.3 One-way analysis of variance of tensile strength uniformity test

由表3可知，F(xiàn)=0.956 6

表4 抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度及斷后伸長率的 均勻性檢驗單因素方差分析匯總表Tab.4 Summary of one-way analysis of variance for uniformity inspection of tensile strength, specified plastic elongation strength and elongation after fracture

表4的分析匯總結(jié)果表明，抗拉強度Rm、規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2及斷后延伸率A的檢驗結(jié)果的F值0.05，表明沒有顯著性差異。

計算不均勻性標準偏差Ss，按CNAS GL003:2018《能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南》中Ss≤0.3σ準則進行評價并驗證，樣品均勻性驗證結(jié)果報告見表5。

表5 樣品均勻性驗證結(jié)果(Ss≤0.3σ)Tab.5 Sample uniformity verification results(Ss≤0.3σ)

鑒于拉伸試驗為破壞性試驗且每根試樣材料相對獨立的特殊性，可參照GB/T 228.1-2010附錄M與ISO 6892-1：2019《金屬材料室溫拉伸試驗方法》附錄L中X2CrNi18-10奧氏體不銹鋼相應(yīng)指標的試驗室間比對再現(xiàn)性結(jié)果(95%置信概率)轉(zhuǎn)化為參考精密度指標(參考相對標準偏差)，均勻性檢驗獲得的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度及斷后伸長率的均值相對標準偏差與參考相對標準偏差的1/3進行比較。比較數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

表6 樣品均勻性驗證結(jié)果(1/3參考相對標準偏差)Tab.6 Sample uniformity verification results (1/3 reference relative standard deviation)

通過與參考相對標準偏差的1/3進行比較可以看出，規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2和斷后伸長率A的均勻性檢驗數(shù)據(jù)的相對標準偏差優(yōu)于參考相對標準偏差的1/3，驗證通過。抗拉強度Rm驗證未通過。本次參考相對標準偏差直接引用了GB/T 228.1-2010附錄M與ISO 6892-1：2019附錄L中奧氏體不銹鋼X2CrNi18-10的再現(xiàn)性數(shù)據(jù)。X2CrNi18-10材料雖然與試驗室間比對樣品為同類鋼，性能也最接近。但本次試驗室間比對樣品材料為S30400不銹鋼，化學(xué)成分中鎳元素含量為8.10%(質(zhì)量分數(shù))，與X2CrNi18-10鋼差別仍然較大?？估瓘姸染鶆蛐詸z驗得到均值為720.3 MPa，標準中X2CrNi18-10鋼抗拉強度為594 MPa，相差較大。引起材料力學(xué)性能差別較大的原因可能與化學(xué)成分及熱處理狀態(tài)有關(guān)。同時該類材料在制造方試驗室對同一批次產(chǎn)品重復(fù)檢測的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計中抗拉強度的相對標準偏差也未能達到該參考相對標準偏差的1/3的要求。因此利用檢測標準中給出的試驗室間結(jié)果再現(xiàn)性轉(zhuǎn)化為參考相對標準偏差對抗拉強度的均勻性驗證可靠性不強。

通過F檢驗、樣品不均勻性標準偏差及相對標準偏差的比較及綜合考慮，3個檢測項目樣品均勻性驗證滿足要求，確保了試驗室間比對出現(xiàn)的不滿意結(jié)果可以歸咎于試驗室的能力而非樣品之間的差異性。

1.3 樣品分發(fā)及試驗

1.3.1 參加對象

該次試驗室間比對由9家試驗室參與，涉及的行業(yè)有鋼鐵冶煉、壓延加工、汽車零部件制造、檢驗檢測服務(wù)等。

1.3.2 檢測方法

該次試驗室間比對的試驗方法為GB/T 228.1-2010的應(yīng)變速率控制模式(方法A)和應(yīng)力速率控制模式(方法B)，試驗室根據(jù)自身能力選擇試驗方法，該項試驗包括抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、斷后伸長率等3個項目。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正態(tài)分布檢驗

根據(jù)各試驗室結(jié)果，對這些數(shù)據(jù)結(jié)果采用正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明各試驗室的試驗結(jié)果滿足正態(tài)分布，未出現(xiàn)雙峰或多峰，如圖1所示。具備用參加試驗室數(shù)據(jù)結(jié)果的中位值來估計樣本總體的均值，再采用標準化四分位距(NIQR)來度量樣本數(shù)據(jù)的分散程度的數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)。

圖1 各試驗室試驗結(jié)果的正態(tài)分布檢驗Fig.1 Normal distribution test of test results in each laboratories: a) tensile strength; b) specified plastic elongation strength; c) elongation after fracture

2.2 試驗室比對結(jié)果的評價方法

依據(jù)CNAS-GL002：2018《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》，試驗結(jié)果采用四分位穩(wěn)健統(tǒng)計技術(shù)處理，采用試驗結(jié)果的中位值來估計樣本總體的均值，并作為指定值，采用標準化四分位距(NIQR)來度量樣本數(shù)據(jù)的分散程度，以減少極端結(jié)果對平均值和標準偏差的影響。分別計算3個檢測項目的Z比分數(shù)，|Z|≤2，表明“滿意”，無需采取進一步措施； 2<|Z|<3，表明“有問題”，產(chǎn)生警戒信號； |Z|≥3，表明“不滿意”，產(chǎn)生措施信號。

