Summary
Comportamento a fatica microstructurally piccola crepa crescita è studiato utilizzando un nuovo approccio metodologico che combina analisi misura e campo di deformazione della crescita tasso crepa per rivelare il campo di deformazione cumulativa a livello sub-grano.
Abstract
Un approccio di misurazione romanzo viene utilizzato per rivelare il campo di deformazione cumulativo ad un livello sub-grano e per studiare l'influenza della microstruttura sulla crescita di cricche di fatica microstructurally piccolo. La metodologia di analisi del campo di deformazione proposto si basa sull'uso di una tecnica picchiettando sul unica con una dimensione caratteristica della macchiolina di circa 10 µm. La metodologia sviluppata è applicata per studiare il comportamento di crepa piccolo affaticamento in cubico a corpo centrato (bcc) acciaio inossidabile ferritico Fe-Cr con una granulometria relativamente grande che consente una precisione alta misura spaziale a livello sub-grano. Questa metodologia consente la misurazione di cricche di fatica piccolo ritardo eventi e associati intermittente shear zone di localizzazione di ceppo davanti alla punta di crack. Inoltre, questo può essere correlato con grano orientamento e dimensioni. Così, la metodologia sviluppata in grado di fornire una più profonda comprensione fondamentale del comportamento crescita crepa piccola fatica, necessaria per lo sviluppo di robusti modelli teorici per la propagazione di crepa piccola fatica nei materiali policristallini .
Introduction
Nuove soluzioni leggere sono necessari per migliorare l'efficienza energetica dei veicoli come navi. Riduzione di peso di grandi strutture in acciaio è possibile utilizzando avanzati materiali in acciaio. L'utilizzo efficiente di nuovo materiale e la soluzione leggera richiede alta qualità di fabbricazione e design robusto metodi1,2. Un metodo di progettazione robusta significa analisi strutturale in condizioni di carico realistiche, come onda-indotta nel caso di una nave da crociera, così come i calcoli di risposta per definire le deformazioni e le sollecitazioni di carico. Il livello di stress consentiti è definito in base sulla forza critici dettagli strutturali. Nel caso di strutture di grandi dimensioni, queste sono giunti in genere saldati con una microstruttura disomogenea. Una delle sfide fondamentali di progettazione di nuove soluzioni leggere è la stanchezza a causa della sua natura cumulativa e localizzata, che spesso si svolgono alle tacche di saldatura. Per alta qualità di fabbricazione, il comportamento a fatica è dominato dalla crescita di piccoli fatica crepa (SFC) poiché la produzione indotta difetti sono molto piccola1,3. Così, la comprensione fondamentale della crescita di crepa piccola fatica nei materiali metallici è cruciale per l'uso sostenibile di nuovi acciai in strutture ad alte prestazioni.
La modellazione efficace di un tale processo complicato come propagazione di cricche di fatica nei materiali metallici policristallino è impossibile senza una chiara comprensione dei processi fisici che accompagnano il meccanismo di frattura di fatica. Un notevole sforzo della comunità di ricerca si è concentrato sullo studio di propagazione di cricche di fatica mediante osservazione visiva e analisi statistica. Finora, comportamento a fatica piccola crepa crescita è stato studiato principalmente da metodi teorici a causa delle limitazioni tecniche sperimentali. Il ritardo di tasso di sviluppo crepa affaticamento anomalo per SFC è associato solitamente con il grano confini (GB)4,5,6,7,8,9. Tuttavia, le ragioni di crescita anomala di SFC sono ancora in discussione. I risultati ottenuti da modelli teorici utilizzando un metodo discreto dislocazione Mostra la formazione di un muro di dislocazione, o un contorno di grana corta basso angolo causato dalle dislocazioni emessa dalla punta crepa fatica che influenzano il tasso di crescita di fatica crepa10 ,11,12,13. Fino a poco tempo, c'è stata una sfida in accurata analisi sperimentale del comportamento crescita crepa piccolo affaticamento. Osservazioni sperimentali sono necessari per lo sviluppo di modelli computazionali principi fisici di base.
