מאמר שיטה

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

DOI:

10.3791/59134

⸱

16 בינואר 2019

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Aalto University School of Engineering

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עייפות microstructurally קטן קראק צמיחה התנהגות ייחקר באמצעות גישה מוזרה מתודולוגיים המשלבים קראק צמיחה קצב המדידה זן-שדה וניתוח כדי לחשוף את השדה דפורמציה המצטבר תבואה תת רמה.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בגישה מדידה חדשניים משמש כדי לחשוף את השדה דפורמציה מצטברת ברמה תבואה תת לחקור את ההשפעה של מיקרו על הסדקים עייפות microstructurally קטן. המתודולוגיה ניתוח שדה זן המוצע מבוסס על השימוש של נקישות פיתחה שיטה ייחודית עם גודל חודרני אופיינית של-10 מיקרומטר. המתודולוגיה המפותחות חלה ללמוד את התנהגות קראק עייפות קטן בתוך הגוף ממורכז מעוקב (bcc) Fe-Cr ferritic פלדת אל-חלד עם גודל גרגרים גדולים יחסית המאפשר דיוק המדידה מרחבית גבוהה של תבואה תת רמה. מתודולוגיה זו מאפשרת מדידת הצמיחה סדק קטן עייפות פיגור אירועים, הקשורים הטיה לסירוגין זן לוקליזציה אזורי לפני הטיפ קראק. בנוסף, זה ישויך תבואה כיוון וגודל. לפיכך, המתודולוגיה מפותחת יכול לספק יסוד הבנה עמוקה יותר של עייפות קטן קראק צמיחה ההתנהגות, הנדרשים לפיתוח מודלים תיאורטיים חזקים התפשטות סדק קטן עייפות polycrystalline חומרים .

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פתרונות קלים חדשים נדרשים כדי לשפר את יעילות האנרגיה של כלי רכב, כגון ספינות. ירידה במשקל של מבני פלדה גדול אפשרי באמצעות חומרים מתקדמים פלדה. ניצול יעיל של חומר חדש, הפתרון קל משקל דורש איכות ייצור גבוהה עיצוב עמיד שיטות1,2. שיטת עיצוב עמיד פירושה ניתוח מבנה בתנאים הטעינה מציאותית, כמו גל-induced טעינת במקרה של ספינת תענוגות, כמו גם התגובה חישובים להגדיר דפורמציה של לחצים. רמת הלחץ המותר מוגדרת בהתבסס על פרטים מבניים קריטי. במקרה של מבנים גדולים, אלו הם המפרקים בדרך כלל מולחם עם מיקרו inhomogeneous. אחד האתגרים עיצוב מרכזיים פתרונות קלים חדשים היא עייפות בשל טבעו המצטבר ונקודתי, לעיתים קרובות קבארט לרתך חריצים. על איכות ייצור גבוהה, ההתנהגות עייפות נשלטת על ידי צמיחה קראק (SFC) עייפות קטן מאז הייצור המושרה פגמים הם קטנים מאוד1,3. לפיכך, הבנה בסיסית של צמיחה סדק קטן עייפות חומרים מתכתיים חיונית לשימוש בר-קיימא של פלדות חדשות במבנים ביצועים גבוהים.

עיצוב יעיל של תהליך מסובך כמו עייפות קראק הפצת חומרים מתכתיים polycrystalline בלתי אפשרי ללא הבנה ברורה של תהליכים פיזיים המלווה את מנגנון שבר עייפות. מאמץ משמעותי של קהילת המחקר התמקדו חוקרים עייפות קראק הפצת באמצעות התצפית הויזואלית וניתוח סטטיסטי. עד כה, עייפות קטן קראק צמיחה התנהגות בעיקר נחקר על ידי שיטות תיאורטיות בגלל המגבלות של טכניקות ניסיוני. פיגור קצב הצמיחה עייפות חריגה קראק עבור SFCs מזוהה בדרך כלל עם תבואה גבולות (GB)4,5,6,7,8,9. עם זאת, הסיבות לצמיחה SFC חריגות הן עדיין בדיון. התוצאות המתקבלות על ידי תיאורטי דגמי באמצעות שיטה פריקה דיסקרטית מציג צורה של קיר פריקה, או גבול קצר נמוך-זווית תבואה הנגרמת על ידי וחבישה הנפלטים קצה הסדק עייפות המשפיעים על קצב גדילת קראק10 עייפות ,11,12,13. עד לאחרונה, היה אתגר בניתוח נסיוני מדויק של ההתנהגות צמיחה סדק קטן עייפות. תצפיות ניסיוני נדרשים להתפתחות של עקרונות פיזי מבוסס מודלים.

