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Engineering

पूर्ण क्षेत्र तनाव माप के लिए Microstructurally लघु थकान दरार डिजिटल छवि सहसंबंध विधि का उपयोग कर प्रचार

Published: January 16, 2019 doi: 10.3791/59134
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Aalto University School of Engineering

Summary

Microstructurally लघु थकान दरार विकास व्यवहार दरार विकास दर माप और तनाव क्षेत्र विश्लेषण के संयोजन एक उपंयास methodological दृष्टिकोण का उपयोग कर जांच की है उप अनाज स्तर पर संचई विरूपण क्षेत्र प्रकट करते हैं ।

Abstract

एक उपंयास माप दृष्टिकोण एक उप अनाज स्तर पर संचई विकृति क्षेत्र प्रकट करने के लिए और microstructurally छोटी थकान दरारें के विकास पर microstructure के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । प्रस्तावित तनाव क्षेत्र विश्लेषण पद्धति लगभग 10 µm के एक विशिष्ट बिंदु आकार के साथ एक अनूठा pattering तकनीक के उपयोग पर आधारित है । विकसित पद्धति शरीर में छोटे थकान दरार व्यवहार का अध्ययन करने के लिए लागू किया जाता है घन (बीसीसी) Fe-Cr ferritic स्टेनलेस स्टील एक अपेक्षाकृत बड़े अनाज आकार उप अनाज स्तर पर एक उच्च स्थानिक माप सटीकता की अनुमति के साथ । इस पद्धति की अनुमति देता है छोटे थकान दरार वृद्धि मंदता घटनाओं और संबंधित आंतरायिक कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्र दरार टिप के आगे की माप । इसके अलावा, यह अनाज अभिविंयास और आकार के साथ संबंधित किया जा सकता है । इस प्रकार, विकसित पद्धति छोटी थकान दरार वृद्धि व्यवहार के एक गहरी बुनियादी समझ प्रदान कर सकते हैं, polycrystalline सामग्री में छोटे थकान दरार प्रचार के लिए मजबूत सैद्धांतिक मॉडल के विकास के लिए आवश्यक .

Introduction

नए हल्के समाधान के लिए जहाजों के रूप में वाहनों की ऊर्जा दक्षता में सुधार की आवश्यकता है । बड़े इस्पात संरचनाओं के वजन में कमी संभव उंनत इस्पात सामग्री का उपयोग कर रहा है । नई सामग्री के कुशल उपयोग और हल्के समाधान उच्च विनिर्माण गुणवत्ता और मजबूत डिजाइन तरीकों की आवश्यकता है1,2। एक मजबूत डिजाइन विधि यथार्थवादी लोड हो रहा है शर्तों के तहत संरचनात्मक विश्लेषण का मतलब है, जैसे एक क्रूज जहाज के मामले में लहर प्रेरित लोडिंग, साथ ही प्रतिक्रिया गणना के लिए विरूपण और तनाव को परिभाषित करने के लिए । अनुमति तनाव स्तर महत्वपूर्ण संरचनात्मक विवरण की शक्ति के आधार पर परिभाषित किया गया है । बड़े संरचनाओं के मामले में, इन आम तौर पर एक सजातीय microstructure के साथ जोड़ों वेल्डेड रहे हैं । नए हल्के समाधान के लिए महत्वपूर्ण डिजाइन चुनौतियों में से एक अपनी संचई और स्थानीयकृत प्रकृति, अक्सर वेल्ड पायदानों पर जगह लेने के कारण थकान है । उच्च विनिर्माण गुणवत्ता के लिए, थकान व्यवहार छोटे थकान दरार (SFC) विकास के बाद से हावी है विनिर्माण प्रेरित दोषों बहुत छोटे है1,3। इस प्रकार, धातु सामग्री में छोटे थकान दरार वृद्धि की बुनियादी समझ उच्च प्रदर्शन संरचनाओं में नए स्टील्स के सतत उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है ।