Per l'analisi del comportamento di deformazione ciclica del materiale alle micro-scala è preferibile disporre di misure di deformazione di pieno campo che possono essere svolte in situ durante il caricamento ciclico utilizzando standard meccanici apparecchi, con risoluzione spaziale di prova almeno un ordine di grandezza sotto la scala di lunghezza caratteristica della microstruttura. Al fine di comprendere le variazioni nel tasso di crescita del crack fatica, sforzo misurato campi sono spesso legati a misure di diffrazione (EBSD) backscatter elettrone della microstruttura del materiale. Carrol et al.14 forniscono un quantitativo, pieno-campo ex situ misurazione della deformazione plastica vicino una crepa lunga fatica crescente in una lega eccezionale a base di nichel, mostrando la formazione dei lobi asimmetrici sulla scia di plastica della cricca di fatica moltiplicazione. A maggiore ingrandimento, microscopia elettronica correlazione di immagini digitali (DIC) ha rivelato la disomogeneità di ceppo associati con la localizzazione di ceppo sulle bande antiscivolo, con due letti singoli e contorni di grano che interessano la fatica crack comportamento di sviluppo. Tuttavia, l'usato ex situ approccio di misurazione non è in grado di catturare il campo di deformazione durante la propagazione di cricche di fatica. Uno studio sperimentale di smussamento plastica durante la propagazione di cricche di fatica lungo è stato effettuato da Peralta15 utilizzando DIC in situ per purezza commerciale Ni (99,6%). I risultati hanno rivelato che l'accumulo di deformazione plastica è stata dominata da taglio lungo i bordi di slittamento che si estendeva davanti il crack e sono stati inclinati rispetto alla direzione di crescita della crepa. La localizzazione di ceppo osservati presso le bande di slittamento è probabilmente causata da sovraccarico, dato che i valori di fattore di intensità bassa sollecitazione tradursi in una natura mista della deformazione (taglio e sforzo normale)14,15. Una distribuzione di campo del ceppo eterogeneo a livello sub-grano è stata osservata per alluminio grana grossa lega16 e duplex in acciaio17, dove l'attivazione di sistemi di slip la dislocazione è stata associata con Schmid legge16 ,17.
Un recente studio condotto da Malitckii18 si manifesta che comportamenti anomali di crescita SFC sono controllato da disomogeneità di ceppo relazionati alla struttura di grano o, in particolare, dall'accumulo di shear zone di localizzazione di ceppo davanti il crack. Con pattern di micro-scala di alta qualità e grani più grandi di 100 µm, microscopia ottica DIC attivate misure di deformazione in situ Sub-grano per la prima volta. Tuttavia, in Malitckii18, la nuova metodologia applicata al campo di deformazione plastica di misura in situ nel corso di centinaia di migliaia di cicli di carico non era presentata o discusso in dettaglio. Pertanto, l'obiettivo di questa carta è di introdurre questo nuovo approccio sperimentale per lo studio di comportamento di sviluppo di crepa piccola fatica nei materiali policristallini in regime di alta ciclo. La novità dell'approccio consiste in situ pieno-campo di misurazione della deformazione utilizzando una tecnica di modello unico, oltre alla misura di tasso di crescita crepa. Perché questo metodo utilizza sensori di immagine ottico che permette di catturare migliaia di fotogrammi durante la prova di fatica. Diffrazione da retrodiffusione elettronica (EBSD) è utilizzata per la caratterizzazione microstrutturale e combinata con le misurazioni di DIC per rivelare l'impatto dei contorni di grano su piccola fatica crepa crescita ritardo18. L'approccio è applicato per la misura della propagazione di cricche di fatica piccolo in bcc 18% Cr acciaio inossidabile ferritico18 simulando il comportamento dell'acciaio strutturale per applicazioni strutturali di grandi dimensioni. In questa carta, spieghiamo le fasi principali della procedura di misurazione e fornire una riepilogo discussione del ritrovamento principale.
Protocol
1. preparazione e ricottura
- Le lastre di acciaio inossidabile ferritiche originali del mulino con uno spessore di 3 mm (Vedi Tabella materiali) per formare la piastra con dimensione caratteristica di circa 200 x 15 x 1 mm.
- Inserire la piastra d'acciaio prodotta nel tubo di quarzo e pompa (Vedi Tabella materiali) fino a quando la pressione di circa 10-6 mbar.