לניתוח התנהגות מחזורית דפורמציה גשמי-רצוי לקיים מדידות שדה מלא דפורמציה זה יכול להתבצע באתרו במהלך מחזורי טעינה באמצעות תקן מכני מיקרו-סולם בדיקת ציוד, עם רזולוציה מרחבית לפחות, סדר גודל להלן היקף האורך האופייני מיקרו. על מנת להבין את הווריאציות בשיעור הצמיחה של עייפות קראק, זן נמדד שדות מקושרים לעיתים קרובות אלקטרון backscatter עקיפה (EBSD) מדידות של מיקרו גשמי. קרול ואח14 מספקים כמותיים, מלא-שדה ex באתרו מדידה של מתח פלסטיק ליד סדק זמן העייפות הגוברת מבוססות ניקל סופר סגסוגת, מציג היווצרות של האונות אסימטרי, בעקבות הסדק עייפות כציוד פלסטיק. בהגדלה גבוהה יותר, המתאם תמונה דיגיטלי מיקרוסקופ אלקטרונים (DIC) התגלה זן inhomogeneities הקשורות לוקליזציה המתח על הלהקות slip, עם התאום, גבולות תבואה המשפיעים על העייפות לפצח את התנהגות גדילה. עם זאת, דה יוזד באתרו לשעבר מדידה הגישה אינו מסוגל לתפוס את השדה זן במהלך הפצת קראק עייפות. מחקר ניסיוני של blunting פלסטיק במהלך הפצת קראק עייפות ארוך בוצע על ידי פרלטה15 באמצעות DIC באתרו מסחרי טוהר Ni (99.6%). התוצאות חשף כי ההצטברות של דפורמציה פלסטית נשלט על ידי גזירה לאורך הלהקות להחליק זה מורחב לפני הסדק, נטו ביחס לכיוון צמיחה קראק. לוקליזציה זן נצפתה אצל הלהקות slip כנראה נגרמת על ידי העמסת, מאז ערכי מקדם העוצמה של מתח נמוך לגרום אופי מעורב של דפורמציה (הטיה, מאמץ נורמלי)14,15. התפלגות שדה זן הטרוגנית תבואה תת רמה נצפתה עבור סגסוגת אלומיניום אחרים גס16 ו- פלדה דופלקס17, איפה ההפעלה של המערכות slip פריקה היתה משויכת של שמיד החוק16 ,17.

מחקר שבוצע על ידי Malitckii18 בא לידי ביטוי בהתנהגות חריגה של צמיחה SFC נשלטת inhomogeneities זן הקשורים למבנה תבואה או, בפרט, על ידי הצטברות של הטיה זן לוקליזציה אזורי לפני הסדק. עם דפוסי מיקרו-סולם באיכות גבוהה, גרגרים גדולים יותר מאשר 100 מיקרומטר, מיקרוסקופ אופטי DIC זמין תבואה תת באתרו דפורמציה מדידות בפעם הראשונה. עם זאת, Malitckii18, המתודולוגיה הרומן שהוחל מדידה פלסטיק זן שדה באתרו על מאות אלפי מחזורי טעינה לא הציג או בהרחבה. לכן, מטרת מאמר זה היא להציג גישה זו ניסיוני חדש ללמוד התנהגות גדילה קראק עייפות קטן בחומרים polycrystalline המשטר מחזור גבוה. החידוש של הגישה מורכב זן מלא-שדה באתרו מדידה באמצעות טכניקה ייחודית, בנוסף מדד שיעור הצמיחה קראק. כי שיטה זו משתמשת חיישני תמונה אופטי מאפשר לכידת אלפי מסגרות במהלך הבחינה עייפות. אלקטרון backscatter עקיפה (EBSD) משמש אפיון microstructural, בשילוב עם מדידות DIC כדי לחשוף את ההשפעה של תבואה גבולות על עייפות קטן קראק צמיחה פיגור18. הגישה מוחל לשקילת עייפות קטן הפצת הסדק עותק מוסתר 18% Cr ferritic פלדת אל-חלד18 המדמה את אופן הפעולה של פלדה מבנה עבור יישומים מבניים גדולים. בנייר זה, אנו מסבירים את השלבים העיקריים של ההליך מדידה, מספקים דיון סיכום של הממצא העיקרי.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. דגימה. והכנה חישול

