JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingegneria

Flächenhafte Dehnungsmessungen für Microstructurally kleine Müdigkeit Rissausbreitung Digitalbild Korrelation Methode

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

Summary

Microstructurally kleine Ermüdungsverhalten Riss Wachstum wird untersucht, mit einen neuartigen methodischen Ansatz kombiniert Riss Wachstum Rate Mess- und Stamm-Feld-Analyse um die kumulative Verformung Bereich auf Ebene der Sub Korn.

Abstract

Eine neuartige Messansatz wird verwendet, um Feld kumulierte Verformung auf Sub Korn Ebene aufzudecken und Untersuchung des Einflusses der Mikrostruktur auf das Wachstum der microstructurally kleine Ermüdungsrisse. Die vorgeschlagene Belastung Feld Analysemethodik basiert auf der Verwendung einer einzigartigen prasselnder Technik mit einer charakteristischen Speckle-Größe von ca. 10 µm. Entwickelte Methodik wird angewendet, um die kleinen Ermüdungsverhalten der Riss im Körper zentriert Kubik (Bcc) Fe-Cr ferritischen Edelstahl mit einer relativ großen Korngröße ermöglicht eine hohe räumliche Messgenauigkeit auf Sub Korn Ebene zu studieren. Diese Methodik ermöglicht die Messung von kleinen Müdigkeit Risswachstum Retardierung Ereignisse und intermittierende Belastung Lokalisierung Scherzonen vor der Rissspitze verbunden. Darüber hinaus kann dies mit der kornorientierung und Größe korreliert werden. So können entwickelte Methodik ein tieferes grundlegendes Verständnis von den kleinen Riss Wachstum Ermüdungsverhalten, erforderlich für die Entwicklung von robusten theoretische Modelle für die kleinen Müdigkeit knacken Ausbreitung in polykristallinen Materialien bieten .

Introduction

Neue leichte-Lösungen sind verpflichtet, die Verbesserung der Energieeffizienz von Fahrzeugen wie Schiffe. Gewichtsreduktion von großen Stahlkonstruktionen ist mit fortschrittlichen Stahlwerkstoffe möglich. Die effiziente Nutzung des neuen Materials und die leichte Lösung erfordert hohe Fertigungsqualität und robustes Design Methoden1,2. Eine robustes Design-Methode bedeutet Strukturanalyse unter realistischen Lastbedingungen, wie Welle-induzierte laden bei einem Kreuzfahrtschiff sowie Antwort Berechnungen, Verformungen und Spannungen zu definieren. Das zulässige Spannungsniveau ist basierend auf die Stärke der kritischen Strukturdetails definiert. Bei großen Strukturen sind in der Regel Schweißverbindungen mit eine inhomogene Mikrostruktur. Eines der wichtigsten Design-Herausforderungen für neue Leichtbau-Lösungen ist Müdigkeit wegen seiner kumulativen und lokalisierte Natur, häufig stattfindenden Schweißausklinkungen. Für hohe Fertigungsqualität, das Ermüdungsverhalten ist geprägt durch kleine Müdigkeit Risswachstum (SFC) da Manufacturing induziert Mängel sind sehr klein,1,3. Daher ist das grundlegende Verständnis der kleinen Müdigkeit Risswachstum in metallischen Werkstoffen entscheidend für eine nachhaltige Nutzung neuer Stähle in Hochleistungs-Strukturen.

Die effektive Modellierung eines komplizierten Prozesses als Müdigkeit Rissausbreitung in polykristallinen metallischen Werkstoffen ist unmöglich ohne ein klares Verständnis der physikalischen Prozesse begleiten die Müdigkeit-Fraktur-Mechanismus. Ein erheblicher Aufwand aus der Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung von Müdigkeit Rissfortschritt mit visuelle Beobachtung und statistische Analyse. So weit, ist kleine Ermüdungsverhalten Riss Wachstum vor allem durch theoretische Methoden aufgrund der Einschränkungen der experimentellen Techniken untersucht worden. Die anormale Müdigkeit Riss Wachstumsverzögerung Rate für SFCs ist in der Regel verbunden mit dem Korn Grenzen (GB)4,5,6,7,8,9. Allerdings sind die Gründe für anomale SFC Wachstum noch in der Diskussion. Die Ergebnisse, die durch die theoretische Modellierung mit einer diskreten Luxation Methode zeigt Bildung einer Luxation Wand, oder eine kurze Low-Winkel Korngrenze verursacht durch Versetzungen ausgestoßen von der Müdigkeit Rissspitze beeinflussen die Müdigkeit Riss Wachstumsrate10 ,11,12,13. Bis vor kurzem gab es eine Herausforderung in genaue experimentelle Analyse der kleinen Riss Wachstum Ermüdungsverhalten. Experimentelle Beobachtungen sind für die Entwicklung des physikalischen Prinzipien Rechenmodelle erforderlich.

