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    从金属弹性变形理论的突破到对拉伸试验标准的质疑

    日期 2014-01-10   来源:工程与材料科学部 材料一处   作者:郑雁军  【 】   【打印】   【关闭

    第1期
    (总第662期)

      英国物理学家胡克在十七世纪提出了著名的胡克定律,指出在弹性限度内,物体的形变和引起形变的外力成正比。直到现在,此定律仍然是金属弹性变形宏观理论的基本框架。但是,大量的工程实践表明,金属结构材料在服役过程中,即使是弹性应力作用下,也会发生性能退化、疲劳、蠕变甚至无征兆的脆性断裂。因此,弹性应力下金属结构材料会发生怎样的微观结构变化,以及对性能产生什么样的影响,是人们普遍关注的问题。

      钢铁研究总院徐庭栋研究组,在国家自然科学基金的长期资助下,从上世纪末开始,逐步创建了一个从微观机制、结构到性能的完整的金属弹性变形理论体系。最近,应International Materials Reviews国际期刊的邀请,发表综述文章(Xu Tingdong, Zheng Lei, Wang Kai and R. D. K. Misra, Inter. Mater. Rev., (2013) Vol.58 (5) 263-295),评述了他们在这一方向上的进展。

      徐庭栋研究组提出,金属在发生弹性变形时,晶界会优先产生和时间相关的滞弹性变化。具体地说,张应力所引起的金属弹性变形过程中,金属晶体中的原子空位(晶体点阵本应有原子排列的点,由于原子缺失所形成的空位)会向晶界偏聚,并造成金属中溶质原子向晶界的非平衡偏聚。在压应力所引起的金属弹性变形过程中,金属的晶界会发射空位,并引发溶质原子在晶界的非平衡贫化。在此理论框架下,徐庭栋研究组建立了晶界驰豫平衡的溶质浓度方程,提出了张应力引起的弹性变形过程中存在着晶界上溶质浓度达到极大值的弹性变形时间,建立了晶界溶质浓度随变形时间而变化的动力学方程。相关实验验证了理论的有效性。

      作为金属弹性变形理论的重要工程应用,徐庭栋研究组发现,按照现在通行的金属材料拉伸试验标准,很可能会误判金属的力学性能,一定程度上限制了金属的加工和使役潜能,其原因在于拉伸试验过程的弹性变形阶段会改变被测金属原有的强韧性,普遍地引起金属的晶间脆性。因此,该课题组应国际标准组织ISO的金属力学性能测试技术委员TC164的邀请,在2013年该组织的年会上两次报告了对现行拉伸试验国际技术标准ISO6892-2:2011的质疑,得到各国与会代表的关注。

      徐庭栋研究组建立的弹性变形理论,提出了对拉伸试验,乃至对整个金属材料力学性能认识基础的质疑。如果从根本上修改应用如此广泛的技术标准,将可能对试验室的拉伸试验工艺和试验设备改造,甚至对金属强韧性基础数据的认识都产生重要影响。




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