Microstructurally liten fatigue sprekk vekst atferd er undersøkt ved hjelp av en ny metodisk tilnærming kombinere sprekk veksten rate måling og belastning-feltet analyse for å avsløre feltet kumulative deformasjon på sub korn nivå.
En ny måling tilnærming brukes å avsløre feltet kumulative deformasjon på sub korn nivå og å studere påvirker mikrostruktur veksten av microstructurally liten tretthet sprekker. Foreslåtte belastning feltet analyse metodene er basert på bruk av en unik pattering teknikk karakteristiske speckle størrelse på ca 10 µm. Utviklet metodikk brukes studere små fatigue sprekk virkemåten kropp sentrert kubikkmeter (bcc) Fe-Cr ferritisk stål med en relativt stor kornstørrelse slik at en høy romlig måling nøyaktighet på sub korn nivå. Denne metoden lar måling av små fatigue sprekk vekst retardasjon hendelser og tilhørende intermitterende skjær belastning lokalisering soner foran sprekk spissen. I tillegg kan dette være korrelert med korn retning og størrelse. Derfor kan utviklet metodikk gi en dypere grunnleggende forståelse av det lite fatigue sprekk vekst opptreden, nødvendig for utvikling av robust teoretiske modeller for små fatigue sprekk forplantning i polycrystalline materialer .
Nye lette løsninger er pålagt å forbedre energieffektiviteten av kjøretøyer som skip. Vektreduksjon av store stålkonstruksjoner er mulig å bruke avanserte stål materialer. Effektiv utnyttelse av nytt materiale og lette løsningen krever høy produksjon kvalitet og robust utforming metoder1,2. En robust utforming-metoden betyr strukturelle analysen under realistiske lasting forhold, som bølge-indusert lasting ved et cruiseskip, samt svar beregninger til å definere deformasjon og stress. Tillatte stressnivået er definert basert på styrken av kritiske strukturelle detaljer. Ved store strukturer er dette vanligvis sveisede ledd med en ikke-homogen mikrostruktur. En av de sentrale design utfordringene for nye lette løsninger er tretthet den kumulative og lokalisert naturen ofte foregår i sveise hakk. For høy produksjon kvalitet, tretthet virkemåten er dominert av små fatigue sprekk (SFC) vekst siden produksjon indusert mangler er svært små1,3. Dermed er den grunnleggende forståelsen av små fatigue sprekk vekst i metalliske materialer avgjørende for bærekraftig bruk av nye stål i høytytende strukturer.
Effektiv modellering av slik komplisert prosess som tretthet sprekk forplantning i polycrystalline metalliske materialer er umulig uten en klar forståelse av de fysiske prosessene følger tretthet brudd mekanismen. En betydelig innsats fra forskningen fellesskapet har vært fokusert på gransker fatigue sprekk overføring ved hjelp av visuell observasjon og statistisk analyse. Så langt, har liten fatigue sprekk vekst atferd hovedsakelig blitt undersøkt av teoretiske metoder på grunn av begrensningene av eksperimentelle teknikker. Uregelrett fatigue sprekk vekst rate retardasjon for SFCs er vanligvis forbundet med korn grenser (GB)4,5,6,7,8,9. Årsakene til uregelrett SFC vekst er imidlertid fortsatt under diskusjon. Resultatene av teoretiske modellering bruke en diskret forvridning viser dannelsen av forvridning veggen eller en lav vinkel kortfibret grense skyldes dislokasjoner slippes ut fra fatigue sprekk spissen påvirker fatigue sprekk veksten10 ,11,12,13. Inntil nylig har det vært en utfordring i nøyaktige eksperimentelle analyse av små fatigue sprekk vekst. Eksperimentelle observasjoner er nødvendig for utvikling av fysiske prinsipper basert computational modeller.