- Fornire gas argon (Vedi Tabella materiali) nel tubo di quarzo fino a quando la pressione raggiunge circa 0,2 mbar.
- Sigillare il tubo di quarzo con il campione all'interno di riscaldamento del tubo di quarzo fino alla fusione di temperatura19.
Attenzione: La procedura di tenuta è pericolosa. Usare le necessarie precauzioni come protezione degli occhi adeguata, ecc.20. - Tempri la piastra in acciaio sigillata all'interno del tubo di quarzo utilizzando il forno a camera (Vedi tabella materiali) alla temperatura di 1200 ° C per 1 h e tempra in acqua.
Nota: La procedura di ricottura aumenta la granulometria medio dell'acciaio ha studiato fino a 350 µm senza vasta formazione di cromo duro particelle21.
Attenzione: La procedura di ricottura è pericolosa. Usare le necessarie precauzioni e seguire le istruzioni del manuale forno camera. - Taglio dentellati esemplari (con spessore di 1 mm) dalla piastra ricotta dell'acciaio ferritico studiato mediante elettroerosione (EDM, vedere Tabella materiali). Lo schema dell'esemplare è illustrato nella Figura 1.
Attenzione: La procedura di taglio EDM è pericolosa. Usare le necessarie precauzioni e seguire le istruzioni del manuale di EDM. - Levigare e lucidare la superficie del campione.
- Macinare le superfici campione utilizzando la macchina per la frantumazione con carta smeriglio (Tabella materiali) fino a quando la superficie del campione è uniforme.
- Lucidare le superfici campione utilizzando la macchina di lucidatura con 3 µm e pasta diamantata 1 µm (Vedi Tabella materiali) per 10 minuti ciascuno.
- Lucidare la superficie del campione utilizzando la silice colloidale 0,02 µm vibratoria lucidatura (Vedi tabella materiali) per circa 4 h; Ciò è necessario per l'analisi EBSD.
2. fatica pre-cracking
- Sperimentalmente e definire i parametri di test di fatica di spostamento controllato.
- Regolare la cilindrata limiti εmin e εmax della macchina idraulica servo (Vedi Tabella materiali) affinché il σmin e σmax sono nella gamma di circa -50 MPa e 300 MPa, rispettivamente.
Attenzione: Il servo idraulico macchina è pericolosa. Usare le necessarie precauzioni e seguire le istruzioni del manuale macchina idraulica servo. - Esaminare la formazione iniziale crepa dopo 2.000, 5.000 e 10.000 cicli mediante microscopia ottica (Vedi Tabella materiali) per definire il numero ottimale di cicli di fatica ed evitare cricche estesa.
- Regolare la cilindrata limiti εmin e εmax della macchina idraulica servo (Vedi Tabella materiali) affinché il σmin e σmax sono nella gamma di circa -50 MPa e 300 MPa, rispettivamente.
- Sottoporre il campione a spostamento controllato monoassiale carico ciclico per quantità definita di cicli.
- Esaminare la formazione di crepa iniziale dopo una quantità definita di cicli mediante microscopia ottica. Iniziale crepe con lunghezze fino a circa 20 µm sono prodotte presso la punta della tacca.
- Aumentare il numero della fatica di cicli di carico se il crack iniziale non è stato prodotto.
- Se la lunghezza della fessura iniziale supera 50 µm, sostituire l'esemplare.
3. microstrutturale caratterizzazione
- Pulire il campione pre-cracking.
- Pulire il campione pre-cracking con acetone per 20 min utilizzando gli ultrasuoni (Vedi Tabella materiali) del bagno.
- Pulire il campione pre-cracking con etanolo per 20 min utilizzando gli ultrasuoni (Vedi Tabella materiali) del bagno.
- Contrassegnare l'area studiata utilizzando Vickers microindentations come mostrato nella Figura 2a.
- Seguire le istruzioni del microindentor Vickers (Vedi Tabella materiali) per eseguire i segni di microindentazione.
- Inserire il campione il micro tester di durezza di Vickers (Vedi Tabella materiali).
- Impostare la forza di rientro a 500 N.
- Regolare la posizione per il primo segno di indentazione Vickers circa 500 µm lateralmente dalla punta tacca. Preparare il secondo rientro da altro lato.