इस तरह के एक जटिल प्रक्रिया के प्रभावी मॉडलिंग polycrystalline धातुई सामग्री में थकान दरार प्रचार के रूप में शारीरिक थकान फ्रैक्चर तंत्र के साथ प्रक्रियाओं की एक स्पष्ट समझ के बिना असंभव है । अनुसंधान समुदाय से एक महत्वपूर्ण प्रयास थकान दरार प्रचार दृश्य अवलोकन और सांख्यिकीय विश्लेषण का उपयोग कर की जांच पर ध्यान केंद्रित किया गया है । अब तक, छोटे थकान दरार वृद्धि व्यवहार मुख्य रूप से सैद्धांतिक प्रायोगिक तकनीकों की सीमाओं के कारण तरीकों द्वारा जांच की गई है । इस विषम थकान दरार एसएफसी के लिए विकास दर मंदता आमतौर पर अनाज सीमाओं के साथ जुड़ा हुआ है (GB)4,5,6,7,8,9. हालांकि, असंगत SFC वृद्धि के लिए कारण अभी भी चर्चा में हैं । सैद्धांतिक मॉडलिंग द्वारा प्राप्त परिणाम एक असतत विस्थापन विधि का उपयोग कर एक विस्थापन दीवार, या एक छोटे से कम कोण अनाज सीमा थकान दरार टिप को प्रभावित थकान दरार विकास दर 10 से उत्सर्जित विस्थापन की वजह से के गठन से पता चलता है ,११,१२,१३. हाल ही में जब तक, वहां छोटे थकान दरार विकास व्यवहार के सटीक प्रयोगात्मक विश्लेषण में एक चुनौती रही है । प्रयोगात्मक टिप्पणियों भौतिक सिद्धांतों के आधार गणना मॉडल के विकास के लिए आवश्यक हैं ।

सूक्ष्म पैमाने पर चक्रीय सामग्री विकृति व्यवहार के विश्लेषण के लिए यह पूर्ण क्षेत्र विकृति माप है कि सीटू में मानक यांत्रिक परीक्षण उपकरण का उपयोग कर के दौरान बाहर किया जा सकता है वांछनीय है, स्थानिक संकल्प के साथ कम से एक microstructure की विशेषता लंबाई पैमाने नीचे परिमाण के आदेश । आदेश में थकान दरार विकास दर में बदलाव को समझने के लिए, मापा तनाव क्षेत्रों अक्सर इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन (EBSD) सामग्री microstructure की माप से जुड़े रहे हैं । Carrol एट अल.14 प्रदान एक मात्रात्मक, पूर्ण क्षेत्र पूर्व एक निकल-आधारित सुपर मिश्र धातु में एक बढ़ती लंबे थकान दरार के पास प्लास्टिक की छलनी की माप, प्रचार थकान दरार के प्लास्टिक वेक में असममित पालियों के गठन दिखा रहा है । उच्च आवर्धन पर, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी डिजिटल छवि सहसंबंध (उद्योग) पर्ची बैंड पर तनाव स्थानीयकरण के साथ जुड़े तनाव सजातीयता से पता चला, जुड़वां और अनाज थकान दरार विकास व्यवहार को प्रभावित सीमाओं के साथ । हालांकि, इस्तेमाल किया पूर्व सीटू माप दृष्टिकोण थकान दरार प्रचार के दौरान तनाव क्षेत्र पर कब्जा करने में सक्षम नहीं है । लंबी थकान दरार प्रसार के दौरान प्लास्टिक कुंद का एक प्रायोगिक अध्ययन15 Peralta द्वारा प्रदर्शन किया गया वाणिज्यिक शुद्धता नी (९९.६%) के लिए सीटू उद्योग में प्रयोग । परिणाम से पता चला कि प्लास्टिक विरूपण के संचय पर्ची बैंड है कि दरार के आगे बढ़ाया और दरार विकास की दिशा के संबंध में इच्छुक थे साथ कतरनी का प्रभुत्व था । पर्ची बैंड पर मनाया तनाव स्थानीयकरण शायद ओवरलोडिंग की वजह से है, कम तनाव तीव्रता कारक मूल्यों विकृति (कतरनी और सामांय तनाव)14,15की एक मिश्रित प्रकृति में परिणाम के बाद से । उप अनाज स्तर पर एक विषम तनाव क्षेत्र वितरण मोटे दानेदार एल्यूमिनियम मिश्र धातु16 और द्वैध इस्पात17, जहां अव्यवस्था पर्ची प्रणालियों के सक्रियकरण के लिए मनाया गया है Schmid कानून16 के साथ जुड़ा हुआ था ,17.