  1. מיל הלוחות מפלדת ferritic המקורי עם עובי 3 מ מ (ראה טבלה של חומרים) כדי ליצור את הצלחת עם מאפיין גודל של כ- 200 מ מ x 15 מ"מ x 1 מ"מ.
  2. למקם את הצלחת פלדה המיוצר לתוך הצינור קוורץ, והכניס (ראה טבלה של חומרים) עד הלחץ של mbar-6 בערך 10.
  3. לספק גז ארגון (ראה טבלה של חומרים) לתוך הצינור קוורץ עד הלחץ מגיע על 0.2 mbar.
  4. חותם את הצינור קוורץ עם הדגימה בפנים על ידי חימום קוורץ הצינורית עד טמפרטורת ההיתוך19.
    התראה: ההליך איטום. הוא דבר מסוכן השתמש באמצעי זהירות מתאימים כגון עיניים נאות הגנה, ועוד20.
  5. Anneal לוח פלדה אטום בתוך הצינור קוורץ באמצעות הכבשן קאמרית (ראה טבלה של חומרים) בטמפרטורה של 1200 מעלות צלזיוס 1 h, כיבוי במים.
    הערה: ההליך מחזק מגדיל את גודל גרגרים ממוצע של פלדה למדה עד 350 מיקרומטר מבלי במערך נרחב של חלקיקים קרביד כרום21.
    התראה: ההליך מחזק. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, עקוב אחר ההוראות במדריך תנור קאמרית.
  6. לחתוך דגימות ומחורצים (עם עובי של 1 מ מ) מהצלחת annealed של פלדה ferritic למדה באמצעות פריקה חשמל עיבוד שבבי (EDM, ראה טבלה של חומרים). התכנית של הדגימה מוצג באיור1.
    התראה: ההליך חיתוך EDM. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך EDM.
  7. טוחנים, לשכלל את פני השטח של הדגימה.
    1. לטחון את המשטחים הדגימה באמצעות מכונה שחיקה בנייר אמרי (טבלה של חומרים) עד פני השטח של הדגימה תהיה אחידה.
    2. פולנית על משטחים הדגימה באמצעות את מכונת ליטוש עם 3 מיקרומטר והדבק 1 מיקרומטר יהלום (ראה טבלה של חומרים) למשך 10 דקות.
    3. פולנית השטח הדגימה באמצעות מיקרומטר 0.02 נקודות סיליקה colloidal רטט ליטוש (ראה טבלה של חומרים) במשך כ 4 שעות; פעולה זו נדרשת לצורך ניתוח EBSD.

2. תשישות פיצוח קדם

  1. השפעול להגדיר את הפרמטרים מבחן של עייפות הזחה, הנשלט.
    1. התאם את העקירה מגבלות חדוהmin וחדוהמקסימום של מכונת הידראולי servo (ראה טבלה של חומרים) כך σmin וσמקסימום הם בטווח של-50 MPa ו 300 MPa, בהתאמה.
      התראה: מכונת הידראולי servo. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך במכשיר הידראולי servo.
    2. לבחון את היווצרות הסדק הראשונית לאחר מחזורים 2,000, 5,000, 10,000 באמצעות מיקרוסקופ אופטי (ראה טבלה של חומרים) כדי להגדיר את המספר האופטימלי של עייפות מחזורי ולהימנע קראק נרחב צמיחה.
  2. נושא הדגימה כדי הזחה מבוקר uniaxial מחזורי טעינה עבור כמות מוגדרת של מחזורים.
  3. לבחון את היווצרות הסדק הראשונית לאחר כמות מוגדרת של מחזורי באמצעות מיקרוסקופ אופטי. סדקים הראשונית באורכים עד 20 מיקרומטר מיוצרים בקצה חריץ.
  4. להגדיל את מספר העייפות טעינת מחזורים אם הסדק הראשונית לא הופק.
  5. החלף את הדגימה אם אורך הסדק הראשוני עולה 50 מיקרומטר.

