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工程学

Medidas de tensión de campo completo para la fatiga microestructuralmente pequeño Crack propagación utilizando el método de correlación Digital de imágenes

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

Summary

Comportamiento del crecimiento de grieta microestructuralmente pequeña fatiga se investiga utilizando un enfoque metodológico novedoso combinando análisis de medición y campo de tensión la velocidad crecimiento crack para revelar el campo de deformación acumulativa a nivel sub-grano.

Abstract

Se utiliza un enfoque de medición novela el campo de deformación acumulativa a un nivel de sub- grano como estudiar la influencia de la microestructura en el crecimiento de grietas de fatiga microestructuralmente pequeño. La metodología de análisis de campo de tensión propuesto se basa en el uso de una técnica única de aguacero con un tamaño de punto característico de aproximadamente 10 μm. La metodología desarrollada se aplica para estudiar el comportamiento de grieta de fatiga pequeñas en cúbico de cuerpo centrado (bcc) acero ferrítico con un tamaño de grano relativamente grande que permite una precisión de medida espacial alto nivel de sub-grano Fe-Cr. Esta metodología permite la medición de crecimiento de grieta de fatiga pequeños eventos de retraso y asociados a zonas de localización de tensión de cizalla intermitente por delante de la punta de la grieta. Además, esto puede correlacionarse con el tamaño y orientación del grano. Por lo tanto, la metodología desarrollada puede proporcionar una comprensión fundamental del comportamiento de crecimiento crack pequeña fatiga, necesaria para el desarrollo de modelos teóricos robustos para la propagación de grieta de fatiga pequeño en materiales policristalinos .

Introduction

Nuevas soluciones de peso ligero se requiere mejorar la eficiencia energética de vehículos tales como naves. Reducción de peso de las estructuras de acero grandes es posible con materiales avanzados. La eficiente utilización de nuevo material y la solución ligera requiere la fabricación alta calidad y diseño robusto métodos1,2. Un método de diseño robusto significa análisis estructural bajo condiciones de carga realista, como inducido por la onda de carga en el caso de un crucero, así como cálculos de respuesta para definir la deformación y las tensiones. El nivel de estrés permitido se define en base a fuerza de detalles estructurales críticos. En el caso de grandes estructuras, estas son uniones soldadas típicamente con una microestructura no homogénea. Uno de los retos clave del diseño de nuevas soluciones de peso ligero es la fatiga debido a su naturaleza acumulativa y localizada, a menudo llevando a cabo en las muescas de la soldadura. Para la fabricación alta calidad, el comportamiento de la fatiga está dominado por crecimiento de las grietas (SFC) pequeña fatiga ya que manufactura los defectos son muy pequeños1,3. Así, la comprensión fundamental de crecimiento de las grietas pequeñas de fatiga en materiales metálicos es crucial para el uso sostenible de nuevos aceros en estructuras de alto rendimiento.

El modelado eficaz de un proceso tan complicado como la propagación de grieta de fatiga en materiales metálicos policristalinos es imposible sin una clara comprensión de los procesos físicos que acompañan el mecanismo de la fractura de fatiga. Un esfuerzo importante de la comunidad de investigación se ha centrado en investigar la propagación de grieta de fatiga mediante observación visual y análisis estadístico. Hasta ahora, comportamiento de crecimiento de grieta de fatiga pequeñas ha sido investigada principalmente por métodos teóricos debido a las limitaciones de las técnicas experimentales. El fatiga anómalas crack tasa el retraso de crecimiento por SFCs es generalmente asociado con el grano límites (GB)4,5,6,7,8,9. Sin embargo, las razones para el crecimiento anómalo de SFC son todavía objeto de debate. Los resultados obtenidos por Modelización teórica utilizando un método de dislocaciones discretas muestra la formación de una pared de la dislocación, o un límite de grano de ángulo bajo corto causado por dislocaciones emitido desde la punta de la grieta de fatiga que afectan a la tasa de crecimiento de grieta de fatiga10 ,11,12,13. Hasta hace poco, ha sido un reto en el preciso análisis experimental del comportamiento de crecimiento de grieta pequeña fatiga. Observaciones experimentales se requieren para el desarrollo de modelos computacionales de la base de principios físicos.