एक ताजा अध्ययन18 Malitckii द्वारा प्रदर्शन किया है कि असंगत SFC विकास व्यवहार तनाव असमानता अनाज संरचना से संबंधित द्वारा नियंत्रित है या, विशेष रूप से, कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों के संचय द्वारा दरार के आगे । उच्च गुणवत्ता वाले सूक्ष्म पैमाने पर पैटर्न और अनाज १०० µm से बड़ा के साथ, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी उद्योग पहली बार के लिए सीटू उप अनाज विरूपण माप में सक्षम. हालांकि,18Malitckii में, उपंयास के लिए लोड चक्र के हजारों की सैकड़ों से अधिक सीटू में प्लास्टिक तनाव क्षेत्र को मापने के लिए लागू पद्धति प्रस्तुत या विस्तार से चर्चा नहीं की गई । इसलिए, इस कागज के उद्देश्य के लिए उच्च चक्र शासन में polycrystalline सामग्री में छोटी थकान दरार वृद्धि व्यवहार के अध्ययन के लिए इस नए प्रयोगात्मक दृष्टिकोण परिचय है । दृष्टिकोण की नवीनता एक अद्वितीय पैटर्न तकनीक का उपयोग सीटू पूर्ण क्षेत्र तनाव माप में शामिल हैं, विकास दर माप दरार के अलावा. क्योंकि इस विधि ऑप्टिकल छवि सेंसर का उपयोग करता है यह थकान परीक्षण के दौरान फ्रेम के हजारों कैप्चरिंग सक्षम बनाता है । इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन (EBSD) microstructural लक्षण वर्णन के लिए प्रयोग किया जाता है और छोटे थकान दरार विकास मंदता18पर अनाज की सीमाओं के प्रभाव को प्रकट करने के लिए उद्योग मापन के साथ संयुक्त । दृष्टिकोण बीसीसी 18% सीआर ferritic स्टेनलेस स्टील18 बड़े संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए संरचनात्मक इस्पात के व्यवहार का अनुकरण में छोटे थकान दरार प्रचार की माप के लिए लागू किया जाता है । इस पत्र में, हम माप प्रक्रिया के मुख्य चरणों की व्याख्या और मुख्य खोज की एक सारांश चर्चा प्रदान करते हैं ।

Protocol

1. नमूना तैयारी और एनीलिंग

  1. 3 मिमी की मोटाई के साथ मूल ferritic स्टेनलेस स्टील प्लेट मिल ( सामग्री की तालिकादेखें) के बारे में २०० मिमी x 15 मिमी x 1 मिमी की विशेषता आकार के साथ प्लेट बनाने के लिए.
  2. क्वार्ट्ज ट्यूब और पंप में उत्पादित इस्पात प्लेट प्लेस ( सामग्री की तालिकादेखें) यह के बारे में 10 के दबाव तक-6 mbar ।
  3. आर्गन गैस प्रदान करें ( सामग्री की तालिकादेखें) क्वार्ट्ज ट्यूब में जब तक दबाव के बारे में ०.२ mbar तक पहुंचता है ।
  4. सील क्वार्ट्ज ट्यूब ऊपर ताप पिघलने तापमान19के लिए द्वारा अंदर नमूना के साथ क्वार्ट्ज ट्यूब ।
    चेतावनी: सीलिंग प्रक्रिया खतरनाक है । उचित नेत्र सुरक्षा, आदि20के रूप में उचित सावधानियों का उपयोग करें ।
  5. इस इस्पात की थाली क्वार्ट्ज कक्ष भट्ठी का उपयोग ट्यूब के अंदर बंद (सामग्री की तालिका देखें) 1 घंटे के लिए १२०० ° c के तापमान पर और पानी में शमन ।
    नोट: एनीलिंग प्रक्रिया क्रोमियम कार्बाइड कणों21के व्यापक गठन के बिना ३५० µm तक का अध्ययन किया इस्पात के औसत अनाज आकार बढ़ जाती है ।
    चेतावनी: एनीलिंग प्रक्रिया खतरनाक है । उचित सावधानियों का प्रयोग करें और चैंबर फर्नेस मैनुअल के निर्देशों का पालन करें ।
  6. काट नमूनों (1 मिमी की मोटाई के साथ) का अध्ययन किया ferritic इस्पात की annealed प्लेट से विद्युत निर्वहन मशीनिंग का उपयोग (ईडीएम, सामग्री की तालिकादेखें) । नमूना की योजना चित्रा 1में दिखाया गया है ।
    चेतावनी: ईडीएम काटना प्रक्रिया खतरनाक है । उचित सावधानियों का प्रयोग करें और ईडीएम मैनुअल के निर्देशों का पालन करें ।
  7. पीस और नमूना सतह पॉलिश ।
    1. नमूना पीस मशीन एमरी कागज (सामग्री की मेज) के साथ पीसने का उपयोग कर जब तक नमूना की सतह समान है सतहों ।
    2. पॉलिश नमूना 3 µm और 1 µm डायमंड पेस्ट के साथ चमकाने मशीन का उपयोग कर सतहों 10 मिनट प्रत्येक के लिए ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
    3. के बारे में 4 ज के लिए ०.०२ µm कोलाइडयन सिलिका थरथानेवाला चमकाने (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग कर नमूना सतह पॉलिश; यह EBSD विश्लेषण के लिए आवश्यक है ।

