Name: Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-16T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 37 s
Description: Poznaj metodę cyfrowej korelacji obrazów do pomiarów odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małych pęknięć zmęczeniowych. Badanie ujawnia mechanizmy propagacji pęknięć na poziomie podziarnistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ferrytyczna stal nierdzewna ASTM UNS S43940 została dostarczona przez Outokumpu Stainless Oyj. Badania są wspierane przez projekt Akademii Finlandii nr 298762 i Aalto University School of Engineering oraz przez finansowanie podoktoranckie nr 9155273 Aalto University School of Engineering. Publikacja wideo została zrealizowana przy wsparciu Mikko Raskinena z Aalto Media Factory.

1. Przygotowanie próbki i wyżarzanie
<ol>
	<li>Frezować oryginalne płyty ze stali nierdzewnej ferrytycznej o grubości 3 mm (patrz Tabela Materiałów) w celu uformowania płyty o charakterystycznych wymiarach około 200 mm x 15 mm x 1 mm.</li>
	<li>Umieść wyprodukowaną stalową płytę w rurze kwarcowej i pompuj ją (patrz tabela materiałów) do ciśnienia około 10-6 mbar.</li>
	<li>Wprowadź argon (patrz Tabela materiałów) do rurki kwarcowej, aż ciśnienie osiągnie około 0.2 mbar.</li>
	<li>Uszczelnij rurkę kwarcową z próbką w środku, podgrzewając rurkę kwarcową do temperatury topnienia19. 
	UWAGA: Procedura uszczelniania jest niebezpieczna. Stosuj odpowiednie środki ostrożności, takie jak odpowiednia ochrona oczu itp.20.</li>
	<li>Wyżarzać blachę stalową uszczelnioną wewnątrz rury kwarcowej za pomocą pieca komorowego (patrz tabela materiałów) w temperaturze 1200 °C przez 1 godzinę i hartować w wodzie. 
	UWAGA: Procedura wyżarzania zwiększa średni uziarnienie badanej stali do 350 μm bez nadmiernego tworzenia się cząstek węglika chromu21. 
	UWAGA: Procedura wyżarzania jest niebezpieczna. Zachowaj odpowiednie środki ostrożności i postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w instrukcji obsługi pieca komorowego.</li>
	<li>Wyciąć próbki karbowane (o grubości 1 mm) z wyżarzonej płyty badanej stali ferrytycznej metodą obróbki elektroerozyjnej (EDM, patrz Tabela Materiałów). Schemat próbki jest pokazany w <silna klasa="xfig">Rysunek 1. 
	UWAGA: Procedura cięcia EDM jest niebezpieczna. Stosuj odpowiednie środki ostrożności i postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w instrukcji EDM.</li>
	<li>Zmielić i wypolerować powierzchnię próbki.
	<ol>
		<li>Szlifować powierzchnie próbki za pomocą szlifierki z papierem ściernym (tabela materiałów), aż powierzchnia próbki będzie jednolita.</li>
		<li>Powierzchnie próbek należy polerować za pomocą maszyny do polerowania pastą diamentową o grubości 3 μm i 1 μm (patrz tabela materiałów) przez 10 minut każda.</li>
		<li>Wypolerować powierzchnię próbki za pomocą koloidalnego polerowania wibracyjnego krzemionką koloidalną 0,02 μm (patrz tabela materiałów) przez około 4 godziny; jest to wymagane do analizy EBSD.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Zmęczenie przed pękaniem
<ol>
	<li>Eksperymentalnie określ parametry badania zmęczeniowego kontrolowanego przemieszczeniem.
	<ol>
		<li>Dostosuj limity przemieszczenia εmin i εmax serwohydraulicznej maszyny (patrz Tabela materiałów) tak, aby σmin i σmax mieściły się w zakresie odpowiednio około -50 MPa i 300 MPa. 
		UWAGA: Maszyna serwohydrauliczna jest niebezpieczna. Stosuj odpowiednie środki ostrożności i postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w instrukcji obsługi serwohydrauliki.</li>
		<li>Zbadaj początkowe powstawanie pęknięć po 2 000, 5 000 i 10 000 cyklach za pomocą mikroskopii optycznej (patrz Tabela materiałów), aby określić optymalną liczbę cykli zmęczeniowych i uniknąć nadmiernego wzrostu pęknięć.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Poddać próbkę jednoosiowemu obciążeniu cyklicznemu kontrolowanemu przemieszczeniem przez określoną liczbę cykli.</li>
	<li>Zbadaj początkowe powstawanie pęknięć po określonej liczbie cykli za pomocą mikroskopii optycznej. Początkowe pęknięcia o długości do około 20 μm powstają na końcówce karbu</li>.
	<li>Zwiększ liczbę cykli obciążenia zmęczeniowego, jeśli początkowe pęknięcie nie zostało wyprodukowane.</li>
	<li>Wymień próbkę, jeśli początkowa długość pęknięcia przekracza 50 μm.</li>
</ol>
3. Charakterystyka mikrostrukturalna
<ol>
	<li>Oczyść wstępnie pękniętą próbkę.
	<ol>
		<li>Wstępnie rozbitą próbkę czyścić acetonem przez 20 minut za pomocą kąpieli ultradźwiękowej (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Oczyść wstępnie pękniętą próbkę etanolem przez 20 minut za pomocą kąpieli ultradźwiękowej (patrz Tabela materiałów).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oznacz badany obszar za pomocą mikrowgłębień Vickersa, jak pokazano na rysunku <silna klasa="xfig">Rysunek 2a.
	<ol>
		<li>Postępuj zgodnie z instrukcjami mikroindentora Vickers (patrz Tabela materiałów), aby wykonać znaki mikrowgłębienia.</li>
		<li>Włóż próbkę do mikrotwardościomierza Vickersa (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Ustaw siłę wcięcia na 500 N.</li>
		<li>Dostosuj położenie pierwszego znaku wcięcia Vickersa w odległości około 500 μm w bok od końcówki nacięcia. Przygotuj drugie wgłębienie po drugiej stronie.</li>
		<li>Ustaw położenie trzeciego znacznika wcięcia na boki około 500 μm i około 400 μm od końcówki nacięcia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeanalizować mikrostrukturę stali od bocznej powierzchni próbki w pobliżu wcięcia za pomocą analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonej (EBSD) (patrz tabela materiałów).
	<ol>
		<li>Postępuj zgodnie z instrukcją obsługi skaningowego mikroskopu elektronowego, aby przeprowadzić analizę EBSD.</li>
		<li>Ustaw powiększenie na 200x.</li>
		<li>Dostosuj położenie próbki pod detektorem EBSD. Upewnij się, że końcówka nacięcia i trzy znaczniki mikrowgłębień Vickersa znajdują się w ramach skanowania EBSD (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 2b).</li>
		<li>Ustaw rozmiar kroku skanowania EBSD na 2 μm. Czas skanowania wynosi około 1 godziny.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Dekoracja wzorem
<ol>
	<li>Oczyść powierzchnię próbki etanolem (patrz Tabela materiałów) przez 10 minut za pomocą kąpieli ultradźwiękowej.</li>
	<li>Wysuszyć próbkę za pomocą wentylatora.</li>
	<li>Wyczyść szkiełko mikroskopowe za pomocą papierowej serwetki nasączonej etanolem (patrz Tabela materiałów).</li>