Für die Analyse der zyklischen Materialverformung Verhalten im Mikromaßstab ist es wünschenswert, vollflächigen Deformationsmessungen haben, die in-situ während zyklische Belastung mit mechanischen Standard durchgeführt werden können Prüfmittel mit einer räumlichen Auflösung von mindestens einem Größenordnung unter die charakteristische Längenskala der Mikrostruktur. Um die Schwankungen der Müdigkeit Riss Wachstumsrate zu verstehen, sind gemessene Belastung Felder oft Electron Backscatter Beugung (EBSD) Messungen der materiellen Mikrostruktur verbunden. Carrol Et Al.14 bieten eine quantitative, flächenhafte ex-Situ-Messung der plastische Dehnung in der Nähe von einer wachsenden lange Ermüdungsriss in einer Nickel-Basis super-Legierung, zeigt die Entstehung der asymmetrischen Lappen im Zuge der verbreitende Ermüdungsriss Kunststoff. Bei höherer Vergrößerung Elektronenmikroskopie digitaler Bildkorrelation (DIC) offenbart Stamm Inhomogenitäten Stamm Lokalisierung auf den Slip-Bändern mit Zwilling zugeordnet und Korngrenzen beeinflussen die Müdigkeit knacken Wuchsverhalten. Aber die ex-Situ Messansatz ist nicht in der Lage, Feld Belastung während Müdigkeit Rissausbreitung zu erfassen. Eine experimentelle Untersuchung der Kunststoff Abstumpfung während langen Müdigkeit Rissausbreitung wurde von Peralta15 mit in-situ DIC für kommerzielle Reinheit Ni (99,6 %) durchgeführt. Ergebnisse zeigten, dass die Anhäufung der plastischen Verformung durch Scherung entlang den Slip Bands dominiert wurde, die vor dem Sprung erweitert und in Bezug auf den Sprung Richtung geneigt waren. Die beobachteten Stamm Lokalisierung bei den Slip-Bands wird wahrscheinlich durch Überlastung, verursacht, da die niedrige Intensität Faktor Spannungswerte Mischcharakter der Verformung (scher- und normale Belastung)14,15ergeben. Eine heterogene Feld Dehnungsverteilung Ebene der Sub Korn wurde beobachtet für grob genarbtem Aluminiumlegierung16 und duplex Stahl17, wo war die Aktivierung der Luxation Rutsch Systeme verbunden mit Schmids Gesetz16 ,17.

Eine aktuelle Studie von Malitckii18 manifestiert, dass anomale SFC Wuchsverhalten durch Belastung Inhomogenitäten im Zusammenhang mit der Kornstruktur oder insbesondere durch Anhäufung von Scherzonen Stamm Lokalisierung vor der Riss kontrolliert wird. Mit qualitativ hochwertigen Mikromaßstab Mustern und Körner größer als 100 µm aktiviert optische Mikroskopie DIC in-situ Sub Korn Deformationsmessungen für zum ersten Mal. Jedoch in Malitckii18, wurde die neuartige Methodik auf plastische Dehnung Feld an Ort und Stelle über Hunderttausende von Lastzyklen nicht vorgestellt oder ausführlich besprochen. Daher ist das Ziel dieses Papiers, diesen neuen experimentellen Ansatz für die Untersuchung kleiner Riss Wachstum Ermüdungsverhalten in polykristallinen Materialien in der hohen Zyklus-Regime einzuführen. Die Neuheit des Ansatzes besteht aus in-situ flächenhafte Dehnungsmessung mit einer einzigartigen Muster-Technik neben Riss Wachstum Messung. Da diese Methode optische Bild-Sensoren erfassen Tausende von Bildern während der Dauertest ermöglicht nutzt. Backscatter Elektronenbeugung (EBSD) ist für die mikrostrukturellen Charakterisierung verwendet und kombiniert mit DIC Messungen zeigen die Auswirkungen der Korngrenzen auf kleine Müdigkeit Riss Wachstum Retardierung18. Der Ansatz ist für die Messung von kleinen Müdigkeit Rissausbreitung in Bcc 18 % Cr ferritischen Edelstahl18 Simulation des Verhaltens von Baustahl für große strukturelle Anwendungen angewendet. In diesem Papier wir erklären die wichtigsten Schritte der Messverfahren und bieten eine zusammenfassende Diskussion über die wichtigste Erkenntnis.