2. थकान पूर्व खुर

  1. प्रयोग विस्थापन नियंत्रित थकान परीक्षण मापदंडों को परिभाषित ।
    1. विस्थापन सीमा समायोजित करें εमिन और इमदादी हाइड्रोलिक मशीन के εमैक्स ( सामग्री की तालिकादेखें) इतना है कि σमिन और σमैक्स के बारे में-५० MPa और ३०० MPa, क्रमशः की सीमा में हैं ।
      चेतावनी: इमदादी हाइड्रोलिक मशीन खतरनाक है । उचित सावधानियों का प्रयोग करें और इमदादी हाइड्रोलिक मशीन मैनुअल के निर्देशों का पालन करें ।
    2. २,०००, ५,००० और १०,००० चक्र के बाद प्रारंभिक दरार गठन की जांच करें ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग ( सामग्री की तालिकादेखें) को परिभाषित करने के लिए थकान चक्र की इष्टतम संख्या और व्यापक दरार विकास से बचने के ।
  2. विस्थापन के लिए नमूना के चक्र की निर्धारित राशि के लिए uniaxial चक्रीय लदान नियंत्रित विषय ।
  3. चक्र के निर्धारित राशि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर के बाद प्रारंभिक दरार गठन की जांच करें । के बारे में 20 µm तक लंबाई के साथ प्रारंभिक दरारें पायदान टिप पर उत्पादित कर रहे हैं ।
  4. यदि प्रारंभिक दरार का उत्पादन नहीं किया गया था थकान लदान चक्र की संख्या में वृद्धि ।
  5. नमूना बदलें यदि प्रारंभिक दरार लंबाई ५० µm से अधिक है ।

3. Microstructural लक्षण वर्णन

  1. साफ पूर्व फटा नमूना ।
    1. अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग कर 20 मिनट के लिए एसीटोन के साथ पूर्व फटा नमूना साफ ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
    2. 20 मिनट के लिए इथेनॉल के साथ पूर्व फटा नमूना साफ अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
  2. चित्रा 2aमें दर्शाए अनुसार विकर्स microindentations का उपयोग करके अध्ययन किए गए क्षेत्र को चिह्नित करें ।
    1. microindentation के निशान प्रदर्शन करने के लिए विकर्स microindentor ( सामग्री की तालिकादेखें) के निर्देशों का पालन करें ।
    2. माइक्रो विकर्स कठोरता परीक्षक में नमूना डालें ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
    3. इंडेंटेशन बल पर सेट करें ५०० N.
    4. पायदान टिप से बग़ल में लगभग ५०० µm पर पहले विकर्स इंडेंटेशन चिह्न के लिए स्थिति समायोजित करें । दूसरे पक्ष में दूसरा इंडेंट तैयार करें ।
    5. के बारे में ५०० µm बग़ल में तीसरे इंडेंट के निशान के लिए स्थिति और के बारे में ४०० पायदान टिप से दूर µm समायोजित करें ।
  3. इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन (EBSD) विश्लेषण का उपयोग पायदान के आसपास के क्षेत्र में नमूना की ओर सतह से इस्पात की microstructure विश्लेषण ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
    1. EBSD विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप स्कैनिंग के अनुदेश पुस्तिका का पालन करें ।
    2. 200x पर आवर्धन सेट करें ।
    3. EBSD डिटेक्टर के तहत नमूना की स्थिति को समायोजित करें । सुनिश्चित करें कि पायदान टिप और तीन विकर्स microindentation के निशान EBSD स्कैनिंग के ढांचे के भीतर है ( चित्र बीए देखें) ।
    4. 2 µm पर स्कैनिंग EBSD के चरण आकार सेट करें । स्कैनिंग अवधि लगभग 1 h है ।