Para el análisis del comportamiento de deformación material cíclico en micro escala es conveniente disponer de mediciones de deformación de campo completo que pueden llevarse a cabo in situ durante la carga cíclica mecánica estándar de equipo, con resolución espacial de la prueba al menos una orden de la magnitud debajo de la escala de longitud característica de la microestructura. Para entender las variaciones en la tasa de crecimiento de grieta de fatiga, campos de tensión medido a menudo están vinculados a las mediciones de difracción (EBSD) de retrodispersión electrónica de la microestructura del material. Carrol et al.14 proporcionan un campo completo cuantitativo, ex situ medición de la tensión plástica cerca de una grieta larga fatiga creciente en una aleación super basadas en níquel, mostrando la formación de lóbulos asimétricos plástico tras la propagación grieta de fatiga. A mayor aumento, correlación digital de imágenes de microscopía electrónica (DIC) reveló inhomogeneidades de tensión asociados con la localización de la tensión en las bandas de deslizamiento con doble y límites de grano, que afectan la fatiga comportamiento del crecimiento de grieta. Sin embargo, el uso ex situ enfoque de medición no es capaz de capturar el campo de tensión durante la propagación de grieta de fatiga. Realizó un estudio experimental de embotar plástico durante la propagación de grieta de fatiga largo Peralta15 utilizando DIC in situ de la pureza comercial Ni (99,6%). Los resultados revelaron que la acumulación de deformación plástica fue dominada por cortante a lo largo de las bandas de deslizamiento que extendido delante de la grieta y estaban inclinados con respecto a la dirección de crecimiento de grieta. La localización de la deformación observada en las bandas de deslizamiento es causada probablemente por la sobrecarga, debido a que los valores de factor de intensidad de baja tensión en una naturaleza mixta de la deformación (shear y tensión normal)14,15. Una distribución de campo deformación heterogénea a nivel sub-grano se ha observado para la aleación de aluminio grano grueso16 y acero duplex17, donde la activación de los sistemas de deslizamiento de la dislocación se asoció con ley16 de Schmid ,17.

Un reciente estudio realizado por Malitckii18 manifiesta que comportamiento de crecimiento anómalo de SFC es controlada por inhomogeneidades de tensión relacionados con la estructura de grano o, en particular, por la acumulación de zonas del esquileo tensión localización delante de la grieta. Con patrones de escala micro de alta calidad, granos mayores de 100 μm y microscopía óptica DIC había habilitado medidas de la deformación de grano sub in situ por primera vez. Sin embargo, en Malitckii18, la nueva metodología aplicada al campo de tensión plástica medida in situ sobre cientos de miles de ciclos de carga fue presentada ni discutida en detalle. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es introducir este nuevo enfoque experimental para el estudio de comportamiento de crecimiento de grieta pequeña fatiga en materiales policristalinos en el régimen de alto ciclo. La novedad del enfoque consiste en medida de tensión de campo completo in situ usando una técnica de patrón único, además de medición de tasa de crecimiento de grieta. Porque este método utiliza sensores de imagen óptico permite capturas miles de fotogramas durante la prueba de fatiga. Difracción backscatter del electrón (EBSD) es utilizado para la caracterización microestructural y combinado con medidas de DIC para revelar el impacto de los límites de grano pequeño fatiga crack crecimiento retraso18. El enfoque es aplicado para la medición de la propagación de grieta pequeña fatiga en bcc 18% Cr acero inoxidable ferrítico18 simulando el comportamiento del acero estructural para aplicaciones estructurales grandes. En este trabajo, explicar los pasos principales del procedimiento de medición y proporcionar un análisis Resumen del principal hallazgo.