For analyse av syklisk materiale deformasjon atferd på mikro-skala er det ønskelig å ha full-feltet deformasjon målinger som kan utføres i situ mens syklisk bruker standard mekanisk testutstyr, med romlig oppløsning minst en størrelsesorden under karakteristiske lengde omfanget av mikrostrukturen. For å forstå variasjoner i fatigue sprekk vekst, er målt belastning felt ofte knyttet til elektron backscatter Diffraksjon (EBSD) målinger av materielle mikrostruktur. Carrol et al.14 gir en kvantitativ, full-feltet ex situ måling av plast belastning nær en voksende lang fatigue sprekk i en Nikkelbaserte super legering, viser dannelsen av asymmetrisk lobes i plast kjølvannet av overfører fatigue sprekk. Ved høyere forstørrelse, elektronmikroskop digitalt bilde sammenheng (DIC) avslørte belastning inhomogeneities tilknyttet belastning lokalisering på slip-band med twin og kornet grenser påvirker tretthet sprekk vekst atferd. Imidlertid brukes ex situ måler adgang er ikke kjøpedyktig fange feltet belastning under fatigue sprekk forplantning. En eksperimentell studie av plast blunting under lange fatigue sprekk overføringen ble utført av Peralta15 bruker i situ DIC for kommersielle renhet Ni (99.6%). Resultatene viste at opphopning av plast deformasjon var dominert av Skjær langs slip bandene som utvidet foran sprekk og var tilbøyelig med hensyn til sprekk vekst retning. Den observerte belastning lokaliseringen på slip band er sannsynligvis forårsaket av overbelastning, siden lavt stress faktor intensitetsverdiene resultere i en blandet natur av deformasjon (skjær og normal belastning)14,15. En heterogen belastning feltet distribusjon på sub korn nivå har vært observert i grov kornet aluminiumslegering16 og duplex stål17, der aktiveringen av forvridning slip-systemer var assosiert med Schmids lov16 ,17.
En fersk studie utført av Malitckii18 manifesterer at uregelrett SFC vekst virkemåten kontrolleres av belastningen inhomogeneities knyttet til korn strukturen eller, spesielt av opphopning av skjær belastning lokalisering soner foran sprekken. Med høy kvalitet mikro-skala mønstre og korn større enn 100 µm aktivert optisk mikroskopi DIC i situ sub korn deformasjon målinger for første gang. Men i Malitckii18, var romanen metodikken brukt plast belastning feltet i situ over hundretusener av belastningen sykler ikke presentert eller diskutert i detalj. Derfor er målet med denne utredningen å innføre denne nye eksperimentelle tilnærmingen for å studere små fatigue sprekk vekst atferd i polycrystalline materialer i høy syklus regimet. Nyheten av tilnærmingen består av i situ full-feltet belastning måling ved hjelp av en unik mønster teknikk, i tillegg til sprekk vekst måling. Fordi denne metoden bruker optisk image sensor kan fange tusenvis av rammer under tretthet testen. Elektron backscatter Diffraksjon (EBSD) brukes for microstructural karakterisering, kombinert med DIC målinger for å vise virkningen av kornet grenser på små fatigue sprekk vekst retardasjon18. Tilnærmingen er brukt for måling av små fatigue sprekk forplantning i Blindkopi 18% Cr ferritisk rustfritt stål18 simulere virkemåten til det strukturelle stålet for store strukturelle programmer. I dette papiret, vi forklare de viktigste trinnene i måling prosedyren og gi et sammendrag diskusjon av viktigste funn.
En roman i situ måling tilnærming er innført for å måle feltet kumulative deformasjon på et korn mikro-lønnstrinn. For å demonstrere tilnærming evnen, er microstructurally liten fatigue sprekk forplantning virkemåten studert i ferritisk rustfritt stål med 18% krom. Studert stål ble gitt i form av varme rullet plate med en tykkelse på 3 mm (se Tabell for materiale) og gjennomsnittlig kornstørrelse om 17 µm21.
En vellykket måling krever at en innledende fatigue sprekk er produsert hakk på tuppen av prøver for ytterligere forplantning atferdsanalyse. For å studere en microstructurally liten sprekk, bør lengden på den første sprekken være betydelig mindre enn korn av studerte stål. Trøtthet testing er forskyvning kontrollert for å hindre sprekk vekst etter fatigue sprekk innvielsen. Det ble funnet at fatigue sprekk innvielsen tid reduseres betydelig med reduksjon av stress ratio (R). Dermed bare 10 000 sykluser var nødvendig for fatigue sprekk innvielse i prøvene testet med R-ratio-0.16, mens med Rratio 0.1, fatigue sprekk startet ikke selv etter 100 000 sykluser. Bruk av belastning forholdet R =-0.16 kan øke stress området fra 315 MPa til 350 MPa, har fortsatt mindre maksimal stress for før sprengning enn faktiske tretthet testing.