4. एक पैटर्न के साथ सजावट

  1. इथेनॉल के साथ नमूना सतह साफ ( सामग्री की तालिकादेखें) के लिए 10 अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग मिनट ।
  2. एक प्रशंसक का उपयोग कर नमूना सूखी ।
  3. एक खुर्दबीन स्लाइड एक कागज इथेनॉल के साथ लथपथ नैपकिन का उपयोग कर साफ ( सामग्री की तालिकादेखें) ।
  4. माइक्रोस्कोप स्लाइड के कांच की सतह पर स्याही की एक पतली परत जमा । एक स्थाई मार्कर हाथ से कांच की सतह पर स्याही की वर्दी परत प्रदान करता है ।
  5. कांच की सतह पर पैटर्न के साथ सिलिकॉन स्टांप पर नीचे प्रेस करने के लिए स्टांप सतह के लिए स्याही की एक परत हस्तांतरण ।
  6. सिलिकॉन स्टांप नमूना सतह पर स्याही के साथ कवर पर नीचे दबाएं ।
  7. बिंदु पैटर्न गुणवत्ता ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर की जाँच करें । बिंदु प्रतिमान का एक उदाहरण आरेख 3में दिखाया गया है । पैटर्न और microcontact छपाई के विवरण के लिए22,23 संदर्भ देखें ।
  8. यह सुनिश्चित करें कि बिंदु पैटर्न का आकार अध्ययन सामग्री के अनाज के आकार की तुलना में छोटे से कम 10 गुना छोटा है ।
    नोट: इंक सुखाने से बचने के लिए पर्याप्त समय में चरण 2, 3 और 4 निष्पादित करें । सुखाने समय प्रयोग परिभाषित करें ।

5. उद्योग के साथ थकान परीक्षण

  1. इमदादी हाइड्रोलिक मशीन में नमूना सेट (सामग्री की तालिका देखें) ।
    चेतावनी: इमदादी हाइड्रोलिक मशीन खतरनाक है । उचित सावधानियों का प्रयोग करें और इमदादी हाइड्रोलिक मशीन मैनुअल के निर्देशों का पालन करें ।
  2. R = ०.१ (σmin = ३५ MPa, σmax = ३५० MPa) और 10 हर्ट्ज की टेस्ट आवृत्ति थकान मशीन के नियंत्रण सॉफ्टवेयर का उपयोग कर का उपयोग कर लोड नियंत्रित थकान परीक्षण मानकों को समायोजित करें ।
  3. 16x प्रेसिजन ज़ूम लेंस के साथ एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप सेट ( सामग्री की तालिकादेखें) नमूना पायदान क्षेत्र के ऑप्टिकल अवलोकन के लिए ।
  4. ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप २,०४८ पिक्सल x १,५३६ पिक्सल के संकल्प के साथ एक डिजिटल कैमरा के साथ लैस ।
  5. मैन्युअल रूप से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की आवर्धन समायोजित करें ।
    1. सुनिश्चित करें कि नमूना के पूरे पायदान क्षेत्र डिजिटल कैमरे की छवि क्षेत्र में फिट बैठता है ।
    2. सुनिश्चित करें कि पिक्सेल आकार पैटर्न के आकार से कम से 5 गुना छोटा है ।
  6. थकान परीक्षण चलाने के लिए और छवि रिकॉर्डिंग प्रणाली के साथ सिंक्रनाइज़ ।
    1. अस्थाई (10 एस) के दौरान छवियों पर कब्जा थकान परीक्षण के ५०० चक्र के अंतराल में बंद हो जाता है ।
    2. यह सुनिश्चित करें कि लोड छवि अधिग्रहण के दौरान के बारे में २१० MPa के एक औसत तनाव के साथ लगातार आयोजित किया जाता है ।
  7. जारी रखें थकान परीक्षण जब तक दरार लंबाई दृष्टिकोण एक महत्वपूर्ण मूल्य या नेट-धारा प्लास्टिक हावी करने के लिए शुरू होता है ।