3. אפיון microstructural

  1. לנקות את הדגימה מראש סדוק.
    1. לנקות את הדגימה סדוק מראש עם אצטון עבור 20 דקות באמצעות אולטראסאונד של אמבטיה (ראה טבלה של חומרים).
    2. לנקות את הדגימה סדוק מראש עם אתנול למשך 20 דקות באמצעות אולטראסאונד של אמבטיה (ראה טבלה של חומרים).
  2. סמן לאזור למדה באמצעות microindentations ויקרס כפי שמוצג באיור 2a.
    1. בצע את ההוראות של microindentor ויקרס (ראה טבלה של חומרים) כדי לבצע את סימני microindentation.
    2. להכניס את הדגימה בודק קשיות ויקרס מיקרו (ראה טבלה של חומרים).
    3. להגדיר את הכוח כניסה ב-500 ש
    4. להתאים את המיקום עבור הסימן הראשון של כניסה ויקרס-כ-500 מיקרומטר לצדדים מהקצה חריץ. הכינו את הכניסה השנייה בצד אחר.
    5. להתאים את המיקום בסימן הכניסה השלישית כ-500 מיקרומטר לצדדים, כ-400 מיקרומטר מן הקצה חריץ.
  3. לנתח את מיקרו של פלדה מפני השטח בצד של הדגימה בקרבת החריץ באמצעות אלקטרונים backscatter עקיפה (EBSD) ניתוח (ראה טבלה של חומרים).
    1. בצע את ההוראות של סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים לבצע ניתוח EBSD.
    2. הגדר את רמת ההגדלה ב- 200 x.
    3. להתאים את מיקום הדגימה תחת גלאי EBSD. ודא קצה הרמה ואת שלושת סימני microindentation ויקרס במסגרת EBSD סריקה (ראה איור 2b).
    4. קבע את גודל הצעד EBSD סריקה ברזולוציה 2 מיקרומטר. סריקה משך הוא בערך 1 h.

4. קישוט עם דפוס

  1. לנקות את השטח הדגימה עם אתנול (ראה טבלה של חומרים) למשך 10 דקות באמצעות האמבט אולטראסוניות.
  2. יבש את הדגימה באמצעות מאוורר.
  3. לנקות שקופית מיקרוסקופ בעזרת מפית נייר ספוג עם אתנול (ראה טבלה של חומרים).
  4. להפקיד שכבה דקה של דיו על משטח זכוכית של השקופית מיקרוסקופ. סמן קבוע מספק שכבה אחידה של דיו על משטח זכוכית בעבודת יד.
  5. לחץ כלפי מטה חותמת סיליקון עם התבנית על משטח זכוכית להעביר שכבה של דיו השטח חותמת.
  6. לחץ כלפי מטה חותמת סיליקון מכוסה הדיו על פני השטח הדגימה.
  7. בדוק את איכות דפוס חודרני באמצעות מיקרוסקופ אופטי. להלן דוגמה של תבנית חודרני מוצג באיור3. ראה הפניות22,23 לפרטים על דפוס והדפסה microcontact.
  8. ודא גודל דוגמת המילוי חודרני לפחות 10 פעמים קטן יותר מהגודל התבואה של חומר לימודי.
    הערה: בצע את השלבים 2, 3 ו- 4 במספיק זמן כדי למנוע ייבוש דיו. להגדיר את זמן ייבוש השפעול.

5. עייפות בדיקות עם DIC

  1. הגדר את הדגימה לתוך המכונה הידראולי servo (ראה טבלה של חומרים).
    התראה: מכונת הידראולי servo. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך במכשיר הידראולי servo.
  2. כוונן את הפרמטרים מבחן עומס מבוקר עייפות בעזרת R = 0.1 (σmin = 35 MPa, σמקסימום = 350 MPa) מבחן התדירות של 10 הרץ שליטה בתוכנות של המכונה עייפות.
  3. להגדיר במיקרוסקופ אופטי עם 16 x עדשת זום דיוק (ראה טבלה של חומרים) להסתכלות אופטי של הדגימה מחורץ באזור.
  4. לצייד מיקרוסקופ אופטי עם מצלמה דיגיטלית עם רזולוציה של x 1,536 פיקסלים 2,048 פיקסלים.
  5. התאם את רמת ההגדלה של מיקרוסקופ אופטי באופן ידני.
    1. ודא כי כל מחורץ באזור של הדגימה מתאים לאזור תמונה של מצלמה דיגיטלית.
    2. ודא גודל פיקסל לפחות 5 פעמים קטן יותר מגודל התבנית.
  6. הפעל את בדיקת עייפות וסנכרן עם התמונה למערכת ההקלטה.
    1. לכידת התמונות במהלך זמני (10 s) תחנות הבדיקה עייפות במרווחים של 500 מחזורי.
    2. ודא כי המטען שנערך קבוע עם מתח ממוצע של בערך 210 MPa במהלך ייבוא תמונות.
  7. המשך הבדיקה עייפות עד אורך הסדק מתקרב ערך קריטי או נטו-סעיף פלסטיות מתחיל לשלוט.