	<li>Umieść cienką warstwę atramentu na szklanej powierzchni szkiełka mikroskopowego. Marker permanentny zapewnia jednolitą warstwę tuszu na powierzchni szkła ręcznie.</li>
	<li>Dociśnij silikonowy stempel ze wzorem na szklanej powierzchni, aby przenieść warstwę tuszu na powierzchnię stempla.</li>
	<li>Dociśnij silikonowy stempel pokryty tuszem do powierzchni próbki.</li>
	<li>Sprawdź jakość wzoru plamek za pomocą mikroskopii optycznej. Przykład wzoru plamek jest pokazany w Rysunek 3. Zobacz references22,23, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat wzoru i druku mikrokontaktowego.</li>
	<li>Upewnij się, że rozmiar wzoru plamki jest co najmniej 10 razy mniejszy niż rozmiar ziarna badanego materiału. 
	UWAGA: Wykonaj kroki 2, 3 i 4 w odpowiednim czasie, aby uniknąć wyschnięcia atramentu. Zdefiniuj eksperymentalnie czas schnięcia.</li>
</ol>
5. Testy zmęczeniowe za pomocą DIC
<ol>
	<li>Umieść próbkę w maszynie serwohydraulicznej (patrz tabela materiałów). 
	UWAGA: Maszyna serwohydrauliczna jest niebezpieczna. Stosuj odpowiednie środki ostrożności i postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w instrukcji obsługi serwohydrauliki.</li>
	<li>Wyregulować parametry badania zmęczeniowego pod kontrolowanym obciążeniem, stosując R = 0,1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) i częstotliwość badania 10 Hz za pomocą oprogramowania sterującego maszyny zmęczeniowej.</li>
	<li>Ustaw mikroskop optyczny z obiektywem z 16-krotnym zoomem precyzyjnym (patrz tabela materiałów) do optycznej obserwacji obszaru karbowania próbki.</li>
	<li>Wyposaż mikroskop optyczny w kamerę cyfrową o rozdzielczości 2 048 pikseli x 1 536 pikseli.</li>
	<li>Ręcznie wyreguluj powiększenie mikroskopu optycznego.
	<ol>
		<li>Upewnij się, że cały obszar z karbem próbki pasuje do obszaru obrazu aparatu cyfrowego.</li>
		<li>Upewnij się, że rozmiar piksela jest co najmniej 5 razy mniejszy niż rozmiar wzoru.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom test zmęczeniowy i zsynchronizuj go z systemem zapisu obrazu.
	<ol>
		<li>Uchwyć obrazy podczas chwilowych (10 s) postojów próby zmęczeniowej w odstępach 500 cykli.</li>
		<li>Upewnij się, że obciążenie jest utrzymywane na stałym poziomie ze średnim naprężeniem około 210 MPa podczas akwizycji obrazu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kontynuuj badanie zmęczeniowe, aż długość pęknięcia zbliży się do wartości krytycznej lub plastyczność przekroju netto zacznie dominować.</li>
</ol>
6. Analiza wyników
<ol>
	<li>Uzyskane surowe obrazy można wykorzystać do przeprowadzenia analizy szybkości wzrostu pęknięć (CGR) i DIC za pomocą komercyjnego oprogramowania (patrz tabela materiałów).
	<ol>
		<li>Skorzystaj z instrukcji obsługi, aby przeprowadzić analizę CGR. Należy pamiętać, że analiza szybkości wzrostu pęknięć jest możliwa do przeprowadzenia za pomocą komercyjnego oprogramowania automatycznie lub ręcznie.</li>
		<li>Wykonaj analizę CGR ręcznie, korzystając z surowego zestawu danych obrazu, mierząc przyrost długości rys po każdych 500 cyklach.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza odkształcenia odkształcenia przy ścinaniu dla badanego obszaru za pomocą komercyjnego oprogramowania.
	<ol>
		<li>Skorzystaj z instrukcji obsługi, aby przeprowadzić analizę odkształcenia przy ścinaniu.</li>
		<li>Upewnij się, że tryb korelacji w ustawieniach szeregów czasowych oprogramowania jest wybrany jako "względny do pierwszego".</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wykonaj analizę współczynnika Schmida i błędnej orientacji ziaren danych EBSD za pomocą zestawu narzędzi MTEX o otwartym kodzie źródłowym (patrz tabela materiałów). 
	UWAGA: Szczegółowe informacje na temat analizy współczynnika Schmida i błędnej orientacji ziaren są dostępne w podręczniku użytkownika MTEX toolbox24.</li>
	<li>Wykonaj analizę skumulowaną uzyskanych wyników. 
	UWAGA: Analiza skumulowana jest omówiona w Ref.18.
	<ol>
		<li>Użyj znaczników mikrowcięć Vickersa, aby dopasować mapę granic ziarna, mapę błędnej orientacji i mapę współczynnika Schmida na górze pola deformacji odkształcenia odkształcenia ścinającego18.</li>
		<li>Zdefiniuj korelację między CGR, polem odkształcenia i mikrostrukturą (mapy błędnej orientacji i współczynnika Schmida)18.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Remes, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Factors+affecting+the+fatigue+strength+of+thin-plates+in+large+structures%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fatigue%22%5BJournal%5D)">Factors affecting the fatigue strength of thin-plates in large structures.</a> International Journal of Fatigue. 101, 397-407 (2017).</li>
<li>Lillemäe, I., Remes, H., Liinalampi, S., Itävuo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+weld+quality+on+the+fatigue+strength+of+thin+normal+and+high+strength+steel+butt+joints%5BTitle%5D)+AND+%22Welding+in+the+World%22%5BJournal%5D)">Influence of weld quality on the fatigue strength of thin normal and high strength steel butt joints.</a> Welding in the World. 60, 731-740 (2016).</li>
<li>Remes, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain-based+approach+to+fatigue+crack+initiation+and+propagation+in+welded+steel+joints+with+arbitrary+notch+shape%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fatigue%22%5BJournal%5D)">Strain-based approach to fatigue crack initiation and propagation in welded steel joints with arbitrary notch shape.</a> International Journal of Fatigue. 52, 114-123 (2013).</li>
<li>Tokaji, K., Ogawa, T. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTokaji%2C+K+%22Short+Fatigue+Cracks%2C+ESIS+13%22">Short Fatigue Cracks, ESIS 13</a>. Miller, K. J., de los Rios, E. R. , Mechanical Engineering Publication. London. 85-89 (1992).</li>
<li>Tokaji, K., Ogawa, T., Harada, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+on+limitation+of+linear+elastic+fracture+mechanics+for+small+fatigue+crack+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Fatigue+%26+Fracture+of+Engineering+Materials+%26+Structures%22%5BJournal%5D)">Evaluation on limitation of linear elastic fracture mechanics for small fatigue crack growth.</a> Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 10, 281-289 (1987).</li>
<li>Tokaji, K., Ogawa, T. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTokaji%2C+K+%22Short+Fatigue+Cracks%2C+ESIS+13%22">Short Fatigue Cracks, ESIS 13</a>. Miller, K. J., de los Rios, E. R. , Mechanical Engineering Publications. London. 85-89 (1992).</li>