6. परिणाम विश्लेषण

  1. प्राप्त कच्चे छवियों का उपयोग करने के लिए दरार विकास दर (सीजीआर) और एक वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर का उपयोग कर उद्योग के विश्लेषण ( सामग्री की तालिकादेखें) प्रदर्शन ।
    1. सीजीआर विश्लेषण करने के लिए कार्रवाई मैंयुअल का उपयोग करें । ध्यान दें कि दरार विकास दर विश्लेषण के लिए वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर का उपयोग कर स्वचालित रूप से या मैंयुअल रूप से प्रदर्शन संभव है ।
    2. सीजीआर विश्लेषण करने के लिए प्रत्येक ५०० चक्र के बाद दरार की लंबाई वृद्धि की माप द्वारा रॉ छवि डेटासेट का उपयोग मैंयुअल रूप से करें ।
  2. व्यावसायिक सॉफ्टवेयर का उपयोग कर अध्ययन क्षेत्र के लिए कतरनी तनाव विकृति का विश्लेषण ।
    1. कतरनी तनाव विकृति विश्लेषण करने के लिए आपरेशन मैनुअल का प्रयोग करें ।
    2. सुनिश्चित करें कि सॉफ़्टवेयर की समय श्रृंखला सेटिंग्स में सहसंबंध मोड "पहले से सापेक्ष" होना चुना गया है ।
  3. Schmid फैक्टर और अनाज EBSD मुक्त स्रोत MTEX toolbox का उपयोग कर डेटा के अभिविन्यास विश्लेषण प्रदर्शन ( सामग्री की तालिकादेखें).
    नोट: Schmid फैक्टर और अनाज उंमुखीकरण विश्लेषण के बारे में विवरण MTEX toolbox24के उपयोगकर्ता गाइड में उपलब्ध हैं ।
  4. प्राप्त परिणामों का संचई विश्लेषण करें ।
    नोट: संचई विश्लेषण Ref.18में चर्चा है ।
    1. कतरनी तनाव विरूपण क्षेत्र18के शीर्ष पर अनाज सीमा नक्शा, भटकाव नक्शा और Schmid फैक्टर नक्शा मैच के लिए विकर्स microindentation निशान का प्रयोग करें ।
    2. सीजीआर, तनाव क्षेत्र और microstructure (भटकाव और Schmid फैक्टर मैप्स)18के बीच सहसंबंध को परिभाषित करें ।

Representative Results

प्रस्तावित पद्धति का उपयोग करना, हम उप का विश्लेषण कर सकते है अनाज विरूपण चक्रीय लदान के तहत छोटी सी थकान दरार के प्रसार के दौरान जमा क्षेत्र । लक्षण वर्णन उप अनाज में किया जाता है थकान लोड हो रहा है के तहत भी एक ही अनाज के भीतर सामग्री व्यवहार के छोटे विशेषताएं दिखा स्तर । विशेष रूप से, कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों का गठन चित्रा 4में दिखाया गया के रूप में मनाया गया था । मनाया घटनाएं सत्यापित करने के लिए कई परीक्षणों का प्रदर्शन किया गया ।

विकृति क्षेत्र आसानी से छोटी थकान दरारें की विषम वृद्धि व्यवहार के लिए जिंमेदार सुविधाओं का एक व्यापक लक्षण वर्णन के लिए अनाज सीमा छवि के साथ संयुक्त है ( चित्रा 5देखें) । विरूपण क्षेत्र, microstructure, दरार विकास दर और दरार पथ के संचई विश्लेषण छोटे दरार विकास दर मंदता और कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्र18के संचय के बीच एक निर्भरता प्रकट, के रूप में वीडियो में दिखाया गया है ।

Figure 1
चित्रा 1 : अध्ययन किया ferritic स्टेनलेस स्टील के थकान परीक्षण नमूना के योजनाबद्ध दृश्य (आयाम मिमी में हैं). कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2 : पायदान वाले क्षेत्र के आसपास में ferritic स्टेनलेस स्टील नमूना के पक्ष की सतह के SEM छवि (ए) और उसके व्युत्क्रम पोल आंकड़ा (आईपीएफ) इनसेट में आईपीएफ कुंजी के साथ नक्शा (ख) । उद्योग क्षेत्र और EBSD इमेज के संरेखण को धराशायी हलकों (ए) द्वारा दिखाए गए विकर्स microindentations की मदद से किया गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3. नमूना पक्ष सतह के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी एक पैटर्न के साथ सजाया ।

Figure 4
चित्र 4 . छोटे थकान दरार विकास के दौरान कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों के आंतरायिक संचय । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5 . दो उदाहरण (ए और बी) कतरनी तनाव क्षेत्र और अध्ययन किया इस्पात की microstructure थकान में परीक्षण के संयुक्त दृश्य के । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . कस्टम-नमूनों की पैटर्न सजावट के लिए वायवीय मशीन बनाया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Discussion