Protocol

1. die Probenvorbereitung und Glühen Fräsen der ursprünglichen ferritischen Edelstahl-Platten mit einer Dicke von 3 mm (siehe Tabelle der Materialien), die Platte mit charakteristischen Größe von etwa 200 x 15 x 1 mm zu bilden. Die produzierte Stahlplatte in die Quarzröhre und es Pumpe (siehe Tabelle der Materialien), bis des Drucks von ca. 10-6 Mbar. Argon-Gas geben (siehe Tabelle der Materialien) in das Quarzrohr, bis der Druck über 0,2 Mbar erreicht. Quarzrohr mit der Probe im Inneren durch Erhitzen der Quarzrohr bis die schmelzende Temperatur19zu versiegeln.Achtung: Die Abdichtung Prozedur ist gefährlich. Verwenden Sie entsprechende Vorsichtsmaßnahmen wie richtige Augenschutz, etc.20. Die Stahlplatte versiegelt innerhalb der Quarzrohr mit dem Kammer-Ofen Tempern (siehe Tabelle der Materialien) bei Temperatur von 1200 ° C für 1 h und Quench im Wasser.Hinweis: Das Glühen Verfahren erhöht die mittlere Korngröße des untersuchten Stahls bis zu 350 µm ohne umfangreiche Bildung von Chrom Hartmetall Partikel21.Achtung: Das Glühen Verfahren ist gefährlich. Verwenden Sie entsprechende Vorsichtsmaßnahmen und folgen Sie den Anweisungen des Kammer-Ofen-Handbuchs. Gekerbte Proben (mit einer Dicke von 1 mm) von der geglühten Platte der untersuchten ferritischen Stahl mit elektrischen Entladung Bearbeitung schneiden (EDM, siehe Tabelle der Materialien). Das Schema der Probe ist in Abbildung 1gezeigt.Achtung: Die EDM-Schneidvorgang ist gefährlich. Verwenden Sie entsprechende Vorsichtsmaßnahmen und folgen Sie den Anweisungen des Handbuchs EDM. Schleifen und Polieren der Probenoberfläche. Schleifen Sie die Probe-Oberflächen mit Schleifmaschine mit Schmirgelpapier (Table of Materials), bis die Oberfläche der Probe gleichmäßig ist. Polieren Sie die Probe-Oberflächen mit der Poliermaschine mit 3 µm bis 1 µm Diamantpaste (siehe Tabelle der Materialien) für 10 Minuten. Polieren der Probenoberfläche mit 0,02 µm kolloidale Kieselsäure Vibrations Polieren (siehe Tabelle der Materialien) für ca. 4 h; Dies ist erforderlich für die EBSD Analyse. 2. Pre-Ermüdungsbrüche Experimentell definieren Sie die Verschiebung gesteuert Müdigkeit Testparameter. Die Verschiebung Grenzen εmin und εmax der Servo-hydraulische Maschine einstellen (siehe Tabelle der Materialien), dass σmin und σmax im Bereich von etwa 50 MPa bzw. 300 MPa betragen.Achtung: Die Servo-hydraulische Maschine ist gefährlich. Verwenden Sie entsprechende Vorsichtsmaßnahmen und folgen Sie den Anweisungen des Servo-hydraulische Maschine-Handbuchs. Untersuchen Sie die anfängliche Rissbildung nach 2.000, 5.000 und 10.000 Zyklen mit optischen Mikroskopie (siehe Tabelle der Materialien) definieren die optimale Anzahl von Müdigkeit Zyklen und umfangreiche Risswachstum zu vermeiden. Vorbehaltlich der Probekörpers einachsigen zyklische Verschiebung gesteuert für definierte Anzahl von Zyklen. Untersuchen Sie die anfängliche Rissbildung nach definierten Anzahl von Zyklen mit optischen Mikroskopie. Erste Risse mit einer Länge bis zu etwa 20 µm entstehen an der Spitze der Kerbe. Die Zahl der Ermüdung Ladezyklen, wenn der erste Riss nicht produziert wurde. Ersetzen Sie die Probe, überschreitet die ersten Sprung Länge 50 µm. (3) mikrostrukturellen Charakterisierung Reinigen Sie die Pre-cracked Probe. Reinigen Sie die Pre-cracked Probe mit Aceton für 20 min mit der Ultraschall Bad (siehe Tabelle der Materialien). Reinigen