<li>McClintock, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+plasticity+of+the+growth+of+fatigue+cracks%5BTitle%5D)+AND+%22Fracture+of+Solids%22%5BJournal%5D)">On the plasticity of the growth of fatigue cracks.</a> Fracture of Solids. 20, 65-102 (1963).</li>
<li>Doquet, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micromechanical+simulations+of+microstructure-sensitive+stage+I+fatigue+crack+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Fatigue+%26+Fracture+Engineering+Materials+%26+Structures%22%5BJournal%5D)">Micromechanical simulations of microstructure-sensitive stage I fatigue crack growth.</a> Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. 22, 215-223 (1998).</li>
<li>Ohr, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+electron+microscope+study+of+crack+tip+deformation+and+its+impact+on+the+dislocation+theory+of+fracture%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering%22%5BJournal%5D)">An electron microscope study of crack tip deformation and its impact on the dislocation theory of fracture.</a> Materials Science and Engineering. 72, 1-35 (1985).</li>
<li>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).</li>
<li>Bjerkén, C., Melin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+of+a+short+fatigue+crack+-+long+term+simulation+using+a+dislocation+technique%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Solids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Growth of a short fatigue crack - long term simulation using a dislocation technique.</a> International Journal of Solids and Structures. 46, 1196-1204 (2009).</li>
<li>Shen, Z., Wagoner, R. H., Clark, W. A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dislocation+and+grain+boundary+interactions+in+metals%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Metallurgica%22%5BJournal%5D)">Dislocation and grain boundary interactions in metals.</a> Acta Metallurgica. 36, 3231-3242 (1988).</li>
<li>Hansson, P., Melin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Grain+boundary+influence+on+short+fatigue+crack+growth+rate%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fracture%22%5BJournal%5D)">Grain boundary influence on short fatigue crack growth rate.</a> International Journal of Fracture. 165, 199-210 (2010).</li>
<li>Carroll, J. D., Abuzaid, W., Lambros, J., Sehitoglu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+resolution+digital+image+correlation+measurements+of+strain+accumulation+in+fatigue+crack+growth%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fatigue%22%5BJournal%5D)">High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth.</a> International Journal of Fatigue. 57, 140-150 (2013).</li>
<li>Peralta, P., Choi, S. H., Gee, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+quantification+of+the+plastic+blunting+process+for+stage+II+fatigue+crack+growth+in+one-phase+metallic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Plasticity%22%5BJournal%5D)">Experimental quantification of the plastic blunting process for stage II fatigue crack growth in one-phase metallic materials.</a> International Journal of Plasticity. 23, 1763-1795 (2007).</li>
<li>Zhang, N., Tong, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+experimental+study+on+grain+deformation+and+interactions+in+an+Al-0.5%25Mg+multicrystal%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Plasticity%22%5BJournal%5D)">An experimental study on grain deformation and interactions in an Al-0.5%Mg multicrystal.</a> International Journal of Plasticity. 20, 523-542 (2004).</li>
<li>Bartali, A. E., Aubin, V., Degallaix, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+observation+and+measurement+techniques+to+study+the+fatigue+damage+micromechanisms+in+a+duplex+stainless+steel%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Fatigue%22%5BJournal%5D)">Surface observation and measurement techniques to study the fatigue damage micromechanisms in a duplex stainless steel.</a> International Journal of Fatigue. 31, 2049-2055 (2009).</li>
<li>Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Yagodzinskyy, Y., Bossuyt, S., Hänninen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+accumulation+during+microstructurally+small+fatigue+crack+propagation+in+bcc+Fe-Cr+ferritic+stainless+steel%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Materialia%22%5BJournal%5D)">Strain accumulation during microstructurally small fatigue crack propagation in bcc Fe-Cr ferritic stainless steel.</a> Acta Materialia. 144, 51-59 (2018).</li>
<li>http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html. , 
 <a target="_blank" href="http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html.">http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html.</a> (2018).</li>
<li>http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html. , 
 <a target="_blank" href="http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html">http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html</a> (2018).</li>
<li>Malitckii, E., Yagodzinskyy, Y., Lehto, P., Remes, H., Romu, J., Hänninen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+effects+on+mechanical+properties+of+18%25Cr+ferritic+stainless+steel%5BTitle%5D)+AND+%22Material+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Hydrogen effects on mechanical properties of 18%Cr ferritic stainless steel.</a> Material Science and Engineering A. 700, 331-337 (2017).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimized+patterns+for+digital+image+correlation%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+2012+Annual+Conference+on+Experimental+and+Applied+Mechanics%2C+Imaging+Methods+for+Novel+Materials+and+Challenging+Applications%22%5BJournal%5D)">Optimized patterns for digital image correlation.</a> 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).</li>
<li>Coren, F., Palestini, C., Lehto, M., Bossuyt, S., Kiviluoma, P., Korhonen, A., Kuosmanen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microcontact+printing+on+metallic+surfaces+for+optical+deformation+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Estonian+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Microcontact printing on metallic surfaces for optical deformation measurements.</a> Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 66, 184-188 (2017).</li>
<li>Documentation. , 
 <a target="_blank" href="http://mtex-toolbox.github.io/documentation.html">http://mtex-toolbox.github.io/documentation.html</a> (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