6. תוצאות ניתוח

  1. להשתמש בתמונות raw שהושג כדי לבצע את שיעור הצמיחה קראק (CGR) וניתוח DIC באמצעות תוכנה מסחרית (ראו טבלה של חומרים).
    1. השתמש במדריך פעולה לביצוע ניתוח CGR. שימו לב כי הניתוח קצב הצמיחה קראק ניתן לבצע באמצעות תוכנה מסחרית באופן אוטומטי או ידני.
    2. לבצע את הניתוח CGR באופן ידני באמצעות ערכת נתונים של תמונות raw על ידי מדידה של תוספת אורך הסדק לאחר כל אחד 500 מחזורי.
  2. ניתוח של הטיה זן להרכב לאזור למדה באמצעות תוכנה מסחרית.
    1. השתמש במדריך מבצע לבצע הטיה זן דפורמציה ניתוח.
    2. ודא כי המתאם מצב ב'הגדרות סידרה זמן של התוכנה נבחר להיות "ביחס הראשון".
  3. לבצע שמיד גורם גרגירי misorientation וניתוח של נתונים EBSD באמצעות הכלים MTEX קוד פתוח (ראה טבלה של חומרים).
    הערה: פרטים אודות ניתוח misorientation פקטור, גבישים וגרגרים שמיד זמינים ב מדריך למשתמש MTEX ארגז כלים24.
  4. לבצע ניתוח המצטברת של התוצאות שהושג.
    הערה: הניתוח המצטבר הנדונה הפניה למעורר18.
    1. השתמש בסימני microindentation ויקרס כדי להתאים את מפת גבול תבואה, misorientation מפה ומפה שמיד גורם מעל שדה18דפורמציה זן הטיה.
    2. הגדרת המתאם בין CGR, זן שדה מיקרו (misorientation, שמיד גורם מפות)18.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

באמצעות המתודולוגיה המוצעת, אנחנו ניתן לנתח את שדה תבואה תת דפורמציה צובר במהלך הפצת סדק קטן עייפות תחת העמסה מחזורית. האפיון מתבצע ברמת תבואה תת מציג תכונות זעירים של ההתנהגות גשמי תחת עייפות טעינת אפילו בתוך גרגיר קטן. בפרט, במערך הטיה זן לוקליזציה שדות נצפתה כמוצג באיור4. בוצעו מספר בדיקות כדי לוודא את התופעות שנצפו.

השדה דפורמציה בקלות בשילוב עם דגנים גבול התמונה עבור אפיון מקיף של התכונות אחראי להתנהגות חריגה הצמיחה של הסדקים עייפות קטן (ראה איור 5). ניתוח המצטברת של שדות דפורמציה, מיקרו, שיעור הצמיחה קראק קראק נתיב לחשוף התלות בין פיגור קצב הצמיחה סדק קטן לבין הצטברות של הטיה זן לוקליזציה אזור18, כפי שמוצג בסרטון.

figure-results-1
איור 1 : הצג סכימתי של הדגימה הבדיקה עייפות של פלדת אל-חלד למד ferritic (מידות הם במ מ)- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-2
איור 2 : SEM תמונה של פני השטח בצד של הדגימה ferritic פלדת אל-חלד בקרבת אזור מחורץ (א) ו שלה מפה איור (IPF) הפוך-מוט עם משקפות את עמדות מפתח שיבוץ (b). היישור DIC זן השדה, EBSD התמונה בוצע בעזרתו של microindentations ויקרס המוצגות על-ידי מקווקו עיגולים (א). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-3
איור 3. מיקרוסקופ אופטי של פני השטח בצד הדגימה מעוצבים עם דפוס.

figure-results-4
איור 4 . הצטברות לסירוגין של האזורים לוקליזציה של זן הטיה במהלך צמיחה סדק קטן עייפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-5
איור 5 . שתי דוגמאות (ו- b) של התצוגה המשולבת של הטיה זן השדה ואת מיקרו של פלדה למדה נבדק בעייפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-6
איור 6 . מכונת הידראוליות בהזמנה אישית לקישוט דפוס של דגימות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. 