- Regolare la posizione per il terzo segno rientro di circa 500 µm lateralmente e circa 400 µm distanza dalla punta della tacca.
- Analizzare la microstruttura dell'acciaio dalla superficie laterale del provino nelle vicinanze la tacca utilizzando analisi di diffrazione (EBSD) backscatter elettronico (Vedi Tabella materiali).
- Seguire il manuale di istruzioni del microscopio elettronico a scansione per eseguire analisi EBSD.
- Impostare l'ingrandimento 200x.
- Regolare la posizione del campione in rivelatore EBSD. Assicurarsi che la punta della tacca e tre segni di microindentazione Vickers siano nell'ambito del EBSD scansione (Vedi Figura 2b).
- Impostare la dimensione del passo della EBSD scansione a 2 µm. durata di scansione è di circa 1 h.
4. decorazione con un modello
- Pulire la superficie del campione con etanolo (Vedi Tabella materiali) per 10 min utilizzando il bagno a ultrasuoni.
- Asciugare il campione con un ventilatore.
- Pulire un vetrino da microscopio utilizzando un tovagliolo di carta imbevuto con etanolo (Vedi Tabella materiali).
- Depositare un sottile strato di inchiostro sulla superficie del vetro del vetrino da microscopio. Un marcatore permanente fornisce uniforme strato di inchiostro sulla superficie del vetro a mano.
- Premere il timbro in silicone con il disegno sulla superficie del vetro per trasferire uno strato di inchiostro sulla superficie del timbro.
- Premere il timbro in silicone coperto con l'inchiostro sulla superficie del campione.
- Controllare la qualità del modello di speckle usando microscopia ottica. Nella Figura 3è riportato un esempio del modello della macchiolina. Vedi riferimenti22,23 per i dettagli del modello e stampa microcontatto.
- Assicurarsi che la dimensione del modello della macchiolina è almeno 10 volte più piccola della granulometria del materiale studiato.
Nota: Eseguire i passi 2, 3 e 4 in tempo utile per evitare l'essiccazione dell'inchiostro. Definire il tempo di asciugatura sperimentalmente.
5. prove di fatica con DIC
- Impostare l'esemplare nel servo idraulico macchina (Vedi tabella dei materiali).
Attenzione: Il servo idraulico macchina è pericolosa. Usare le necessarie precauzioni e seguire le istruzioni del manuale macchina idraulica servo. - Regolare i parametri di test di carico controllato fatica utilizzando R = 0.1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) e verificare la frequenza di 10 Hz utilizzando il software di controllo della macchina affaticamento.
- Impostare un microscopio ottico con obiettivo zoom di precisione: 16x (Vedi Tabella materiali) per osservazione ottica del provino con intaglio zona.
- Dotare il microscopio ottico con una fotocamera digitale con risoluzione di 2.048 pixel x 1,536 pixel.
- Regolare manualmente l'ingrandimento del microscopio ottico.
- Garantire che l'intero dentellato zona del campione si inserisce in area immagine della fotocamera digitale.
- Assicurarsi che la dimensione dei pixel è almeno 5 volte inferiore rispetto alle dimensioni del modello.
- Eseguire la prova di fatica e sincronizzare con l'immagine di sistema di registrazione.
- Catturare le immagini durante il temporaneo (10 s) fermate della prova di fatica a intervalli di 500 cicli.
- Assicurarsi che il carico viene mantenuto costante con uno sforzo medio di circa 210 MPa durante l'acquisizione di immagini.
- Continuare le prove di fatica fino a quando la lunghezza della fessura si avvicina un valore critico o sezione net plasticità inizia a dominare.
6. Risultati analisi
- Utilizzare le immagini raw ottenute per eseguire la crepa tasso di crescita (CGR) e l'analisi DIC utilizzando un software commerciale (Vedi Tabella materiali).
- Utilizzare il manuale operativo per eseguire analisi CGR. Si noti che l'analisi di tasso di crescita crack è possibile eseguire utilizzando il software commerciale automaticamente o manualmente.
- Eseguire l'analisi CGR manualmente utilizzando il set di dati di immagine raw tramite la misura dell'incremento di lunghezza crepa dopo ogni 500 cicli.