Wprowadzono nowatorskie podejście do pomiaru in situ w celu pomiaru pola skumulowanych odkształceń na poziomie mikroskali ziarna. Aby zademonstrować zdolność podejścia, bada się mikrostrukturalnie małą propagację pęknięć zmęczeniowych w ferrytycznej stali nierdzewnej z 18% chromem. Badaną stal wykonano w postaci blachy gorącowalcowanej o grubości 3 mm (patrz Tabela Materiałów) i średnim uziarnieniu około 17 μm21.
Udany pomiar wymaga początkowego pęknięcia zmęczeniowego na końcówce karbu próbek w celu dalszej analizy zachowania propagacji. W celu zbadania pęknięcia o małej mikrostrukturze, długość początkowego pęknięcia powinna być znacznie mniejsza niż wielkość ziarna badanej stali. Próba zmęczeniowa jest kontrolowana przemieszczeniem, aby zapobiec wzrostowi pęknięć po zainicjowaniu pęknięć zmęczeniowych. Stwierdzono, że czas inicjacji pękania zmęczeniowego ulega znacznemu skróceniu wraz ze spadkiem współczynnika naprężeń (R). W związku z tym do zainicjowania pękania zmęczeniowego w próbkach badanych ze współczynnikiem R -0,16 wymaganych było tylko 10 000 cykli, podczas gdy w przypadku Rratio 0,1 pęknięcie zmęczeniowe nie rozpoczęło się nawet po 100 000 cykli. Zastosowanie współczynnika obciążenia R=-0,16 pozwala na zwiększenie zakresu naprężeń z 315 MPa do 350 MPa, przy czym maksymalne naprężenia przy pękaniu wstępnym są jeszcze mniejsze niż w przypadku rzeczywistych prób zmęczeniowych.
Przerywany mały wzrost pęknięć zmęczeniowych jest zwykle związany z mikrostrukturą. W szczególności granice ziaren są powszechnie uważane za cechy mikrostrukturalne odpowiedzialne za małe opóźnienie wzrostu pęknięć 4,5,6,7,8,9,10,11,12. Sformułowanie dyslokacji w elemencie granicznym przez Hanssona i wsp.13 pokazuje, że granice ziaren o małym kącie leżące na drodze ścieżki pęknięcia mogą powodować zarówno wzrost, jak i spadek szybkości wzrostu pęknięć; Jednak granice ziaren pod dużym kątem nie wpływają na tempo wzrostu pęknięć. Fizyczne przyczyny powodujące anomalne zachowanie wzrostu pęknięć nie są dobrze znane. W celu ujawnienia cech mikrostrukturalnych powodujących niewielkie opóźnienie pęknięć, przed badaniem zmęczeniowym próbki przeprowadzono charakterystykę mikrostrukturalną. Procedura polerowania opisana w kroku 1 ma kluczowe znaczenie dla wiarygodnej analizy mikrostrukturalnej przy użyciu EBSD. W kroku 3, tuż przed analizą EBSD, czyszczenie próbki w etanolu jest dozwolone tylko wtedy, gdy opary acetonu są niebezpieczne dla detektora EBSD.
Aby ujawnić procesy deformacji w obrębie poszczególnych ziaren, wielkość wzoru plamek musi być znacznie mniejsza niż wielkość ziarna badanej stali. Ponieważ średni uziarnienie stali po wyżarzaniu wynosi około 350 μm, charakterystyczny rozmiar wzoru plamek wymagany do obliczenia DIC został wybrany na około 10 μm22,12. Wielkość wzoru plamek musi być co najmniej 10 razy mniejsza niż wielkość ziarna badanej stali, aby można było prawidłowo wykonać krok 5. Powierzchnia próbki ozdobiona jest wzorem plamek za pomocą stempla silikonowego. Używamy specjalnie wykonanego narzędzia pneumatycznego (patrz rysunek 6) do szybkiej i precyzyjnej obsługi stempla.
Krótkie zachowanie propagacji pęknięć zmęczeniowych jest badane podczas kontrolowanych obciążeniem testów zmęczeniowych wstępnie pękniętych próbek przy użyciu współczynnika R 0,1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) i częstotliwości 10 Hz. Badanie zmęczeniowe następuje wraz z pomiarem cyfrowej korelacji obrazu (DIC). Obszar zainteresowania jest monitorowany za pomocą mikroskopu optycznego, 16-krotnego obiektywu Precision Zoom, o rozdzielczości 2 μm/piksel. Obrazy są rejestrowane podczas chwilowych (10 s) postojów próby zmęczeniowej w odstępach 500 cykli. Podczas akwizycji obrazu obciążenie jest utrzymywane na stałym poziomie, ze średnim naprężeniem około 210 MPa, w celu uzyskania równych warunków obciążenia dla wszystkich obrazów, ustabilizowania odkształceń plastycznych i uniknięcia zamykania pęknięć zmęczeniowych i rozległego pełzania, którym towarzyszy odpowiednio minimalna i maksymalna siła obciążenia. Nowatorstwo metody opiera się na zapisie obrazu DIC in situ o wysokiej rozdzielczości, który pozwala na ujawnienie drobnych stref deformacji powstających podczas wzrostu niewielkich pęknięć zmęczeniowych. Powodzenie eksperymentu zależy od prawidłowego wdrożenia procedury wstępnego pękania, doboru interwału przechwytywania obrazu i powiększenia, aby zapobiec rozmyciu drobnych cech, takich jak obserwowane strefy lokalizacji odkształcenia ścinającego. W związku z tym właściwy dobór rozdzielczości kamery, powiększenia optycznego i wielkości wzoru plamek, jak opisano w kroku 5 protokołu, może mieć kluczowe znaczenie dla badania zjawisk lokalizacji odkształceń. Jednak morfologia stref lokalizacji odkształcenia ścinającego jest nadal niejasna i wymaga dalszych ulepszeń wzoru plamek i rozdzielczości sprzętu rejestrującego obraz.
Podejście metodologiczne opisane w niniejszej pracy jest odpowiednie do analizy wzrostu pęknięć małych pęknięć zmęczeniowych w materiałach gruboziarnistych. Połączenie pomiaru szybkości wzrostu pęknięć i analizy pola odkształceń na poziomie podziarna pomaga ujawnić mechanizm, który jest odpowiedzialny za anomalny wzrost małych pęknięć zmęczeniowych18, oprócz szeroko obserwowanych skutków granicznych ziaren na SFC. Głębsze zrozumienie mechanizmów pękania zmęczeniowego umożliwia opracowanie nowych podejść teoretycznych, a tym samym, umożliwia projektowanie lżejszych i bardziej energooszczędnych konstrukcji w przyszłości.