सीटू माप दृष्टिकोण में एक उपंयास के लिए एक अनाज कुटीर स्तर पर संचई विकृति क्षेत्र को मापने के लिए शुरू की है । आदेश में दृष्टिकोण क्षमता प्रदर्शित करने के लिए, microstructurally छोटे थकान प्रसार व्यवहार दरार ferritic स्टेनलेस स्टील में 18% क्रोमियम के साथ अध्ययन किया है । अध्ययन किया इस्पात 3 मिमी की एक मोटाई के साथ गर्म लुढ़काया थाली के आकार में प्रदान की गई थी ( सामग्री की तालिकादेखें) और औसत अनाज आकार के बारे में 17 µm21।

एक सफल माप की आवश्यकता है कि एक प्रारंभिक थकान दरार आगे के प्रसार व्यवहार विश्लेषण के लिए नमूनों की पायदान टिप पर उत्पादन किया है । एक microstructurally छोटी दरार का अध्ययन करने के लिए, प्रारंभिक दरार की लंबाई अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार की तुलना में काफी छोटा होना चाहिए । थकान परीक्षण थकान दरार दीक्षा के बाद दरार वृद्धि को रोकने के लिए नियंत्रित विस्थापन है । यह पाया गया कि थकान दरार दीक्षा समय तनाव अनुपात (आर) की कमी के साथ काफी कम हो जाती है । इस प्रकार, केवल १०,००० चक्र आर के साथ परीक्षण नमूनों में थकान दरार दीक्षा के लिए आवश्यक थे अनुपात-०.१६, जबकि Rratio ०.१ के साथ, थकान दरार भी १००,००० चक्र के बाद शुरू नहीं किया । लोड अनुपात आर =-०.१६ के उपयोग के लिए ३१५ MPa से ३५० MPa के लिए तनाव सीमा बढ़ाने की अनुमति देता है, अब भी पहले के लिए अधिकतम तनाव छोटे होने वास्तविक थकान परीक्षण की तुलना में खुर ।

आंतरायिक छोटे थकान दरार वृद्धि आमतौर पर microstructure के साथ जुड़ा हुआ है । विशेष रूप से, अनाज सीमाओं व्यापक रूप से microstructural छोटे दरार विकास मंदता4,5,6,7,8,9 के लिए जिंमेदार सुविधाओं के रूप में माना जाता है , 10 , 11 , 12. Hansson एट अल.13 द्वारा सीमा तत्व में विस्थापन निर्माण से पता चलता है कि कम कोण दाने दरार पथ के रास्ते में झूठ बोल दोनों एक वृद्धि और दरार विकास दर की कमी में परिणाम कर सकते हैं; हालांकि, उच्च कोण अनाज सीमाओं दरार वृद्धि दर को प्रभावित नहीं करते । शारीरिक विषम दरार विकास व्यवहार के कारण कारण अच्छी तरह से ज्ञात नहीं हैं । आदेश में microstructural छोटे दरार मंदता, एक microstructural लक्षण वर्णन के कारण सुविधाओं के नमूने के थकान परीक्षण से पहले प्रदर्शन किया गया था प्रकट करने के लिए । चमकाने प्रक्रिया चरण 1 में वर्णित विश्वसनीय microstructural विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है EBSD का उपयोग कर । चरण 3 में, बस EBSD विश्लेषण से पहले, इथेनॉल में नमूना की सफाई केवल अनुमति दी है, क्योंकि एसीटोन भाप EBSD डिटेक्टर के लिए खतरनाक है ।

आदेश में व्यक्तिगत अनाज के भीतर विरूपण प्रक्रियाओं को प्रकट करने के लिए, बिंदु पैटर्न के आकार का अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार की तुलना में काफी छोटा होना चाहिए । एनीलिंग के बाद इस्पात के औसत अनाज आकार के बाद से के बारे में ३५० µm है, बिंदु पैटर्न के लिए आवश्यक की विशेषता आकार के लिए लगभग 10 µm22,12होना चुना गया था । बिंदु पैटर्न आकार 5 कदम के समुचित कार्यांवयन के लिए कम से कम 10 बार अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार से छोटा होना चाहिए । नमूना की सतह एक बिंदु एक सिलिकॉन स्टांप का उपयोग कर पैटर्न के साथ सजाया है । हम एक कस्टम बनाया वायवीय उपकरण का उपयोग करें ( चित्रा 6देखें) के लिए तेजी से और सटीक संचालन के टिकट.