Intermitterende liten tretthet sprekk veksten er vanligvis forbundet med mikrostrukturen. Spesielt er kornet grenser vidt betraktet som microstructural har ansvar for liten sprekk vekst retardasjon4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. forvridning utformingen i grensen elementet av Hansson et al.13 viser at lav vinkel kornet grenser ligger i veien for sprekk banen kan resultere i en økning og reduksjon av veksten sprekk; høy vinkel kornet grenser påvirker imidlertid ikke veksten sprekk. De fysiske årsakene til uregelrett sprekk vekst atferden er ikke kjent. For å avdekke de microstructural funksjonene forårsaker liten sprekk retardasjon, ble microstructural karakteristikk utført før tretthet testing av prøven. Polering fremgangsmåten som er beskrevet i trinn 1 er avgjørende for pålitelig microstructural analyse med EBSD. I trinn 3, like før EBSD analyse er rengjøring av prøven i etanol bare tillatt, siden aceton damp er farlig for EBSD detektor.
For å avdekke deformasjon prosesser i individuelle korn, må størrelsen på speckle mønsteret være betydelig mindre enn korn av studerte stål. Siden den gjennomsnittlige kornstørrelse av stål etter annealing er om 350 µm, ble karakteristiske størrelsen på speckle mønsteret kreves for DIC beregningen valgt til ca 10 µm22,12. Mønsterstørrelsen speckle må være minst 10 ganger mindre enn korn av studerte stål for riktig implementering av trinn 5. Overflaten av prøven er dekorert med en speckle mønster silikon stempel. Vi bruker en skreddersydd pneumatiske verktøyet (se figur 6) for rask og presis operasjon for preg.
Virkemåte for små fatigue sprekk overføring er studert under belastning-kontrollerte tretthet testing av de pre-sprakk bruker R-forholdet mellom 0,1 (σmin = 35 MPa, σMaks = 350 MPa) og hyppigheten av 10 Hz. tretthet testing følger sammen med digitalt bilde sammenheng (DIC) mål. Området rundt overvåkes ved hjelp av en optisk mikroskop, 16 x presisjon zoomobjektiv, med en oppløsning på 2 µm/bildepunkt. Bildene er tatt under midlertidig (10 s) stopper av tretthet testen i intervaller på 500 sykluser. Under bildeopptak holdes lasting konstant, med en gjennomsnittlig stress ca 210 MPA, for å ha lik lessing vilkårene for alle bilder, stabilisere plast deformasjon, og unngå tretthet sprekk nedleggelse og omfattende krype sammen med min og max lasting tvinge, henholdsvis. Nyheten av metoden er basert på høy oppløsning i situ DIC bildet opptak som kan avsløre lille deformasjon soner danner under liten fatigue sprekk vekst. Suksessen med forsøket, avhenger av riktig implementering av pre sprengning prosedyren, image capture intervall og forstørrelse å forhindre sløret av små funksjoner som observerte skjær belastning lokalisering soner. Dermed riktig valg av kamera oppløsning, optisk forstørrelsen og speckle mønsterstørrelsen som beskrevet i trinn 5 av protokollen kan være avgjørende for undersøkelse av belastning lokalisering fenomener. Men morfologi av sonene skjær belastning lokalisering er fortsatt uklart og trenger ytterligere forbedringer av speckle mønster og oppløsningen til opptaksutstyr.
Metodisk tilnærming beskrevet i denne hvitboken er egnet for sprekk vekst analyse av små tretthet sprekker i coarse-grained materialer. En kombinasjon av sprekk vekst måling og belastning-feltet analyse på de sub korn lettere å avsløre mekanismen som er ansvarlig for uregelrett veksten av små tretthet sprekker18, i tillegg til mye observert korn grensen effekter på SFCs. dypere forståelse av tretthet brudd mekanismer muliggjør utviklingen av nye teoretiske tilnærminger og dermed muliggjør utformingen av lettere og mer energi effektive strukturer i fremtiden.
The authors have nothing to disclose.
ASTM UNS S43940 ferritisk rustfritt stål ble levert av Outokumpu rustfrie Oyj. Forskning støttes ved akademiet i Finland prosjektet № 298762 og Aalto University School of Engineering og post-doc finansiering No 9155273 Aalto University School of Engineering. Video publikasjonen ble utført med støtte fra Mikko Raskinen fra Aalto Media fabrikk.
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 | |
Milling machine | ЗФС Stankoimport (Moscow, USSR) | 6P82Ш #22 | Aalto University machining services |
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 |