Protocol

1. PREPARACION y recocido Molino de las láminas originales de acero inoxidable ferríticas con un espesor de 3 mm (véase Tabla de materiales) para formar la placa con el tamaño característico de unos 200 mm x 15 mm x 1 mm. Coloque la placa de acero producida en el tubo de cuarzo y bombéelo (véase Tabla de materiales) hasta la presión de 10-6 mbar. Proporcionar gas argón (véase Tabla de materiales) en el tubo de cuarzo hasta que la presión alcanza de 0,2 mbar. Sellar el tubo de cuarzo con la muestra dentro calentando el tubo de cuarzo hasta la temperatura fusión19.PRECAUCIÓN: El proceso de sellado es peligroso. Utilice las precauciones necesarias como protección para los ojos, etc.20. Recueza la placa de acero sellada dentro del tubo de cuarzo utilizando el horno de cámara (véase tabla de materiales) a temperatura de 1200 ° C para 1 h y Temple en agua.Nota: El procedimiento de recocido aumenta el tamaño de grano promedio del acero estudiado hasta 350 μm sin gran formación de partículas de carburo de cromo21.PRECAUCIÓN: El procedimiento de recocido es peligroso. Utilice las precauciones apropiadas y siga las instrucciones del manual de horno de cámara. Cortar probetas con muescas (con espesor de 1 mm) de la placa de recocido de los aceros ferríticos estudiados mediante mecanizado de descarga eléctrica (EDM, véase Tabla de materiales). El esquema de la muestra se muestra en la figura 1.PRECAUCIÓN: El procedimiento de corte EDM es peligroso. Utilice las precauciones apropiadas y siga las instrucciones del manual EDM. Moler y pulir la superficie de la muestra. Moler la superficie de la muestra utilizando la máquina de pulir con papel de esmeril (Tabla de materiales) hasta que la superficie de la muestra es uniforme. Pulir las superficies de la muestra utilizando la máquina de pulido con 3 μm y pasta de diamante de 1 μm (véase Tabla de materiales) durante 10 minutos. Pulir la superficie del espécimen usando 0.02 μm sílice coloidal vibratorio pulido (véase tabla de materiales) por cerca de 4 horas; Esto es necesario para el análisis EBSD. 2. antes de agrietarse de la fatiga Definir experimentalmente los parámetros de prueba de fatiga de desplazamiento controlado. Ajustar el desplazamiento límites εmin y εmáx de la máquina hidráulica del servo (véase Tabla de materiales) para que el σmin y σmax son en la gama de aproximadamente -50 MPa y 300 MPa, respectivamente.PRECAUCIÓN: La máquina hidráulica del servo es peligrosa. Utilice las precauciones apropiadas y siga las instrucciones del manual de la máquina hidráulica del servo. Examinar la formación de la grieta inicial después de 2.000, 5.000 y 10.000 ciclos mediante microscopía óptica (véase Tabla de materiales) para definir el número óptimo de ciclos de fatiga y evitar el crecimiento de las grietas extensas. Someta a la muestra a cargas cíclicas uniaxial de desplazamiento controlado por monto definido de ciclos. Examinar la formación de la grieta inicial después de una cantidad definida de ciclos usando microscopía óptica. Se producen grietas iniciales con longitudes de hasta unos 20 μm en la punta de muesca. Aumentar el número de la fatiga de ciclos de carga si la grieta inicial no fue producida. Vuelva a colocar a la muestra si la longitud de grieta inicial supera los 50 μm. 3. Caracterización microestructural Limpiar a la muestra previamente agrietada. Limpiar la muestra previamente agrietada con acetona durante 20 min con el ultrasónico del baño (véase Tabla de materiales). Limpiar la muestra previamente agrietada con etanol durante 20 min con el ultrasónico del baño (véase Tabla de materiales). Marque el área de estudio usando Vickers microindentations como se muestra en la Figura 2a. Siga las instrucciones de la microindentor de Vickers (véase Tabla de materiales) para llevar a cabo las marcas microindentation. Inserte la muestra en el probador de dureza Vickers micro (véase Tabla de materiales). Ajuste la fuerza de la sangría de 500 N. Ajustar la posición de la primera marca de Indentación Vickers en alrededor de 500 μm de lado desde la punta de muesca. Preparar la segunda muesca en otro lado. Ajustar la posición de la tercera hendidura marca en cerca de 500 μm de lado y unos 400 lejos de la punta de muesca. Analizar la microestructura del acero de la superficie lateral de la muestra en las cercanías de la ranura mediante análisis de difracción (EBSD) de retrodispersión de electrones (véase Tabla de materiales). Siga las instrucciones de microscopio electrónico de barrido para realizar análisis de EBSD. Fijó