Microstructurally liten trötthet spricka tillväxt beteende undersöks med en roman metodologiska ansatsen att kombinera spricka hastighet mätning och stam-fältet Tillväxtanalys som avslöjar fältet kumulativa deformation på sub korn nivå.
En roman mätmetoden används att avslöja fältet kumulativa deformation på sub korn nivå och att studera påverkan av mikrostrukturen på tillväxten av microstructurally små trötta ut sprickor. Föreslagna stam fält analys metod är baserad på användning av en unik smattrande teknik med en karakteristisk speckle storlek av ca 10 µm. Utvecklade metodiken används för att studera beteendet små trötthet spricka i kroppen centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritiskt rostfritt stål med en relativt stor kornstorlek som möjliggör en hög spatial mätnoggrannheten på sub korn nivå. Denna metod tillåter mätning av små trötthet spricka tillväxt utvecklingsstörning händelser och tillhörande intermittent skjuvning stam lokalisering zoner före spricka spetsen. Dessutom kan detta vara korrelerade med korn orientering och storlek. Således kan utvecklade metoden ge en djupare grundläggande förståelse för beteendet små trötthet spricka tillväxt, krävs för utveckling av robusta teoretiska modeller för små trötthet spricka förökning i polykristallina material .
Nya lätta lösningar krävs att förbättra energieffektiviteten för fordon såsom fartyg. Viktminskning av stora stålkonstruktioner är möjligt använda avancerade stålmaterial. Ett effektivt nyttjande av nytt material och den lätta lösningen kräver hög tillverkningskvalitet och robust design metoder1,2. En robust konstruktion metod innebär strukturell analys för realistiska belastningsfall som våg-inducerad lastning när det gäller ett kryssningsfartyg, samt svar beräkningar att definiera deformationer och spänningar. Tillåtna stressnivån definieras baserat på styrkan i viktiga strukturella Detaljer. När det gäller stora strukturer är dessa vanligtvis svetsförband med en inhomogena mikrostruktur. En av de viktigaste design utmaningarna för nya lätta lösningar är trötthet på grund av dess kumulativa och lokaliserade karaktär, ofta äger rum på svetsa skårorna. För hög tillverkningskvalitet, trötthet beteendet domineras av små trötthet spricka (SFC) tillväxt eftersom tillverkning inducerad defekter är mycket liten1,3. Den grundläggande förståelsen av små trötthet spricka tillväxt i metalliska material är alltså avgörande för hållbar användning av nya stål i högpresterande strukturer.
Effektiv modellering av en så komplicerad process som trötthet spricka förökning i polykristallin metalliska material är omöjlig utan en klar förståelse för de fysikaliska processer som åtföljer trötthet fraktur mekanismen. En betydande insats från gemenskapens forskning har varit inriktad på utreda trötthet spricka förökning med hjälp av visuell observation och statistisk analys. Hittills har små trötthet spricka tillväxt beteende främst undersökts av teoretiska metoder på grund av begränsningarna i experimentella tekniker. Den onormala trötthet spricka hastighet tillväxthämning för SFCs är vanligtvis förknippas med korn gränser (GB)4,5,6,7,8,9. Skälen för avvikande SFC tillväxt är dock fortfarande under diskussion. De resultat som erhålls genom teoretisk modellering med en diskret dislokation metod visar bildandet av en dislokation vägg, eller en låg vinkel kortfibrigt gräns orsakas av dislokationer som avges från trötthet spricka spets som påverkar trötthet spricka tillväxttakten10 ,11,12,13. Tills nyligen har det varit en utmaning i noggrann experimentell analys av beteendet små trötthet spricka tillväxt. Experimentella observationer krävs för utvecklingen av fysikaliska principer baserat beräkningsmodeller.