Nowe lekkie rozwiązania są potrzebne do poprawy efektywności energetycznej pojazdów, takich jak statki. Redukcja masy dużych konstrukcji stalowych jest możliwa dzięki zastosowaniu zaawansowanych materiałów stalowych. Efektywne wykorzystanie nowego materiału i lekkiego rozwiązania wymaga wysokiej jakości wykonania i solidnych metod projektowania1,2. Solidna metoda projektowania oznacza analizę statyczno-wytrzymałościową w realistycznych warunkach obciążenia, takich jak obciążenie wywołane falami w przypadku statku wycieczkowego, a także obliczenia odpowiedzi w celu zdefiniowania odkształceń i naprężeń. Dopuszczalny poziom naprężeń jest definiowany na podstawie wytrzymałości krytycznych detali konstrukcyjnych. W przypadku dużych konstrukcji są to zazwyczaj połączenia spawane o niejednorodnej mikrostrukturze. Jednym z kluczowych wyzwań projektowych dla nowych lekkich rozwiązań jest zmęczenie spowodowane jego kumulatywnym i miejscowym charakterem, często występującym na nacięciach spawalniczych. Aby zapewnić wysoką jakość wykonania, zachowanie zmęczeniowe jest zdominowane przez mały wzrost pęknięć zmęczeniowych (SFC), ponieważ wady wywołane produkcją są bardzo małe1,3. W związku z tym podstawowa wiedza na temat niewielkiego wzrostu pęknięć zmęczeniowych w materiałach metalicznych ma kluczowe znaczenie dla zrównoważonego stosowania nowych stali w konstrukcjach o wysokiej wydajności.
Efektywne modelowanie tak skomplikowanego procesu, jakim jest propagacja pęknięć zmęczeniowych w polikrystalicznych materiałach metalicznych, jest niemożliwe bez jasnego zrozumienia procesów fizycznych towarzyszących mechanizmowi pękania zmęczeniowego. Znaczący wysiłek społeczności badawczej skupił się na badaniu propagacji pęknięć zmęczeniowych za pomocą obserwacji wizualnej i analizy statystycznej. Do tej pory zachowanie wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych było badane głównie metodami teoretycznymi ze względu na ograniczenia technik eksperymentalnych. Anomalne opóźnienie tempa wzrostu pęknięć zmęczeniowych dla SFC jest zwykle związane z granicami ziaren (GB)4,5,6,7,8,9. Jednak przyczyny anomalnego wzrostu SFC są nadal przedmiotem dyskusji. Wyniki uzyskane przez modelowanie teoretyczne z wykorzystaniem metody dyslokacji dyskretnej wskazują na powstawanie ściany dyslokacji, czyli krótkiej granicy ziaren o małym kącie spowodowanej dyslokacjami emitowanymi z końcówki pęknięcia zmęczeniowego wpływającymi na szybkość wzrostu pęknięć zmęczeniowych10,11,12,13. Do niedawna istniało wyzwanie związane z dokładną analizą eksperymentalną zachowania wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych. Obserwacje eksperymentalne są niezbędne do opracowania modeli obliczeniowych opartych na zasadach fizycznych.
Do analizy cyklicznego zachowania się deformacji materiału w mikroskali pożądane jest posiadanie pomiarów deformacji w pełnym polu, które mogą być przeprowadzane in situ podczas cyklicznego obciążenia przy użyciu standardowego sprzętu do testowania mechanicznego, z rozdzielczością przestrzenną co najmniej o rząd wielkości poniżej charakterystycznej skali długości mikrostruktury. Aby zrozumieć zmiany w szybkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych, mierzone pola odkształceń są często łączone z pomiarami dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD) mikrostruktury materiału. Carrol et al.14 dostarczają ilościowy, pełnopolowy pomiar ex situ odkształcenia plastycznego w pobliżu rosnącego długiego pęknięcia zmęczeniowego w superstopie na bazie niklu, pokazując powstawanie asymetrycznych płatów w śladzie tworzywa sztucznego po rozprzestrzeniającym się pęknięciu zmęczeniowym. Przy większym powiększeniu cyfrowa korelacja obrazu (DIC) w mikroskopii elektronowej ujawniła niejednorodności odkształceń związane z lokalizacją odkształceń na pasmach poślizgu, z granicami bliźniaczymi i ziarnami wpływającymi na zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych. Jednak zastosowane podejście do pomiaru ex situ nie jest w stanie uchwycić pola odkształcenia podczas propagacji pęknięć zmęczeniowych. Eksperymentalne badanie stępiania tworzywa sztucznego podczas długotrwałej propagacji pęknięć zmęczeniowych zostało przeprowadzone przez Peralta15 przy użyciu DIC in situ dla czystości handlowej Ni (99,6%). Wyniki wykazały, że akumulacja odkształceń plastycznych była zdominowana przez ścinanie wzdłuż pasm poślizgu, które rozciągały się przed pęknięciem i były nachylone w stosunku do kierunku wzrostu pęknięcia. Obserwowana lokalizacja odkształceń na pasmach poślizgu jest prawdopodobnie spowodowana przeciążeniem, ponieważ niskie wartości współczynników intensywności naprężeń skutkują mieszanym charakterem odkształcenia (ścinanie i odkształcenie normalne)14,15. Niejednorodny rozkład pola odkształcenia na poziomie podziarna zaobserwowano dla gruboziarnistego stopu aluminium16 i duplex steel17, gdzie aktywacja systemów poślizgu dyslokacji była związana z prawem Schmida16,17.
Niedawne badanie przeprowadzone przez Malitckii18 pokazuje, że anomalne zachowanie wzrostu SFC jest kontrolowane przez niejednorodności odkształceń związane ze strukturą ziarna lub, w szczególności, przez akumulację stref lokalizacji odkształceń ścinających przed pęknięciem. Dzięki wysokiej jakości wzorom w mikroskali i ziarnom większym niż 100 μm, mikroskopia optyczna DIC po raz pierwszy umożliwiła pomiary deformacji podziarna in situ. Jednak w Malitckii18 nowatorska metodologia zastosowana do pomiaru pola odkształceń plastycznych in situ na przestrzeni setek tysięcy cykli obciążenia nie została przedstawiona ani szczegółowo omówiona. Dlatego celem niniejszej pracy jest wprowadzenie nowego podejścia eksperymentalnego do badania zachowania wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych w materiałach polikrystalicznych w reżimie wysokiego cyklu. Nowatorstwo tego podejścia polega na pomiarze odkształceń w pełnym polu in situ przy użyciu unikalnej techniki wzorca, a także na pomiarze szybkości wzrostu pęknięć. Ponieważ metoda ta wykorzystuje optyczne czujniki obrazu, umożliwia uchwycenie tysięcy klatek podczas testu zmęczeniowego. Dyfrakcja wstecznego rozproszenia elektronów (EBSD) jest używana do charakterystyki mikrostrukturalnej i łączona z pomiarami DIC w celu ujawnienia wpływu granic ziaren na opóźnienie wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych18. Podejście to stosuje się do pomiaru małej propagacji pęknięć zmęczeniowych w ferrytycznej stali nierdzewnej bcc 18%Cr18 symulując zachowanie stali konstrukcyjnej w dużych zastosowaniach konstrukcyjnych. W tym artykule wyjaśniamy główne etapy procedury pomiarowej i przedstawiamy podsumowanie dyskusji na temat głównego ustalenia.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>STBH7695</td><td>Pirotyn acetonowy &ge; 99,5 %</td></tr><tr><td>Gaz argon</td><td>Oy AGA Ab, Gazy przemysłowe (Finlandia)</td><td>UN 1006</td><td>Czystość gazu &ge; 99,9999 %</td></tr><tr><td>Piec komorowy</td><td>Lenton</td><td>4934</td><td>zakres temperatur 20-1200 oC</td></tr><tr><td>Oprogramowanie komercyjne DaVis 8</td><td>LaVision Inc.</td><td></td><td>Komercyjne oprogramowanie używane do analizy szybkości wzrostu pęknięć i pola odkształceń</td></tr><tr><td>Wykonane na zamówienie pneumatyczne narzędzie do tłoczenia</td><td>Aalto University</td><td></td><td>Made in Aalto University</td></tr><tr><td>Pasta diamentowa</td><td>Struers Inc.</td><td>DP-Mol. 3 i mikro; m, DP-Nap. 1 &mikro; m,</td> <td>Pasta do polerowania papieru</td></tr><tr><td>ściernego</td><td>Struers Inc.</td><td>FEPA P #800, FEPA P #1200, FEPA P #2500</td><td>Papier do mielenia</td></tr><tr><td>etanolu</td><td>Altia Industrial</td><td>ETAX Ba</td><td>Pyrity etanolu &ge; 99,5 %</td></tr><tr><td>FEG-SEM skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Analiza ZEISS</td><td>ULTRA 55</td><td>EBSD</td></tr><tr><td>Ferrytyczna stal nierdzewna</td><td>Outokumpu Stainless Oyj (Finlandia)</td><td>Rdzeń 441/4509 (ASTM UNS S43940)</td><td>Płyta walcowana 3 mm</td></tr><tr><td>do pompy</td> <td>próżniowejLeybold-Heraeus</td><td>D4B/WS</td><td></td></tr><tr><td>Szlifierka</td><td>Struers Inc.</td><td>LaboPol-21</td><td>Szlifowanie ręczne</td></tr><tr><td>MasterMet 2 Niekrystalizujące zawiesino do polerowania krzemionki koloidalnej</td><td>Buehler Inc.</td><td>40-6380-064</td><td>0,02 &mikro; m krzemionka koloidalna&nbsp;</td></tr><tr><td>Oprogramowanie MatLab</td><td>MathWorks Inc.</td><td></td><td>Oprogramowanie MatLab wykorzystywane jako platforma dla zestawu narzędzi MTEX</td></tr><tr><td>Twardościomierz Micro Vickers</td><td>Buehler Inc.</td><td>Oprogramowanie 1600-6400</td><td></td></tr><tr><td>MTEX</td><td>Open source</td><td></td><td>Zestaw narzędzi Open source oparty na MatLab do analizy danych EBSD (http://mtex-toolbox.github.io/)</td></tr><tr><td>Mikroskop optyczny</td><td>Nikon Corporation</td><td>EPIPHOT 200</td><td></td></tr><tr><td>Maszyna do polerowania</td><td>Struers Inc.</td><td>LaboPol-5</td><td>Polerowanie ręczne</td></tr><tr><td>Serwohydrauliczna maszyna</td><td>MTS system corporation</td><td>858 System</td><td></td>stołowy</tr><tr><td>Pompa turbomolekularna</td><td>Leybold-Heraeus</td><td>Turbovac 50</td><td></td></tr><tr><td>Polerka wibracyjna</td><td>Buehler Inc.</td><td>VibroMet 2</td><td>Automatyczne polerowanie</td></tr><tr><td>Drut EDM</td><td>TamSpark Oy</td><td>Charmilles robofil 400</td><td>średnica drutu 0,15 mm</td></tr></tbody></table>

pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

Nowatorskie podejście pomiarowe jest używane do ujawnienia skumulowanego pola deformacji na poziomie podziarna i do zbadania wpływu mikrostruktury na wzrost mikrostrukturalnie małych pęknięć zmęczeniowych. Proponowana metodologia analizy pola odkształceń opiera się na zastosowaniu unikalnej techniki wzorcowania o charakterystycznej wielkości plamki około 10 μm. Opracowana metodologia jest stosowana do badania małych pęknięć zmęczeniowych w ferrytycznej stali nierdzewnej Fe-Cr wyśrodkowanej na ciele (bcc) o stosunkowo dużym uziarnieniu, co pozwala na uzyskanie wysokiej dokładności pomiaru przestrzennego na poziomie podziarna. Metodologia ta umożliwia pomiar niewielkich opóźnień wzrostu pęknięć zmęczeniowych i związanych z nimi stref lokalizacji przerywanego odkształcenia ścinającego przed wierzchołkiem pęknięcia. Ponadto może to być skorelowane z orientacją i wielkością ziarna. W związku z tym opracowana metodologia może zapewnić głębsze fundamentalne zrozumienie zachowania wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych, wymagane do opracowania solidnych modeli teoretycznych dla stylu <span="font-size: 14px;">propagacja małych pęknięć zmęczeniowych w materiałach polikrystalicznych.