la ampliación en 200 x. Ajuste la posición del espécimen bajo detector EBSD. Que sean la punta de muesca y tres marcas de microindentation Vickers en el marco de la EBSD análisis (ver figura 2b). Establecer el tamaño del paso de la EBSD exploración a 2 μm. Análisis de duración es aproximadamente de 1 h. 4. decoración con un patrón Limpie la superficie de la muestra con etanol (véase Tabla de materiales) durante 10 minutos usando el baño ultrasónico. Secar a la muestra con un ventilador. Limpiar el portaobjetos de un microscopio con una servilleta de papel impregnada de etanol (véase Tabla de materiales). Depositar una fina capa de tinta sobre la superficie de la diapositiva del microscopio. Un marcador permanente proporciona una capa uniforme de tinta sobre la superficie a mano. Presione el sello de silicona con el patrón en la superficie de cristal para transferir una capa de tinta a la superficie de sello. Presione el sello de silicona, cubierto con la tinta en la superficie del espécimen. Compruebe la calidad de patrón moteado con microscopía óptica. En la figura 3se muestra un ejemplo del patrón moteado. Ver referencias22,23 para más detalles de la impresión de capas y patrón. Asegúrese de que el tamaño del patrón moteado es al menos 10 veces más pequeño que el tamaño de grano del material estudiado.Nota: Realice los pasos 2, 3 y 4 con la suficiente antelación para evitar el secado de la tinta. Definir experimentalmente el tiempo de secado. 5. fatiga prueba con DIC Coloque el espécimen en la máquina hidráulica del servo (ver tabla de materiales).PRECAUCIÓN: La máquina hidráulica del servo es peligrosa. Utilice las precauciones apropiadas y siga las instrucciones del manual de la máquina hidráulica del servo. Ajustar los parámetros de prueba de fatiga controlada de carga utilizando R = 0.1 (σmin = 35 MPa σmax = 350 MPa) y prueba de frecuencia de 10 Hz mediante el software de control de la máquina de fatiga. Configurar un microscopio óptico con 16 x lente de zoom de precisión (véase Tabla de materiales) para la observación óptica de la muestra muesca área. Equiparse con el microscopio óptico con una cámara digital con una resolución de 2.048 píxeles x 1,536 píxeles. Ajuste manual de la magnificación del microscopio óptico. Asegúrese de que toda la muesca área del espécimen se adapta a la zona de la imagen de la cámara digital. Asegúrese de que el tamaño del pixel es por lo menos 5 veces más pequeño que el tamaño del patrón. Ejecutar la prueba de fatiga y sincronizar con el sistema de grabación de imagen. Capturar las imágenes durante el temporal (10 s) paradas de la prueba de fatiga en intervalos de 500 ciclos. Asegúrese de que la carga se mantiene constante con una tensión media de 210 MPa durante la adquisición de la imagen. Continuar la prueba de fatiga hasta un valor crítico acerca a la longitud de la grieta o plasticidad de la sección de red empieza a dominar. 6. Análisis de resultados Utilizar las imágenes sin procesar obtenidas para realizar la tasa de crecimiento de grieta (CGR) y el análisis DIC usando un software comercial (véase Tabla de materiales). Utilice el manual de operación para realizar el análisis de la CGR. Tenga en cuenta que el análisis de tasa de crecimiento de grieta son posible realizar con el software comercial automáticamente o manualmente. Realizar el análisis de la CGR manualmente utilizando el conjunto de datos de imagen raw por la medida del incremento de longitud de grieta después de cada 500 ciclos. Análisis de la deformación de la tensión de esquileo para el área de estudio utilizando software comercial. Utilice el manual de operación para realizar análisis de deformación de tensión cortante. Asegurar esa correlación modo en ajustes de la serie de tiempo del software es elegido para ser “en relación con el primero”. Realizar análisis del misorientation de factor y granos de Schmid de datos EBSD utilizando la caja de herramientas de código abierto MTEX (véase Tabla de materiales).Nota: Información sobre análisis de Schmid factor y granos misorientation está disponibles en Guía del usuario de MTEX caja de herramientas24. Realizar el análisis acumulativo de los resultados obtenidos.Nota: Se discute el análisis acumulativo de ref.18. Uso marcas de microindentation Vickers para que coincida con el mapa de límites de grano, mapa de misorientation y mapa de factor de Schmid sobre el esquileo tensión deformación campo18. Definir la correlación entre la CGR, campo de tensión y microestructura (misorientation y Schmid factor mapas)18.