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בגישה מדידה באתרו הרומן הוא הציג כדי למדוד את השדה דפורמציה מצטברת ברמה המיקרו-סולם תבואה. כדי להדגים את יכולת הגישה, ההתנהגות הפצת קראק עייפות microstructurally קטנה הוא למד ferritic פלדת אל-חלד עם 18% כרום. הפלדה למדה סופק בצורה של חם התגלגל צלחת עם עובי 3 מ מ (ראה טבלה של חומרים), דגנים הגודל הממוצע של מיקרומטר 1721.

מידה מוצלח מחייב לשבור. את עייפות הראשונית מופק בקצה הרמה של דגימות לצורך ניתוח התנהגות הפצת נוסף. ללימוד סדק קטן microstructurally, אורך הסדק הראשונית צריכה להיות משמעותית קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למד. בדיקות עייפות היא עקירה מבוקר כדי למנוע צמיחה קראק לאחר החניכה קראק עייפות. התברר כי עייפות קראק חניכה יורד משמעותית עם הירידה של מתח יחס (R). לפיכך, רק 10,000 מחזורים נדרשו עייפות קראק חניכה דגימות נבדק עם R-יחס-0.16, ואילו עם Rratio 0.1, הסדק עייפות לא ליזום גם אחרי 100,000 מחזורי. השימוש של היחס העומס R =-0.16 מאפשר להגדיל את טווח הלחץ של 315 MPa 350 MPa, שיש לחץ עדיין קטן מרביות עבור פיצוח קדם מזה העייפות בפועל בדיקות.

הגידול קראק עייפות קטנים לסירוגין משויכת בדרך כלל מיקרו. בפרט, גבולות תבואה נרחב נחשבים אחראי סדק קטן צמיחה פיגור4,5,6,7,8,9 microstructural תכונות , 10 , 11 , 12. ניסוח פריקה ברכיב הגבול מאת Hansson ואח13 מראה כי הגבולות נמוך-זווית תבואה משקר בדרך של הנתיב קראק יכול לגרום הן עליה וירידה של קצב הצמיחה סדק; עם זאת, לגבולות תבואה זווית גבוהה משפיעה על קצב הצמיחה קראק. הסיבות הפיזי שגורם להתנהגות חריגה קראק צמיחה אינם ידועים. על מנת לחשוף את התכונות microstructural גרימת פיגור של סדק קטן, אפיון microstructural בוצעה לפני עייפות בדיקה של הדגימה. המהלך המתואר ליטוש בשלב 1 חיונית אמין ניתוח microstructural באמצעות EBSD. בשלב 3, לפני ניתוח EBSD, הניקוי של הדגימה אתנול מותר רק, מאז הוא אדי אצטון מסוכן גלאי EBSD.

כדי לחשוף תהליכים דפורמציה הבודדים הגרגרים, גודל התבנית חודרני להיות משמעותית קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למד. מאז גודל גרגרים ממוצע של הפלדה לאחר חישול הוא כ-350 מיקרומטר, הגודל האופייני של התבנית חודרני הנדרשים לחישוב DIC נבחר להיות כ 10 מיקרומטר22,12. גודל תבנית חודרני חייב להיות לפחות פי 10 קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למדה לצורך יישום נכון של שלב 5. פני השטח של הדגימה מעוצב עם דפוס חודרני באמצעות חותמת סיליקון. אנו משתמשים בכלי הידראוליות בהזמנה אישית (ראה איור 6) לתפעול מהיר ומדויק של החותמת.

עייפות קטן קראק הפצת התנהגות נלמדת במהלך בדיקות עומס מבוקר עייפות מהדוגמאות סדוק מראש באמצעות היחס R של 0.1 (σmin = 35 MPa, σמקסימום = 350 MPa) תדירות Hz 10. עייפות בדיקות כדלקמן יחד עם תמונה דיגיטלית קורלציה (DIC) מדידה. תחום העניין נעשה שימוש במיקרוסקופ אופטי, 16 x עדשת זום דיוק, עם רזולוציה של 2 מיקרומטר לפיקסל. תמונות שנתפסו במהלך זמני (10 s) תחנות הבדיקה עייפות במרווחים של 500 מחזורי. במהלך ייבוא תמונות, ההעמסה מוחזק קבוע, עם מתח ממוצע של-210 MPa, על מנת לקבל תנאי טעינה שווה לכל התמונות, לייצב דפורמציה פלסטית, ולהימנע עייפות קראק הסגר השרץ נרחב בליווי min ו- max בטעינה בכוח, בהתאמה. החידוש של השיטה מבוססת על ברזולוציה גבוהה באתרו DIC תמונה הקלטת המאפשר לחשוף אזורי דפורמציה זעירים יוצרים במהלך צמיחה סדק קטן עייפות. ההצלחה של הניסוי תלוי יישום נאות של ההליך פיצוח מראש, מבחר של מרווח לכידת תמונה, הגדלה כדי למנוע טשטוש קטן תכונות כגון אזורי לוקליזציה של זן הטיה שנצפו. לכן, בחירה נכונה של רזולוציית המצלמה, הגדלה אופטית וגודל תבנית חודרני כפי שמתואר בשלב 5 של הפרוטוקול יכול להיות חיוני לחקירה של התופעה לוקליזציה זן. אולם, המורפולוגיה של האזורים לוקליזציה של זן הטיה עדיין לא ברור, צריך שיפורים נוספים של התבנית חודרני, הרזולוציה של התמונה ציוד ההקלטה.