Stosując proponowaną metodologię, możemy analizować pole odkształceń podziarnowych kumulujących się podczas propagacji małych pęknięć zmęczeniowych pod wpływem obciążenia cyklicznego. Charakterystyka jest przeprowadzana na poziomie podziarnowym, co pozwala na ukazanie drobnych cech zachowania materiału pod obciążeniem zmęczeniowym nawet w obrębie pojedynczego ziarna. W szczególności zaobserwowano tworzenie się pól lokalizacji odkształceń ścinających, co przedstawiono na Rysunku 4. W celu zweryfikowania zaobserwowanych zjawisk przeprowadzono szereg badań.
Pole deformacji można łatwo połączyć z obrazem granic ziaren w celu kompleksowej charakterystyki cech odpowiedzialnych za anomalne zachowanie wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych (patrz Rysunek 5). Kumulatywna analiza pola deformacji, mikrostruktury, szybkości wzrostu pęknięcia i ścieżki pęknięcia ujawnia zależność między spowolnieniem szybkości wzrostu małych pęknięć a akumulacją strefy lokalizacji odkształceń ścinania18, co pokazano w filmie.
<img alt="Rysunek techniczny, schemat inżynieryjny z dokładnymi wymiarami i kątami obrobionej części." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schematyczny widok próbki do testu zmęczeniowego badanej ferrytycznej stali nierdzewnej (wymiary podano w mm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59134/59134fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat analizy krystalograficznej: badanie mikrotwardości, rozkład orientacji ziaren, mapa indeksowana." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Obraz SEM powierzchni bocznej próbki z ferrytycznej stali nierdzewnej w pobliżu obszaru nacięcia (a) oraz odpowiadająca jej mapa przeciwległych figur biegunowych (IPF) z legendą IPF na wkładce (b). Dopasowanie pola odkształceń DIC i obrazu EBSD wykonano przy pomocy mikro wgłębień Vickersa zaznaczonych przerywanymi okręgami (a). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59134/59134fig2large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obraz mikroskopowy wzoru Turinga, skala 200 µm, ilustrujący spontaniczne tworzenie się wzorów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Mikroskopia optyczna bocznej powierzchni próbki z naniesionym wzorem.
<img alt="Schemat lokalizacji odkształcenia ścinającego pokazujący progresję procentową odkształcenia w analizie materiałowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Przerwana akumulacja stref lokalizacji odkształcenia ścinającego podczas wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59134/59134fig4large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Krystalograficzna analiza odkształcenia ścinającego; mapa konturów odkształcenia; maksymalne odkształcenie ścinające w mikrostrukturze." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. Dwa przykłady (a i b) połączonego widoku pola odkształcenia ścinającego i mikrostruktury badanej stali poddanej testom zmęczeniowym. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59134/59134fig5large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić większą wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Konfiguracja maszyny CNC do precyzyjnego frezowania, przedstawiająca komponenty mechaniczne i okablowanie elektryczne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59134/59134fig6.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Specjalistyczna maszyna pneumatyczna do zdobienia wzorami próbek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59134/59134fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Mikrostrukturalnie małe zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest badane przy użyciu nowatorskiego podejścia metodologicznego, łączącego pomiar szybkości wzrostu pęknięć i analizę pola odkształceń, aby ujawnić skumulowane pole deformacji na poziomie podziarna.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazu. Potrzebne są nowe lekkie rozwiązania, aby poprawić efektywność energetyczną pojazdów, takich jak statki, możliwe jest zmniejszenie masy dużych konstrukcji stalowych, przy użyciu zaawansowanych materiałów stalowych. Efektywne wykorzystanie wymaga wysokiej jakości produkcji i solidnych metod projektowania, solidne metody projektowania oznaczają analizę statyczno-wytrzymałościową w realistycznych warunkach obciążenia, takich jak obciążenie wywołane falami w przypadku statku wycieczkowego, analiza wytrzymałości strukturalnej konstrukcji obejmuje obliczenia odpowiedzi w celu zdefiniowania odkształceń i naprężeń, dopuszczalny poziom naprężeń jest definiowany na podstawie wytrzymałości krytycznych detali konstrukcyjnych, W przypadku dużych konstrukcji są to zazwyczaj połączenia spawane w jednorodnej mikrostrukturze, jednym z kluczowych wyzwań projektowych jest zmęczenie ze względu na jego kumulatywny i zlokalizowany charakter, na przykład na nacięciu spoiny, dla wysokiej jakości wykonania najważniejszą kwestią jest inicjacja i propagacja małych pęknięć zmęczeniowych, ponieważ wady produkcyjne podobne do pęknięć są pomijane.Badania te dotyczą małych pęknięć zmęczeniowych i wprowadzają nowe, eksperymentalne podejście, nowatorstwo podejścia polega na pomiarze odkształceń w pełnym polu in-situ przy użyciu unikalnej techniki wzoru, w połączeniu z pomiarem szybkości wzrostu korby, przy jednoczesnym pomiarze szybkości wzrostu korby, w tym samym czasie, gdy analiza mikrostrukturalna ujawnia wpływ koncentracji naprężeń ścinających i granic ziaren na opóźnienie pęknięć zmęczeniowych niewielkich zmęczeniowych. Wyjaśniamy główne etapy procedury pomiarowej i przedstawiamy podsumowanie dyskusji na temat głównego wyniku. Krok pierwszy, przygotowanie próbki i wyżarzanie, blachę stalową wyżarza się w atmosferze azotu w temperaturze 1200 stopni Celsjusza przez godzinę i hartuje w wodzie, procedura wyżarzania powoduje wzrost średniego uziarnienia badanej stali do 349 mikrometrów, bez wydłużania tworzenia się cząstek węglika chromu, z wyżarzonej płyty badanej stali ferrytycznej wycina się próbki karbowane o grubości jednego milimetra za pomocą obróbka elektroerozyjna, schemat próbki pokazano tutaj.Powierzchnie próbek są polerowane, wykańczając je dwumikrometrowym koloidalnym polerowaniem wibracyjnym krzemionkowym, które jest wymagane do analizy dyfrakcji dyfrakcji elektronów. Krok drugi, wstępne pękanie zmęczeniowe, próbka poddawana jest jednoosiowemu cyklicznemu obciążeniu i częstotliwości zmęczenia 10 herców, początkowe pęknięcia o długości od jednego mikrometra do 20 mikrometrów są wytwarzane na końcówce karbu. Optyczne monitorowanie początkowego powstawania pęknięć po 10 000 cykli obciążenia cyklu, powtórzyć badanie obciążenia cyklu, jeśli początkowe pęknięcie nie zostało wyprodukowane.Krok trzeci, charakterystyka mikrostrukturalna, znaczniki mikrowgłębień Vickersa służą do oznaczenia obszaru zainteresowania, mikrostruktura stali jest badana od bocznej powierzchni próbki w pobliżu wcięcia za pomocą analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych. Przedstawiono tutaj analizę współczynnika Schmida i błędnej orientacji granicy ziaren. Krok czwarty, dekoracja wzorem, oczyść powierzchnię próbki etanolem, nałóż cienką warstwę tuszu na szklaną powierzchnię, dociśnij silikonowy stempel ze wzorem na szkle, aby przesunąć warstwę tuszu na powierzchnię stempla, używamy specjalnie wykonanego narzędzia pneumatycznego do szybkiej i precyzyjnej obsługi stempla, Dociśnij silikonowy stempel pokryty tuszem do powierzchni próbki, sprawdź jakość wzoru plamek za pomocą mikroskopii optycznej, przykład wzoru nakrapianego pokazano tutaj.Krok piąty, próba zmęczeniowa z cyfrową korelacją obrazu, uruchom test zmęczeniowy i synchronizację z systemem rejestracji obrazu, test zmęczeniowy jest kontynuowany, gdy długość pęknięcia zbliża się do wartości krytycznej lub odkształcenie plastyczne zaczyna dominować. Krok 6, analiza wyników, uzyskane obrazy są analizowane za pomocą komercyjnego oprogramowania do obliczenia szybkości wzrostu pęknięć oraz cyfrowej analizy korelacji obrazu, dla badanego obszaru przeprowadzana jest analiza odkształcenia odkształcenia ścinającego, analiza skumulowana uzyskanych wyników, wykorzystanie znaczników mikrowgłębień Vickersa do prawidłowego wyrównania pola odkształcenia odkształcenia ścinającego z danymi mapowania dyfrakcji dyfrakcji elektronów, granice ziarna, mapa orientacji ziarna. Reprezentatywne wyniki, akumulacja pola odkształceń ścinających przy wielkości podziarna podczas krótkiej propagacji pęknięć zmęczeniowych, połączenie widoku akumulacji pola odkształceń ścinających i mikrostruktury badanej stali, połączenie szybkości wzrostu pęknięć i analizy akumulacji odkształceń ścinających daje możliwy mechanizm wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych, małe pęknięcia zmęczeniowe rozchodzą się począwszy od początkowego pęknięcia powstałego w procedurze wstępnego pękania, Strefa odkształcenia ścinającego lokalizuje się przed wierzchołkiem pęknięcia, a rozmiar strefy odkształcenia ścinającego rośnie, podczas gdy pęknięcie rozchodzi się w kierunku lokalizacji, gdy pęknięcie zbliża się do strefy lokalizacji odkształcenia, szybkość wzrostu pęknięcia znacznie spada z powodu zmiany trybu propagacji pęknięcia, szybkość wzrostu pęknięcia wzrasta w sposób ciągły po przekroczeniu przez pęknięcie środka strefy lokalizacji odkształcenia, Tempo wzrostu pęknięć zaczyna ponownie spadać, gdy tylko utworzy się następna strefa lokalizacji szczepu przed wierzchołkiem pęknięcia.Wnioski, nowatorskie badania zapewniają głębsze zrozumienie zachowania wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych, połączenie pomiaru szybkości wzrostu pęknięć i analizy pola odkształceń na poziomie podziarna pomaga ujawnić mechanizm odpowiedzialny za anomalny wzrost małych pęknięć zmęczeniowych, to głębsze zrozumienie zachowania wzrostu małych pęknięć zmęczeniowych umożliwia opracowanie nowych podejść teoretycznych, a tym samym umożliwia projektowanie lżejszych i bardziej energooszczędnych konstrukcji w przyszłości.