Representative Results

Utilizando la metodología propuesta, podemos analizar el campo de deformación de los granos acumulando durante la propagación de grieta de fatiga pequeñas bajo cargas cíclicas. La caracterización se realiza a nivel sub grano mostrando pequeñas características del comportamiento del material bajo fatiga cargando incluso dentro de un solo grano. En particular, la formación de campos de localización de tensión de esquileo se observó como se muestra en la figura 4. Se realizaron una serie de pruebas para comprobar los fenómenos observados. El campo de deformación se combina fácilmente con la imagen de límite de grano para una caracterización completa de las características responsables del comportamiento de crecimiento anómalo de las grietas de fatiga pequeñas (ver figura 5). Análisis acumulativo del campo de deformación, microestructura, tasa de crecimiento de grieta y grieta camino revelan una dependencia entre la pequeña grieta retraso de tasa de crecimiento y acumulación del esquileo tensión localización zona18, como se muestra en el video. Figura 1 : Vista esquemática de la muestra de prueba de fatiga del acero inoxidable ferrítico estudiada (las dimensiones están en mm). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2 : Imagen de SEM de la superficie lateral de la muestra de aceros inoxidables ferríticos en las cercanías de la zona dentada (a) y su mapa de la figura (IPF) de polo inverso con clave IPF en el recuadro (b). La alineación de la campo de tensión DIC y EBSD imagen fue realizada con ayuda de microindentations de Vickers que se muestra discontinua círculos (a). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3. Microscopía óptica de la superficie de lado muestra decorado con un patrón. Figura 4 . Acumulación intermitente de las zonas de localización de tensión de esquileo durante el crecimiento de grieta de fatiga pequeño. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5 . Dos ejemplos (a y b) de la vista combinada de la cizalla campo de tensión y la microestructura del acero estudiado probaron fatiga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6 . Máquina neumática por encargo para la decoración del patrón de los ejemplares. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Discussion

Un enfoque novedoso de medida in situ se introduce para medir el campo de deformación acumulativa a un nivel de micro escala de grano. Para demostrar la capacidad de enfoque, se estudia el comportamiento de propagación de grieta de fatiga microestructuralmente pequeño en acero inoxidable ferrítico con 18% de cromo. El acero estudiado fue proporcionado en forma de calor en placa con un espesor de 3 mm (véase Tabla de materiales) y promedio de tamaño de grano de alrededor de 17 μm21.

Una medición exitosa requiere que una grieta de fatiga inicial se produce en la punta de muesca de las muestras para análisis de comportamiento de propagación adicional. Para estudiar una microestructuralmente pequeña grieta, la longitud de la grieta inicial debe ser significativamente menor que el tamaño de grano del acero estudiado. Pruebas de fatiga son el desplazamiento controlado para prevenir el crecimiento de la grieta después de la iniciación de grieta de fatiga. Se encontró que el tiempo de iniciación de grieta de fatiga disminuye significativamente con la disminución del cociente de la tensión (R). Así, sólo 10.000 ciclos para iniciación de grieta de fatiga en las muestras analizadas con R-relación de-0.16, mientras que con Rratio 0,1, la grieta de fatiga no inició aún después de 100.000 ciclos. El uso de la relación de carga R =-0.16 permite para aumentar la tensión entre 315 MPa y 350 MPa, teniendo todavía más pequeño máximo estrés de agrietamiento antes que el de prueba de fatiga real.

El crecimiento de grieta de fatiga pequeño intermitente se asocia generalmente a la microestructura. En particular, límites de grano son ampliamente considerados como características microestructurales responsables de la pequeña grieta crecimiento retraso4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. la formulación de la dislocación en el elemento de límite por Hansson et al.13 muestra que los límites de grano de ángulo bajo de mentira en el camino de la ruta del crack pueden resultar en un aumento y disminución de la tasa de crecimiento de la grieta; sin embargo, los límites de grano de ángulo de alta no afectan la tasa de crecimiento de grieta. Las razones físicas que causa el comportamiento del crecimiento anómalo crack no son bien conocidas. Para revelar las características microestructurales, causando el retraso de la pequeña grieta, una caracterización microestructural se realizó antes de la prueba de fatiga de la muestra. El procedimiento de pulido que se describe en el paso 1 es crucial para análisis microestructural fiable utilizando EBSD. En el paso 3, justo antes de análisis EBSD, la limpieza de la muestra en etanol sólo se permite, puesto que el vapor de acetona es peligroso para el detector EBSD.

Para revelar procesos de deformación dentro de granos individuales, el tamaño del patrón moteado debe ser significativamente menor que el tamaño de grano del acero estudiado. Desde el tamaño de grano promedio del acero después de recocido es el μm cerca de 350, el tamaño característico del patrón del punto requerido para el cálculo de la DIC fue escogido para ser aproximadamente 10 μm22,12. El tamaño del patrón moteado debe ser al menos 10 veces más pequeño que el tamaño de grano del acero estudiado para la correcta ejecución del paso 5. La superficie de la pieza está decorada con un patrón moteado con un sello de silicona. Utilizamos una herramienta neumática por encargo (ver figura 6) para un funcionamiento rápido y preciso de la estampilla.