2.3 試驗結(jié)果及統(tǒng)計

參加該次試驗室間比對的9家試驗室中，1家因試樣夾具不匹配導(dǎo)致試樣打滑未報出結(jié)果，其余8家試驗室在規(guī)定的時間內(nèi)報出結(jié)果。針對8家試驗室數(shù)據(jù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，表7為抗拉強度Rm試驗結(jié)果及Z比分數(shù)，表8為抗拉強度的統(tǒng)計檢驗結(jié)果，表9為規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2試驗結(jié)果及Z比分數(shù)，表10為剔除離群值后規(guī)定塑性延伸強度的統(tǒng)計檢驗結(jié)果，表11為斷后伸長率A試驗結(jié)果及Z比分數(shù)，表12為斷后伸長率的統(tǒng)計檢驗結(jié)果。

表7 抗拉強度試驗結(jié)果及Z比分數(shù)Tab.7 Tensile strength test results and Z-scores

表8 抗拉強度的統(tǒng)計檢驗結(jié)果Tab.8 Statistical test results of tensile strength

表9 規(guī)定塑性延伸強度試驗結(jié)果及Z比分數(shù)Tab.9 Specified plastic elongation strength test results and Z-scores

表10 剔除離群值后規(guī)定塑性延伸強度的統(tǒng)計檢驗結(jié)果Tab.10 Statistical test results of specified plastic elongation strength after excluding outliers

表11 斷后伸長率試驗結(jié)果及Z比分數(shù)Tab.11 Elongation after fracture strength test results and Z-scores

表12 斷后伸長率的統(tǒng)計檢驗結(jié)果Tab.12 Statistical test results of elongation after fracture

2.4 離群值判斷及分析

為避免試驗室極端異常值對指定值的過度影響以及對系統(tǒng)靈敏度的影響，避免統(tǒng)計系統(tǒng)的判斷力不足或發(fā)生偏差，應(yīng)采用格布拉斯穩(wěn)健統(tǒng)計技術(shù)對極端異常值進行檢驗，通過專家判斷異常后，一并剔除這些出現(xiàn)極端異常值的數(shù)據(jù)組及試驗室。之后再采取四分位數(shù)穩(wěn)健統(tǒng)計方法對剩余數(shù)據(jù)組計算各檢測項目的Z比分數(shù)，并作為最終評價值。該次試驗室間比對試驗室代碼03的規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2經(jīng)過格布拉斯檢驗為離群值?？估瓘姸萊m及斷后伸長率A沒有離群值。

2.5 分析與評價

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，該次試驗室間比對活動，抗拉強度項目有一家試驗室結(jié)果有問題，其余試驗室結(jié)果滿意。規(guī)定塑性延伸強度有一家試驗室結(jié)果離群，其余試驗室結(jié)果滿意。斷后伸長率有8家試驗室結(jié)果均為滿意。該次試驗室間比對活動的3個檢測項目的Z比分數(shù)柱狀圖如圖2所示。

圖2 抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度及斷后伸長率的Z比分數(shù)柱狀圖Fig.2 Histogram of Z ratio fraction of a) tensile strength, b) specified plastic elongation strength and c) elongation after fracture

從Z比分數(shù)分析結(jié)果得到的穩(wěn)健變異系數(shù)，可以衡量試驗室間比對試驗項目的分散程度，其中Rm的穩(wěn)健變異系數(shù)為1.98%，Rp0.2的穩(wěn)健變異系數(shù)為0.73%，A的穩(wěn)健變異系數(shù)為2.35%。試驗室結(jié)果的總體分散性，Rp0.2、Rm、A依次增大。與通過均勻性檢驗對比各項目的相對標準偏差得到的分散性基本一致。

3 結(jié)論

(1) 通過對9家試驗室結(jié)果數(shù)據(jù)實施穩(wěn)健統(tǒng)計分析，在試驗室間比對活動中，運用Z比分數(shù)評價方法，剔除離群值后，將參加試驗室測試結(jié)果的中位值作為指定值，標準化四分位距作為能力評定標準差可以減少極端異常值對指定值及結(jié)果分散程度的影響，使得統(tǒng)計分析結(jié)果及判斷更符合客觀實際，可以在試驗室比對活動中廣泛應(yīng)用。

(2) 樣品的均勻性檢驗，將每組樣品的3個試樣的結(jié)果作為組內(nèi)重復(fù)性檢驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過本次單因素方差分析得出不均勻性標準偏差在估計標準偏差的0.3倍以內(nèi)，驗證基本可行、有效。

(3) 該次估計標準偏差為根據(jù)大量的歷史檢驗數(shù)據(jù)經(jīng)驗得出。預(yù)計規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2的估計標準偏差較高，但該次比對的試驗室結(jié)果的穩(wěn)健變異系數(shù)顯示Rp0.2對比Rm較小?？赡芘c本次試驗室間

比對活動參加者數(shù)量較少，統(tǒng)計樣本不足有關(guān)。這些將在今后的比對活動中值得進一步研究探討。