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

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.