full-field-strain-measurements-for-microstructurally-small-fatigue

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy użycie cyfrowej korelacji obrazu do scharakteryzowania lokalnego pola odkształcenia powierzchniowego na próbkach tkanki naczyniowej poddanych jednoosiowej próbie rozciągania. Pomiary te ułatwiają precyzyjną kwantyfikację reakcji mechanicznej próbki i generowanie konstytutywnych relacji naprężenie-odkształcenie.

Wykorzystanie cyfrowej korelacji obrazów do scharakteryzowania lokalnych szczepów na próbkach tkanki naczyniowej

W tym protokole, naprężenia powierzchni kości udowej są szacowane podczas testów złamań przy użyciu techniki cyfrowej korelacji obrazu. Nowatorstwo metody polega na zastosowaniu stochastycznego wzoru plamek o wysokim kontraście na powierzchni kości udowej, starannie dobranym oświetleniu, szybkim przechwytywaniu wideo i cyfrowej analizie korelacji obrazu do obliczeń odkształceń.

Metoda szacowania naprężeń kory kości udowej zwłok podczas badania złamań z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Technika próbkowania mory z 2-pikselowymi i wielopikselowymi metodami próbkowania do bardzo dokładnych pomiarów rozkładu odkształceń w skali mikro/nano jest tutaj prezentowana.

Pomiar rozkładu odkształceń w skali mikro/nano na podstawie pobierania próbek prążków mory

Tutaj prezentujemy metodologię dynamicznej charakterystyki próbek rozciągających przy średnich szybkościach odkształcania przy użyciu szybkiej serwohydraulicznej ramy obciążeniowej. Zdefiniowano również procedury oprzyrządowania i analizy tensometrycznej, a także pomiarów odkształceń w korelacji obrazów cyfrowych na próbkach.

Charakterystyka materiału o pośredniej szybkości odkształcania z cyfrową korelacją obrazu

Cyfrowa korelacja obrazu jest używana w testach zmęczeniowych na maszynie do badania rezonansu do wykrywania makroskopowych pęknięć i monitorowania propagacji pęknięć w próbkach spawanych. Pęknięcia na powierzchni próbki stają się widoczne jako zwiększone odkształcenia.

Monitorowanie pęknięć w rezonansowych badaniach zmęczeniowych spawanych próbek z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Ten artykuł opisuje algorytm korelacji obrazów cyfrowych o otwartym kodzie źródłowym do pomiaru lokalnych szczepów tkanek 2D w eksplantatach ścięgien. Dokładność tej techniki została zweryfikowana przy użyciu wielu technik i jest ona dostępna do użytku publicznego.

Pomiar lokalnych naprężeń tkanek w ścięgnach za pomocą cyfrowej korelacji obrazu o otwartym kodzie źródłowym

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm.

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

Komórka ścinająca jest przeznaczona do pomiarów rozpraszania neutronów pod małym kątem w płaszczyźnie gradientu prędkości-prędkości ścinania i służy do charakteryzowania złożonych płynów. Pomiary przestrzennie rozdzielcze w kierunku gradientu prędkości są możliwe do badania materiałów z pasmami ścinania. Zastosowania obejmują badania dyspersji koloidalnych, roztworów polimerowych i struktur samoorganizujących się.

Pomiar mikrostruktury materiału pod przepływem za pomocą rozpraszania neutronów w 1-2 płaszczyznach przepływu i małym kącie

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Protokół do ultradźwiękowych testów zmęczeniowych w obszarze wysokiego i ultrawysokiego cyklu w trybie obciążenia osiowego rozciągania-ściskania.

Ultradźwiękowe badania zmęczeniowe w trybie rozciągania-ściskania

Poznaj metodę cyfrowej korelacji obrazów do pomiarów odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małych pęknięć zmęczeniowych. Badanie ujawnia mechanizmy propagacji pęknięć na poziomie podziarnistym.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów (Wideo) | JoVE Journal

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Przeglądaj więcej filmów