För analys av cykliska material deformation beteende på mikroskala är det önskvärt att ha full-fältet deformation mätningar som kan utföras på plats under cyklisk belastning med standard mekanisk utrustning för provning, med rumslig upplösning minst en storleksordning under den karakteristiska längd skalan av mikrostrukturen. För att förstå variationerna i trötthet spricka tillväxttakt, är uppmätta stam fält ofta kopplade till elektron backscatter diffraktion (EBSD) mätningar av materiella mikrostruktur. Carrol et al.14 ge en kvantitativ, full-fält ex situ mätning av plast stam nära en växande lång trötthet spricka i en nickelbaserad super legering, visar bildandet av asymmetriska lober i plast kölvattnet av förökningsmaterial trötthet spricka. Vid högre förstoring, elektronmikroskopi digital bild korrelation (DIC) avslöjade stam inhomogeneities associerade med stam lokalisering på slip banden, med twin och korngränser som påverkar trötthet spricka tillväxt beteende. Dock används ex situ mätmetoden är inte kunna fånga fältet stam under trötthet spricka förökning. En experimentell studie av plast avtrubbning under lång trötthet spricka förökning framfördes av Peralta15 använder jordbaserad DIC för kommersiella renhet Ni (99,6%). Resultaten visade att ansamling av plastisk deformation dominerades av skjuvning längs banden slip som extended före sprickan och lutades ned avseende spricka tillväxt riktning. Den observerade stam lokaliseringen på banden slip orsakas troligen av överbelastning, eftersom de låg stress intensity faktor värdena resulterar i en blandad karaktär av deformation (skjuvning och normala stam)14,15. En heterogen stam fältet distribution på sub korn har observerats för grova kornat aluminiumlegering16 och duplex stål17, där aktivering av störningen slip systemen var associerade med Schmids lag16 ,17.
En färsk studie utförd av Malitckii18 yttrar att avvikande SFC tillväxt beteende styrs av stam inhomogeneities relaterade till kristallkorn eller, i synnerhet av ansamling av skjuvning stam lokalisering zoner före sprickan. Med hög kvalitet mikroskala mönster och korn som är större än 100 µm aktiverat optisk mikroskopi DIC jordbaserad sub korn deformation mätningar för första gången. Men i Malitckii18, var den nya metoden tillämpad plast stam fältet jordbaserad över hundratusentals belastning cykler inte presenteras eller diskuteras i detalj. Syftet med denna uppsats är därför att införa detta nya experimentella tillvägagångssätt för att studera små trötthet spricka tillväxt beteende i polykristallina material i hög cykel regimen. Nyhet strategin består av jordbaserad full-fältstammar mätning med ett unikt mönster teknik, förutom spricka tillväxt takt mätning. Eftersom denna metod använder optisk bildsensorer gör det möjligt att fånga tusentals bildrutor under testet trötthet. Backscatter diffraktion (EBSD) används för Mikrostrukturens karakterisering och kombinerat med DIC mätningar att avslöja effekterna av korngränser på små trötthet spricka tillväxt utvecklingsstörning18. Metoden används för mätning av små trötthet spricka förökning i bcc 18% Cr ferritiskt rostfritt stål18 simulerar beteendet hos konstruktionsstål för stora strukturella program. I detta papper, vi förklara de viktigaste stegen i mätproceduren och ger en sammanfattande diskussion av det viktigaste resultatet.
En roman jordbaserad mätmetoden införs för att mäta fältet kumulativa deformation på spannmål mikroskala nivå. För att demonstrera funktionen tillvägagångssätt, studeras microstructurally små trötthet spricka förökning beteende i ferritiskt rostfritt stål med 18% krom. De studerade stålet tillhandahölls i form av varma rullade plåt med en tjocklek av 3 mm (se Tabell av material) och genomsnittlig kornstorlek cirka 17 µm21.
En framgångsrik mätning kräver att en inledande trötthet spricka produceras på notch spetsen av exemplar för vidare förökning beteendeanalys. För att studera en microstructurally liten spricka, bör längden på den ursprungliga sprickan vara betydligt mindre än det studerade stålet kornstorlek. Utmattningsprovning är förskjutning kontrolleras för att förhindra spricka tillväxt efter trötthet spricka inletts. Det konstaterades att trötthet spricka inledande tid minskar betydligt med minskningen av spänningsförhållande (R). Således endast 10.000 cykler krävdes för trötthet spricka inledande i exemplaren testade med R-ratio-0,16, stunder med Rratio 0,1, trötthet sprickan inledde inte även efter 100 000 cykler. Användning av belastning förhållandet R-= 0,16 tillåter för att öka stress intervallet 315 MPa till 350 MPa, har fortfarande mindre maximum spänning för pre sprickbildning än faktiska Utmattningsprovning.