- Analizzare della deformazione da sollecitazione al taglio per l'area studiata utilizzando software commerciali.
- Utilizzare il manuale operativo per eseguire analisi di deformazione di taglio ceppo.
- Garantire tale correlazione modalità nelle impostazioni di serie di ora del software viene scelto per essere "rispetto al primo".
- Eseguire Schmid fattore e grani misorientation analisi dei dati EBSD utilizzando la casella degli strumenti opensource MTEX (Vedi Tabella materiali).
Nota: Informazioni dettagliate su analisi di misorientation fattore e grani di Schmid sono disponibili nella Guida utente di MTEX toolbox24. - Eseguire analisi cumulativa dei risultati ottenuti.
Nota: L'analisi cumulativa è discussa in rif.18.- Utilizzo marchi di microindentazione Vickers per abbinare la mappa di contorno di grano, il misorientation mappa e la mappa di fattore Schmid in cima il taglio sforzo deformazione campo18.
- Definire la correlazione tra CGR, campo di deformazione e microstruttura (misorientation e Schmid fattore mappe)18.
Representative Results
Utilizzando la metodologia proposta, possiamo analizzare il campo di deformazione Sub-grano accumulando durante la propagazione di cricche di fatica piccolo sotto carico ciclico. La caratterizzazione viene eseguita a livello di grano sub Mostra piccoli caratteristiche del comportamento del materiale sotto carico anche all'interno di un singolo granello di affaticamento. In particolare, formazione di taglio ceppo localizzazione campi è stata osservata come mostrato nella Figura 4. Una serie di test sono stata effettuata per verificare i fenomeni osservati.
Il campo di deformazione è facilmente abbinabile con l'immagine di contorno di grano per una caratterizzazione completa delle caratteristiche responsabile per il comportamento di crescita anomala delle crepe piccolo affaticamento (Vedi Figura 5). Analisi cumulativa del campo di deformazione, microstruttura, tasso di crescita di crack e crack percorso rivelano una dipendenza tra il ritardo della piccola crepa crescita tasso e l'accumulazione del taglio ceppo localizzazione zona18, come mostrato nel video.
Figura 1 : Rappresentazione schematica dell'esemplare della prova di fatica dell'acciaio inossidabile ferritico ha studiato (le dimensioni sono in mm). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Immagine di SEM della superficie del lato dell'acciaio inossidabile ferritico esemplare in prossimità della zona dentellata (a) e la mappa di figura (IPF) inversa palo con chiave IPF nell'inserto (b). L'allineamento del campo di deformazione DIC e dell'immagine EBSD è stato effettuato con l'aiuto di Vickers microindentations mostrato da tratteggiata cerchi (a). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella figura 3. Microscopia ottica della superficie laterale del campione decorato con un motivo.
Figura 4 . Accumulazione intermittente di shear zone ceppo localizzazione durante cricche di fatica piccola. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 . Due esempi (a e b) della visualizzazione combinata Shear campo di deformazione e microstruttura dell'acciaio studiato testati nell'affaticamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 . Macchina pneumatica su misura per la decorazione del reticolo degli esemplari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Un approccio novello misurazioni in situ è stato introdotto per misurare il campo di deformazione cumulativa a livello di micro-scala di grano. Al fine di dimostrare la capacità di approccio, il comportamento di propagazione di crepa fatica microstructurally piccolo è studiato in acciaio inossidabile ferritico con 18% di cromo. L'acciaio ha studiato è stato fornito in forma di caldo laminati piastra con uno spessore di 3 mm (Vedi Tabella materiali) e media granulometria di circa 17 µm21.
Una misurazione eseguita con successo richiede che una crepa di affaticamento iniziale viene prodotto sulla punta della tacca dei campioni per ulteriori analisi di comportamento di propagazione. Al fine di studiare una microstructurally piccola crepa, la lunghezza della fessura iniziale dovrebbe essere significativamente più piccola rispetto alla dimensione del grano dell'acciaio studiato. Prove di fatica è spostamento controllato per evitare cricche dopo cricche di fatica. Si è constatato che il tempo di avvio del crack di affaticamento diminuisce in modo significativo con la diminuzione del rapporto di sforzo (R). Così, solo 10.000 cicli sono stati richiesti per cricche di fatica nei campioni testati con rapporto R-0.16, mentre con Rratio 0.1, il crack di affaticamento non hai avviato anche dopo 100.000 cicli. L'uso del rapporto di carico R =-0.16 permette di aumentare la gamma di stress da 315 MPa a 350 MPa, avendo ancora più piccolo massima sollecitazione per il pre-cracking di quella di prove di fatica effettivo.