Comportamiento de propagación de grieta de fatiga pequeñas se estudia durante la prueba de fatiga controlada de carga de las muestras previamente agrietadas la proporción R de 0.1 (σmin = 35 MPa σmax = 350 MPa) y la frecuencia de 10 Hz. prueba de la fatiga sigue junto con medida de correlación (DIC) de la imagen digital. El área de interés se monitorea utilizando un microscopio óptico, 16 x lente de Zoom de precisión, con una resolución de 2 μm/píxeles. Imágenes son capturadas durante el temporal (10 s) paradas de la prueba de fatiga en intervalos de 500 ciclos. Durante la adquisición de la imagen, la carga se mantiene constante, con un esfuerzo medio de aproximadamente 210 MPa, con el fin de tener condiciones de carga iguales para todas las imágenes, estabilizar la deformación plástica y evitar cierre de grieta de fatiga y fluencia extensa acompañada de min y max de la carga de fuerza, respectivamente. La novedad del método se basa en in situ DIC imagen grabación de alta resolución que permite revelar las zonas de deformación pequeña formando durante el crecimiento de grieta de fatiga pequeñas. El éxito del experimento depende de la correcta aplicación del procedimiento previamente grietas, selección de intervalo de captura de imagen y ampliación para evitar la desaparición de pequeñas características tales como las zonas de localización de corte observado tensión. Así, la selección apropiada de resolución de la cámara, óptica aumento y punto patrón tamaño como se describe en el paso 5 del Protocolo puede ser crucial para la investigación de los fenómenos de localización de cepa. No obstante, morfología de las zonas de localización de tensión de esquileo es todavía confusa y otras mejoras del patrón moteado y la resolución de la imagen de equipo de grabación.

El enfoque metodológico descrito en este documento es adecuado para análisis de crecimiento de grieta de fatiga pequeñas grietas en materiales de grano grueso. Una combinación de medición de tasa de crecimiento de crack y análisis de campo de tensión en la ayuda a nivel grano sub para revelar el mecanismo que son responsables de crecimiento anómalo de la fatiga pequeñas grietas18, además de los límites de grano ampliamente observado efectos sobre SFCs. comprensión más profunda de los mecanismos de la fractura de fatiga hace posible el desarrollo de nuevos enfoques teóricos y por lo tanto, permite diseño de alumbrador y más estructuras eficientes de energía en el futuro.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

El acero inoxidable ferrítico ASTM UNS S43940 fue proporcionado por Outokumpu Oyj inoxidable. Investigación es apoyada por la Academia de Finlandia proyecto 298762 y Aalto University escuela de ingeniería y por post-doctoral financiación No 9155273 Aalto Escuela Universitaria de ingeniería. Publicación de video fue realizado con apoyo de Mikko Raskinen de fábrica de los medios de comunicación de Aalto.

Materials

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
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References

  1. Remes, H. Factors affecting the fatigue strength of thin-plates in large structures. International Journal of Fatigue. 101, 397-407 (2017).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Tokaji, K., Ogawa, T., Miller, K. J., de los Rios, E. R. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. Short Fatigue Cracks, ESIS 13. , 85-89 (1992).
  5. 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).
  6. Tokaji, K., Ogawa, T., Miller, K. J., de los Rios, E. R. The growth behavior of microstructurally small fatigue cracks in metals. Short Fatigue Cracks, ESIS 13. , 85-89 (1992).
  7. McClintock, F. A. On the plasticity of the growth of fatigue cracks. Fracture of Solids. 20, 65-102 (1963).
  8. Doquet, V. Micromechanical simulations of microstructure-sensitive stage I fatigue crack growth. Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. 22, 215-223 (1998).
  9. 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).
  10. Bjerkén, C., Melin, S. Influence of low-angle grain boundaries on short fatigue crack growth studied by a discrete dislocation method. , (2008).
  11. 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).
  12. Shen, Z., Wagoner, R. H., Clark, W. A. T. Dislocation and grain boundary interactions in metals. Acta Metallurgica. 36, 3231-3242 (1988).
  13. Hansson, P., Melin, S. Grain boundary influence on short fatigue crack growth rate. International Journal of Fracture. 165, 199-210 (2010).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Bossuyt, S. 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. 3, 239-248 (2013).
  21. 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).

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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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