छोटे थकान प्रसार व्यवहार दरार के दौरान अध्ययन किया जाता है पूर्व की थकान परीक्षण-फटा नमूनों का उपयोग R-०.१ के अनुपात (σmin = ३५ MPa, σmax = ३५० MPa) और 10 हर्ट्ज की आवृत्ति. थकान परीक्षण एक साथ इस प्रकार के साथ डिजिटल छवि सहसंबंध (उद्योग) माप । ब्याज के क्षेत्र में एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप, 16x प्रेसिजन ज़ूम लेंस का उपयोग कर मॉनिटर है, 2 µm/पिक्सेल के एक संकल्प के साथ । छवियां अस्थाई (10 एस) ५०० चक्र के अंतराल में थकान परीक्षण के बंद हो जाता है के दौरान कब्जा कर लिया है । छवि अधिग्रहण के दौरान, लोडिंग लगातार आयोजित किया जाता है, लगभग २१० MPa की एक औसत तनाव के साथ, सभी छवियों के लिए बराबर लोड हो रहा है शर्तों के लिए, प्लास्टिक विरूपण को स्थिर, और थकान दरार बंद होने से बचने के साथ और व्यापक रेंगना साथ साथ न्यूनतम और लोडिंग बल की अधिकतम, क्रमशः । विधि की नवीनता छोटे विकृति दरार विकास के दौरान बनाने के छोटे विरूपण क्षेत्रों प्रकट करने के लिए अनुमति देता है कि सीटू में उच्च संकल्प पर आधारित है । प्रयोग की सफलता पूर्व खुर प्रक्रिया के समुचित कार्यांवयन पर निर्भर करता है, छवि पर कब्जा अंतराल और आवर्धन जैसे मनाया कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों के रूप में छोटी सुविधाओं के धुंधला को रोकने के चयन । इस प्रकार, कैमरा संकल्प, ऑप्टिकल आवर्धन और बिंदु पैटर्न आकार के प्रोटोकॉल के चरण 5 में वर्णित के रूप में उचित चयन तनाव स्थानीयकरण घटना की जांच के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है । हालांकि, कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों की आकृति विज्ञान अभी भी स्पष्ट नहीं है और बिंदु पैटर्न और छवि रिकॉर्डिंग उपकरणों के समाधान के आगे सुधार की जरूरत है ।

इस पत्र में वर्णित methodological दृष्टिकोण मोटे दानेदार पदार्थों में छोटी थकान दरारों के विकास के विश्लेषण दरार के लिए उपयुक्त है । दरार विकास दर माप और तनाव उप अनाज स्तर पर क्षेत्र विश्लेषण का एक संयोजन तंत्र है कि छोटे थकान18दरारें के विषम वृद्धि के लिए जिंमेदार है प्रकट करने में मदद करता है, व्यापक रूप से मनाया अनाज सीमा के अलावा एसएफसी पर कुप्रभाव पड़ रहा है । थकान फ्रैक्चर तंत्र की गहरी समझ नए सैद्धांतिक संभव दृष्टिकोण का विकास करता है और इस प्रकार, लाइटर और अधिक ऊर्जा के डिजाइन सक्षम बनाता है भविष्य में कुशल संरचनाओं ।

Disclosures

लेखकों की कोई होड़ वित्तीय हितों का खुलासा नहीं है.

Acknowledgments

एएसटीएम UNS S43940 ferritic स्टेनलेस स्टील Outokumpu स्टेनलेस Oyj द्वारा प्रदान किया गया था । अनुसंधान अकादमी फिनलैंड परियोजना № २९८७६२ और Aalto विश्वविद्यालय के इंजीनियरिंग के स्कूल और पोस्ट डॉक्टरेट वित्त पोषण नहीं ९१५५२७३ Aalto विश्वविद्यालय इंजीनियरिंग के स्कूल द्वारा समर्थित है । वीडियो प्रकाशन Aalto मीडिया फैक्टरी से मिकको Raskinen के समर्थन के साथ प्रदर्शन किया गया ।

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक १४३ डिजिटल छवि सहसंबंध छोटी थकान दरार दरार विकास दर मंदता उप अनाज स्तर कतरनी तनाव स्थानीयकरण तनाव सजातीयता ।
पूर्ण क्षेत्र तनाव माप के लिए Microstructurally लघु थकान दरार डिजिटल छवि सहसंबंध विधि का उपयोग कर प्रचार
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Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Bossuyt, S. Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method. J. Vis. Exp. (143), e59134, doi:10.3791/59134 (2019).

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