הגישה מתודולוגי שמתואר הנייר הזה מתאים לניתוח צמיחה קראק של עייפות קטן סדקים בחומרים בבקתות־חוף. שילוב של קראק צמיחה קצב מדידה וניתוח זן-שדה-sub תבואה רמת מסייע לחשוף המנגנון אשר אחראים על גידול חריג של העייפות קטן סדקים18, בנוסף הגבול תבואה נצפתה נרחב השפעות על SFCs. הבנה עמוקה יותר של המנגנונים שבר עייפות מאפשר פיתוח של גישות תיאורטיות חדשות, לפיכך, ומאפשרת עיצוב של המצית ומבנים יותר אנרגיה יעילה בעתיד.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים יש אינטרסים כלכליים מתחרים לא לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

S43940 לא יצ ASTM ferritic נירוסטה סופק על ידי Outokumpu Oyj נירוסטה. מחקר זה נתמך על ידי האקדמיה של פינלנד פרוייקט № 298762 ואלטו אוניברסיטת בית הספר להנדסה ועל ידי פוסט דוקטורט מימון לא 9155273 אלטו אוניברסיטת בית הספר להנדסה. פרסום וידאו בוצעה עם תמיכה של Mikko Raskinen ממפעל מדיה אלטו.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אצטוןסיגמא-אולדריץ'STBH7695אצטון פיריטי ≥ 99.5
גז ארגוןOy AGA Ab, גזים תעשייתיים (פינלנד)UN 1006טוהר גז ≥ 99.9999%
תנור תאLenton4934טווח חום 20-1200 oC
תוכנה מסחרית DaVis 8LaVision Inc.תוכנה מסחרית המשמשת לקצב גידול סדקים וניתוח שדה מתח
כלי הטבעה פנאומטי בהתאמה אישיתאוניברסיטתתוצרת אוניברסיטת אלטו
משחת יהלומיםStruers Inc.DP-Mol. 3 ומיקרו; m, DP-Nap. 1 ומיקרו; m,הדבק לליטוש
נייר אמריStruers Inc.FEPA P #800, FEPA P #1200, FEPA P #2500נייר לטחינת
אתנולAltia תעשייתיETAX Baאתנול pyrity ≥ 99.5
מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת FEG-SEMZEISSULTRA 55ניתוח EBSD
נירוסטה פריטיתOutokumpu Oyj (פינלנד)Core 441/4509 (ASTM UNS S43940)צלחת מגולגלת 3 מ"מ
למשאבתואקוםLeybold-HeraeusD4B/WS
מכונת השחזהStruers Inc.LaboPol-21טחינה ידנית
MasterMet 2 השעיית ליטוש סיליקה קולואידית לא מתגבשתBuehler Inc.40-6380-0640.02 ומיקרו; סיליקה קולואידית M 
תוכנת MatLabMathWorks Inc.תוכנת MatLab משמשת כפלטפורמה לארגז הכלים של MTEX
בודק קשיות Micro VickersBuehler Inc.1600-6400
MTEX תוכנהפתוחארגז כלים בקוד פתוח המבוסס על MatLab לניתוח נתוני EBSD (http://mtex-toolbox.github.io/)
מיקרוסקופ אופטיNikon CorporationEPIPHOT 200
מכונת ליטושStruers Inc.LaboPol-5ליטוש ידיים
סרוו מכונה הידראוליתMTS מערכת תאגיד858 שולחן מערכת
משאבה טורבו-מולקולריתLeybold-HeraeusTurbovac 50
מלטש רטטBuehler Inc.VibroMet 2ליטוש אוטומטי
חיתוך חוט EDMTamSpark OyCharmilles robofil 400קוטר חוט 0.15 מ"מ
% אלטו % קוד