Intermittent små trötthet spricka tillväxten är vanligtvis förknippas med mikrostrukturen. I synnerhet anses korngränser allmänt som Mikrostrukturens funktioner ansvarar för liten spricka tillväxt utvecklingsstörning4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. dislokation formuleringen i elementet gränsen av Hansson et al.13 visar att låg vinkel korngränserna ligga i vägen för spricka sökvägen kan resultera i både en ökning och minskning av tillväxttakten spricka; hög vinkel korngränserna påverkar dock inte den spricka tillväxttakten. De fysiska orsaker som orsakar beteendet avvikande spricka tillväxt är inte väl kända. För att avslöja Mikrostrukturens funktioner orsakar den lilla spricka utvecklingsstörning, utfördes en Mikrostrukturens karakterisering innan utmattningsprovning av preparatet. Polering proceduren i steg 1 är avgörande för tillförlitlig Mikrostrukturens analys med EBSD. I steg 3, strax före EBSD analys, är rengöring av förlagan i etanol endast tillåtna, eftersom aceton vapor är farliga för EBSD detektor.
För att avslöja deformation processer inom enskilda korn, måste storleken på speckle mönstret vara betydligt mindre än det studerade stålet kornstorlek. Sedan stålet genomsnittliga kornstorlek efter glödgning är ca 350 µm, var karakteristiska storleken på speckle mönstret krävs för DIC beräkning valt att vara ca 10 µm22,12. Speckle mönsterstorlek måste vara minst 10 gånger mindre än det studerade stålet för korrekt genomförande av steg 5 kornstorlek. Ytan av preparatet är dekorerad med en speckle mönster med en silikon-stämpel. Vi använder en skräddarsydd pneumatiska verktyg (se figur 6) för snabb och exakt drift av stämpeln.
Liten trötthet spricka förökning beteende studeras under belastning-kontrollerade utmattningsprovning av pre-knäckt exemplaren från R-förhållandet mellan 0,1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) och frekvensen av 10 Hz. Utmattningsprovning följer tillsammans med digital bild korrelation (DIC) mätning. Området av intresse är övervakat med ett optiskt mikroskop, 16 x Precision zoomobjektiv, med en upplösning på 2 µm/pixel. Bilderna är tagna under tillfälligt (10 s) stannar av trötthet testet i intervall om 500 cykler. Under bild förvärvandet, lastning hålls konstant, med en genomsnittlig spänning av ca 210 MPa, för att få lika belastningsfall för alla bilder, stabilisera plastisk deformation och undvika trötthet spricka stängning och omfattande krypning tillsammans med min och max lastningen kraft, respektive. Nyhet för metoden är baserad på högupplösta jordbaserad DIC bildinspelning som tillåter för att avslöja liten deformationszoner bildar under små trötthet spricka tillväxt. Framgången för experimentet beror på ett korrekt genomförande av förfarandet före sprickbildning, urval av image capture intervall och förstoring att förhindra den oskärpa av små funktioner såsom zonerna observerade skjuvning stam lokalisering. Således rätt val av kamera upplösning, optisk förstoring och speckle mönsterstorlek enligt beskrivningen i steg 5 i protokollet kan vara avgörande för utredning av de stam lokalisering fenomen. Dock morfologi av zonerna skjuvning stam lokalisering är fortfarande oklart och behöver ytterligare förbättringar av speckle mönstret och upplösning färdskrivare.
Den metod som beskrivs i detta dokument är lämplig för spricka Tillväxtanalys av små trötta ut sprickor i grovkorniga material. En kombination av spricka tillväxt takt mätning och stam-fält analys på den sub korn nivåerna bidrar till att avslöja den mekanism som ansvarar för avvikande tillväxt av små trötthet sprickor18, förutom allmänt observerade korn gränsen effekter på SFCs. djupare förståelse av mekanismerna som trötthet fraktur möjliggör utveckling av nya teoretiska infallsvinklar och således möjliggör design av lättare och mer energi effektiva strukturer i framtiden.
The authors have nothing to disclose.
ASTM UNS S43940 ferritiskt rostfritt stål lämnades av Outokumpu Stainless Oyj. Forskningen stöds av Finlands Akademi projektet № 298762 och Aalto University School of Engineering och post-doc finansiering nr 9155273 Aalto University School of Engineering. Video publicering utfördes med stöd av Mikko Raskinen från Aalto Media Factory.
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 |