Alla cricche di fatica piccolo intermittente è associata solitamente con la microstruttura. In particolare, bordi di grano sono ampiamente considerati come caratteristiche microstrutturali responsabili della piccola crepa crescita ritardo4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. la formulazione di dislocazione nell'elemento di contorno di Hansson et al.13 Mostra che i confini di grano a basso angolo che si trova nel modo di crack percorso possono risultare in un aumento e la diminuzione del tasso di crescita crepa; Tuttavia, i bordi di grano ad alto angolo non influenzano il tasso di crescita di crack. I motivi fisici che causano il comportamento di crescita anomala crepa non sono conosciuti. Al fine di rivelare le caratteristiche microstrutturali causando il ritardo piccola crepa, una caratterizzazione microstrutturale è stata eseguita prima di prove di fatica dell'esemplare. La lucidatura procedura descritta nel passaggio 1 è cruciale per un'analisi microstrutturale affidabile utilizzando EBSD. Nel passaggio 3, appena prima dell'analisi EBSD, la pulizia del campione in etanolo è consentita solo, essendo pericolosi per rivelatore EBSD vapori di acetone.
Al fine di rivelare i processi di deformazione all'interno di singoli grani, la dimensione del modello della macchiolina deve essere significativamente più piccola rispetto alla dimensione del grano dell'acciaio studiato. Poiché il formato di grano medio dell'acciaio dopo ricottura è circa 350 µm, la dimensione caratteristica del modello della macchiolina occorrente per il calcolo di DIC è stato scelto per essere di circa 10 µm22,12. La dimensione del modello della macchiolina deve essere almeno 10 volte inferiore alla dimensione del grano dell'acciaio studiato per la corretta attuazione del passaggio 5. La superficie dell'esemplare è decorata con un motivo di speckle utilizzando un timbro in silicone. Usiamo un attrezzo pneumatico su misura (Vedi Figura 6) per un funzionamento rapido e preciso del timbro.
Comportamento a fatica piccola crepa propagazione è studiato durante i test di carico controllato fatica degli esemplari pre-cracking utilizzando il rapporto R 0.1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) e la frequenza di 10 Hz. prove di fatica segue insieme a immagine digitale di misura di correlazione (DIC). L'area di interesse è controllata mediante un microscopio ottico, 16x obiettivo Zoom di precisione, con una risoluzione di 2 µm/pixel. Immagini sono catturate durante temporaneo (10 s) fermate della prova di fatica a intervalli di 500 cicli. Durante l'acquisizione di immagini, il caricamento è mantenuto costante, con uno sforzo medio di circa 210 MPa, al fine di avere condizioni di carico uguale per tutte le immagini, stabilizzare la deformazione plastica ed evitare affaticamento crepa chiusura e vasto creep accompagnato con min e max di carico forza, rispettivamente. La novità del metodo si basa sulla registrazione ad alta risoluzione in loco DIC immagine che permette di rivelare le zone di deformazione piccoli che si formano durante cricche di fatica piccolo. Il successo dell'esperimento dipende la corretta attuazione della procedura pre-cracking, selezione di intervallo di acquisizione immagine e ingrandimento per evitare la sfocatura delle piccole caratteristiche quali le zone di localizzazione di ceppo shear osservati. Così, corretta selezione della risoluzione della fotocamera, dimensione reticolo ottico ingrandimento e macchiolina come descritto al punto 5 del protocollo può essere cruciale per i fenomeni di localizzazione di ceppo. Tuttavia, morfologia delle zone di localizzazione ceppo di taglio non è ancora chiaro e ha bisogno di ulteriori miglioramenti del modello della macchiolina e risoluzione dell'immagine apparecchiature di registrazione.