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Remes, H. Factors affecting the fatigue strength of thin-plates in large structures. International Journal of Fatigue. 101, 397-407 (2017).
  2. Lillemäe, I., Remes, H., Liinalampi, S., Itävuo, A. Influence of weld quality on the fatigue strength of thin normal and high strength steel butt joints. Welding in the World. 60, 731-740 (2016).
  3. Remes, H. Strain-based approach to fatigue crack initiation and propagation in welded steel joints with arbitrary notch shape. International Journal of Fatigue. 52, 114-123 (2013).
  4. Tokaji, K., Ogawa, T. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. Short Fatigue Cracks, ESIS 13. Miller, K. J., de los Rios, E. R. , Mechanical Engineering Publication. London. 85-89 (1992).
  5. Tokaji, K., Ogawa, T., Harada, Y. Evaluation on limitation of linear elastic fracture mechanics for small fatigue crack growth. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 10, 281-289 (1987).
  6. Tokaji, K., Ogawa, T. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. Short Fatigue Cracks, ESIS 13. Miller, K. J., de los Rios, E. R. , Mechanical Engineering Publications. London. 85-89 (1992).
  7. McClintock, F. A. On the plasticity of the growth of fatigue cracks. Fracture of Solids. 20, 65-102 (1963).
  8. Doquet, V. Micromechanical simulations of microstructure-sensitive stage I fatigue crack growth. Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. 22, 215-223 (1998).
  9. Ohr, S. M. An electron microscope study of crack tip deformation and its impact on the dislocation theory of fracture. Materials Science and Engineering. 72, 1-35 (1985).
  10. Influence of low-angle grain boundaries on short fatigue crack growth studied by a discrete dislocation method. Bjerkén, C., Melin, S. Proceedings of the 17th European Conference Fracture, 2-5 September, Czech Republic,, , VUTIUM Brno. (2008).
  11. Bjerkén, C., Melin, S. Growth of a short fatigue crack - long term simulation using a dislocation technique. International Journal of Solids and Structures. 46, 1196-1204 (2009).
  12. Shen, Z., Wagoner, R. H., Clark, W. A. T. Dislocation and grain boundary interactions in metals. Acta Metallurgica. 36, 3231-3242 (1988).
  13. Hansson, P., Melin, S. Grain boundary influence on short fatigue crack growth rate. International Journal of Fracture. 165, 199-210 (2010).
  14. Carroll, J. D., Abuzaid, W., Lambros, J., Sehitoglu, H. High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth. International Journal of Fatigue. 57, 140-150 (2013).
  15. Peralta, P., Choi, S. H., Gee, J. Experimental quantification of the plastic blunting process for stage II fatigue crack growth in one-phase metallic materials. International Journal of Plasticity. 23, 1763-1795 (2007).
  16. Zhang, N., Tong, W. An experimental study on grain deformation and interactions in an Al-0.5%Mg multicrystal. International Journal of Plasticity. 20, 523-542 (2004).
  17. Bartali, A. E., Aubin, V., Degallaix, S. Surface observation and measurement techniques to study the fatigue damage micromechanisms in a duplex stainless steel. International Journal of Fatigue. 31, 2049-2055 (2009).
  18. Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Yagodzinskyy, Y., Bossuyt, S., Hänninen, H. Strain accumulation during microstructurally small fatigue crack propagation in bcc Fe-Cr ferritic stainless steel. Acta Materialia. 144, 51-59 (2018).
  19. http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html. , http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html. (2018).
  20. http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html. , http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html (2018).
  21. Malitckii, E., Yagodzinskyy, Y., Lehto, P., Remes, H., Romu, J., Hänninen, H. Hydrogen effects on mechanical properties of 18%Cr ferritic stainless steel. Material Science and Engineering A. 700, 331-337 (2017).
  22. Optimized patterns for digital image correlation. Proceedings of the 2012 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics, Imaging Methods for Novel Materials and Challenging Applications. Bossuyt, S. 3, 239-248 (2013).
  23. Coren, F., Palestini, C., Lehto, M., Bossuyt, S., Kiviluoma, P., Korhonen, A., Kuosmanen, P. Microcontact printing on metallic surfaces for optical deformation measurements. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 66, 184-188 (2017).
  24. Documentation. , http://mtex-toolbox.github.io/documentation.html (2018).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

EBSD

מאמרים קשורים