金属拉伸力学性能测试试验基础研究

International Standard ISO 6892-2 maintains that testing temperature variations and the strain rate variations can induce the measurement uncertainty of mechanical property in tensile testing. Therefore it was found that present tensile test is a paradox. The first mechanism of measurement uncertainty on mechanical property was suggested based on the microscopic theory of elastic deformation that the tension stress during the stage of elastic deformation in tensile testing will induce the variation of solute concentration at grain boundaries and at dislocations to induce the measurement uncertainty. A new system of tensile testing was suggested that a curve of “mechanical property --- tensile strain rate “was measured at a constant temperature and the original mechanical property and the variation of the property during service of tested metals can be obtained from this curve. In this project the curve of “mechanical property --- tensile strain rate “will be measured to determine the original mechanical property and the variation of the property during service of tested metals experimentally. The solute concentrations at grain boundaries and dislocations of specimens corresponding to various points at the curve were measured with three-dimensional atom probe tomography (3DAPT) and Auger electron spectroscopy to check the mechanism of measurement uncertainty and the new system of tensile testing. That will give out a theory and experimental basis for establishing new system and standard of tensile testing.

国际标准组织金属力学性能测试技术委员会认定，拉伸试验温度或应变速率改变引起力学性能测试结果的不确定性。本项目发现，这种测试不确定性导致现行拉伸试验技术体系不可行，成为一个悖论。本项目提出拉伸试验测试不确定性的弹性变形机理: 拉伸试验弹性变形阶段，张应力作用改变了晶界周围和位错科垂尔气团溶质（杂质）原子浓度，引起力学性能测试的不确定性。提出一个拉伸试验新技术体系框架， 即在一定温度下，测试“力学性能----拉伸应变速率”曲线，由此曲线确定金属拉伸前的原始力学性能，和张应力作用下服役，力学性能随服役时间的变化。本项目将测量出试验合金的这一曲线，确定出合金拉伸前的原始力学性能，和应力作用下的服役，力学性能随服役时间的变化。用三维原子探针和俄歇谱技术，定量测量此曲线上相应试验点的晶界和位错气团的溶质浓度，试验证实弹性变形机理和拉伸试验新技术体系框架。

金属拉伸温度改变和拉伸速率改变都会引起拉伸试验结果的改变，称为拉伸力学性能测试不确定性。这一不确定性使金属试样在一个温度一个应变速率下的拉伸试验结果，一般不是试样拉伸前的状态对应的原始力学性能能。因此，自伽利略时代开始，这些拉伸试验结果一直被错误的解读为原始力学性能，因此形成悖论。21世纪初，我们提出了金属弹性变形的微观理论，证实在金属的弹性变形过程中，发生原子层次上微观结构的变化，导致晶界附近和位错周围溶质（杂质）原子浓度的改变。这一微观理论在本项目中用于解释上述拉伸力学性能测试不确定性机理，不同的拉伸温度和速率，对应不同的拉伸试验中的弹性变形时间，不同的晶界附近和位错周围溶质原子浓度，因而，不同的拉伸力学性能。在此基础上，一个拉伸试验新技术系统被提出，即提出一定温度下的“力学性能 -- 拉伸应变速率”曲线，表征原始力学性能，拉伸速率越快，对应的曲线上的力学性能越接近原始力学性能，且存在着充分快的拉伸速率，在曲线上获得试样的原始力学性能。这一曲线表示了试验金属在张应力作用下服役，力学性能随服役时间的变化。此外，曲线上每一点表示的力学性能，是以曲线上此点所对应的应变速率加工变形时，试验金属的力学性能。高熵合金的最新试验结果进一步证实了上述理论技术体系。本项目的这些结果展现了这一新的理论技术系统，改变了金属力学的理论框架和试验技术系统。