L'approccio metodologico descritto in questo articolo è adatto per analisi di crescita crepa di affaticamento piccole crepe nei materiali a grana grossa. Una combinazione di campo di deformazione analisi presso l'aiuta di livello di grano sub per rivelare il meccanismo che sono responsabili della crescita anomala della fatica piccola crepe18, oltre al confine di grano ampiamente osservata e misura di tasso di crescita crepa effetti su Sfc. più profonda comprensione dei meccanismi di frattura fatica rende possibile lo sviluppo di nuovi approcci teorici e permette quindi, progettazione di più leggero e più energia efficiente strutture in futuro.
Disclosures
Gli autori non hanno nessun concorrenti interessi finanziari di divulgare.
Acknowledgments
L'acciaio inossidabile ferritico ASTM UNS S43940 era fornita da Outokumpu Oyj inox. Ricerca è supportata da Accademia di Finlandia progetto № 298762 e Aalto University School of Engineering e di post-dottorato finanziamento No 9155273 Aalto University School of Engineering. Pubblicazione dei video è stato effettuato con il supporto di Mikko Raskinen da Aalto Media Factory.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Sigma-Aldrich | STBH7695 | Acetone pyrity ≥ 99.5 % |
| Argon gas | Oy AGA Ab, Industrial Gases (Finland) | UN 1006 | Gas purity ≥ 99.9999 % |
| Chamber furnace | Lenton | 4934 | heat range 20-1200 oC |
| Commercial software DaVis 8 | LaVision Inc. | Commercial software used for crack growth rate and strain field analysis | |
| Custom-made pneumatic stamping tool | Aalto University | Made in Aalto University | |
| Diamond paste | Struers Inc. | DP-Mol. 3 µm, DP-Nap. 1 µm, | Paste for polishing |
| Emery paper | Struers Inc. | FEPA P #800, FEPA P #1200, FEPA P #2500 | Paper for grinding |
| Ethanol | Altia Industrial | ETAX Ba | Ethanol pyrity ≥ 99.5 % |
| FEG-SEM scanning electron microscope | ZEISS | ULTRA 55 | EBSD analysis |
| Ferritic stainless steel | Outokumpu Stainless Oyj (Finland) | Core 441/4509 (ASTM UNS S43940) | 3 mm rolled plate |
| For Vacuum pump | Leybold-Heraeus | D4B/WS | |
| Grinding machine | Struers Inc. | LaboPol-21 | Hand grinding |
| MasterMet 2 Non-Crystallizing Colloidal Silica Polishing Suspension | Buehler Inc. | 40-6380-064 | 0.02 µm colloidal silica |
| MatLab software | MathWorks Inc. | MatLab software used as a platform for MTEX toolbox | |
| Micro Vickers hardness tester | Buehler Inc. | 1600-6400 | |
| MTEX software | Open source | Open source toolbox based on MatLab for analysis of the EBSD data (http://mtex-toolbox.github.io/) | |
| Optical microscope | Nikon Corporation | EPIPHOT 200 | |
| Polishing machine | Struers Inc. | LaboPol-5 | Hand polishing |
| Servo hydraulic machine | MTS system corporation | 858 Table Top System | |
| Turbomolecular pump | Leybold-Heraeus | Turbovac 50 | |
| Vibratory polisher | Buehler Inc. | VibroMet 2 | Automatic polishing |
| Wire-cut EDM | TamSpark Oy | Charmilles robofil 400 | wire diameter 0.15 mm |
References
- Remes, H. Factors affecting the fatigue strength of thin-plates in large structures. International Journal of Fatigue. 101, 397-407 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- McClintock, F. A. On the plasticity of the growth of fatigue cracks. Fracture of Solids. 20, 65-102 (1963).
- Doquet, V. Micromechanical simulations of microstructure-sensitive stage I fatigue crack growth. Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. 22, 215-223 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shen, Z., Wagoner, R. H., Clark, W. A. T. Dislocation and grain boundary interactions in metals. Acta Metallurgica. 36, 3231-3242 (1988).
- Hansson, P., Melin, S. Grain boundary influence on short fatigue crack growth rate. International Journal of Fracture. 165, 199-210 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html. , http://www.ilpi.com/glassblowing/tutorial_ampule.html. (2018).
- http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html. , http://www.ilpi.com/msds/ref/ppe.html (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Documentation. , http://mtex-toolbox.github.io/documentation.html (2018).
