论文题目：Measurement Uncertainty and Representation of Tensile Mechanical Properties in Metals

期刊：Metals

作者：Tingdong Xu,Kai Wang and Shenhua Song

发表日期：29 October 2021

DOI：10.3390/met11111733

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/metals

文章概述

文章从金属拉伸力学性能测试存在不确定性这一试验现象出发 (金属拉伸试验因拉伸温度或应变速率改变，引起拉伸试验测试结果的改变)，解释了现行的拉伸试验技术体系，即在同一个温度和应变速率下的拉伸试验结果，并不能展示试样拉伸前原始状态所对应的原始力学性能。从伽利略时代至今，金属力学的研究者一直在错误地将此试验结果判读为试样的原始力学性能。

文章以金属弹性变形微观理论为基础，解释了拉伸力学性能测试中的不确定性机理：在拉伸试验期间，不同的拉伸温度和应变率导致试样出现不同的弹性变形持续时间，晶界/位错处出现不同的溶质浓度，从而产生不同的力学性能。

以此机理为基础，文章提出了一种新的拉伸试验技术体系，即在给定的试验温度下，用“力学性能-拉伸应变率”曲线来评价原始力学性能。该曲线还可以表征被测金属在使用中的性能随使用时间的变化。新体系的提出将改变金属力学的概念框架和测试技术体系。

实验过程与结果

拉伸试验作为一种测量系统，用于评价金属和合金的强度和塑性。在该试验系统中，金属试样在相对较短的时间内以恒定的应变速率被拉至断裂。拉伸试验系统可以获得金属和合金的力学性能数据，如弹性模量、屈服强度、极限拉伸强度、延伸率和面积收缩率等。这对金属结构设计和工程具有重要的意义。

针对这个测量系统，2011年金属力学性能测试技术委员会 (Technical Committee Mechanical Testing of Metals, ISO/TC164) 指出，拉伸测试的温度和应变速率的变化对结果有明显的影响，产生了与测试设备无关的不确定性。ISO/TC164使用图1和图2来表示与温度和应变速率变化相关的测量不确定性。

图1. 给定应变速率、不同温度下的应力-应变曲线 (R：stress/MPa；e：strain/%；温度：T1 < T2 < T3 < T4 < T5)。

图2. 给定温度850℃、不同应变速率情况下的应力-应变曲线 (R：stress/MPa；e：strain/%；strain rate：e1 > e2 > e3 > e4 > e5)。

作者在1373K下以不同应变速率对Fe-36Ni合金进行拉伸试验 (图3)，同时又在1073K下对TaNbHfZrTi高熵合金也进行了测试 (图4)。

图3. 在1373K下，Fe-36Ni合金断面收缩率和抗拉强度与应变速率的关系。

图4. 在1073K下，TaNbHfZrTi高熵合金屈服强度与应变速率的关系。

由于金属拉伸力学性能测试的不确定性，在同一温度或速率下，现行的拉伸测试技术体系无法解释图3和图4中，哪一应变速率下得到的力学性能是各合金分别在1373K和1073K的力学性能，即原始力学性能。

研究总结

文章基于拉伸试验测试不确定性的弹性变形机理，提出了一个新的拉伸试验技术体系，利用给定温度下的“力学性能-拉伸应变速率”曲线，表征了原始力学性能、服役力学性能，以及加工变形过程中的力学性能。首次建立了微结构与宏观力学性能之间一一对应的关系。

原文出自metals期刊

Xu, T.; Wang, K.; Song, S. Measurement Uncertainty and Representation of Tensile Mechanical Properties in Metals. Metals 2021, 11, 1733.

Metals 特刊征稿

目前，Metals编委宋申华教授在期刊上主持创建的特刊“Embrittlement and Ductility of Metallic Structural Materials”正在征稿中，欢迎相关研究人员提交金属结构材料脆化和延展性方面的最新研究。

Metals期刊介绍

主编：Prof. Dr. Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA

期刊发表涵盖包括金属材料、冶金工程以及科技发展研究领域在内的学术文章。

2020 Impact Factor：2.351

2020 CiteScore：3.4

Time to First Decision：33 Days

Time to Publication：35 Days