Sie die Pre-cracked Exemplar mit Ethanol für 20 min mit dem Ultraschall Bad (siehe Tabelle der Materialien). Markieren Sie den untersuchten Bereich mit Vickers Microindentations, wie in Abbildung 2agezeigt. Folgen Sie den Anweisungen von der Vickers-Microindentor (siehe Tabelle der Materialien), die Microindentation-Marken durchzuführen. Legen Sie die Probe in das Mikro Vickers Härteprüfgerät (siehe Tabelle der Materialien). Stellen Sie die Einrückung Kraft auf 500 N. Passen Sie die Position für die erste Vickers Einrückung Markierung bei ca. 500 µm seitwärts von der Kerbe-Spitze. Bereiten Sie den zweiten Einzug an einer anderen Seite. Passen Sie die Position für den dritten Einzug Mark bei etwa 500 µm seitwärts und etwa 400 µm von der Kerbe-Tipp. Analyse die Mikrostruktur des Stahls von der Seitenfläche der Probe in der Nähe der Kerbe mit Electron Backscatter Diffraction (EBSD) Analyse (siehe Tabelle der Materialien). Folgen Sie der Anleitung des Raster-Elektronenmikroskop EBSD Analyse durchführen. Setzen Sie den Zoomfaktor bei 200 X. Passen Sie die Position der Probe unter EBSD-Detektor. Sicherstellen Sie, dass die Kerbe-Spitze und drei Vickers Microindentation Marken im Rahmen der EBSD Scan (siehe Abb. 2 b). Legen Sie die Schrittweite für die EBSD Scannen mit 2 µm. Scan-Dauer ca. 1 h ist. 4. Dekoration mit einem Muster Reinigen Sie die Probenoberfläche mit Ethanol (siehe Tabelle der Materialien) für 10 min mit dem Ultraschallbad. Trocknen Sie die Probe mit einem Ventilator. Einen Objektträger mit einer Papierserviette getränkt mit Ethanol zu reinigen (siehe Tabelle der Materialien). Hinterlegen Sie eine dünne Schicht von Tinte auf die Glasoberfläche der Objektträger. Ein permanent-Marker bietet gleichmäßige Farbschicht auf der Oberfläche von hand. Drücken Sie auf den Silikon-Stempel mit dem Muster auf der Glasoberfläche eine Farbschicht auf die Stempel-Oberfläche zu übertragen. Drücken Sie auf den Silikon-Stempel mit der Tinte auf der Probenoberfläche bedeckt. Überprüfen Sie die Speckle-Muster-Qualität mit optischen Mikroskopie. Ein Beispiel für die Speckle-Muster ist in Abbildung 3dargestellt. Siehe Referenzen22,23 für Details der Muster und Microcontact drucken. Sicherstellen Sie, dass die Speckle-Muster-Größe mindestens 10 Mal kleiner als die Korngröße des untersuchten Materials.Hinweis: Führen Sie die Schritte 2, 3 und 4 in genügend Zeit, um die Tinte trocknen zu vermeiden. Die Trocknungszeit ist experimentell zu definieren. 5. Ermüdungsprüfung mit DIC Legen Sie die Probe in die Servo-hydraulische Maschine (siehe Tabelle der Materialien).Achtung: Die Servo-hydraulische Maschine ist gefährlich. Verwenden Sie entsprechende Vorsichtsmaßnahmen und folgen Sie den Anweisungen des Servo-hydraulische Maschine-Handbuchs. Passen Sie die Last-gesteuerte Müdigkeit Testparameter mit R = 0,1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) und Frequenz von 10 Hz mit der Steuerungssoftware der Müdigkeit Maschine zu testen. Einrichten von einem optischen Mikroskop mit 16 x Präzisions-Zoom-Objektiv (siehe Tabelle der Materialien) für optische Beobachtung der Probe gekerbt Bereich. Statten Sie das optische Mikroskop mit einer digitalen Kamera mit einer Auflösung von 2.048 Pixel X 1,536 Pixel. Die Vergrößerung des optischen Mikroskops manuell anpassen. Stellen Sie sicher, dass der gesamte Bereich der Probe passt in den Bildbereich der Digitalkamera eingekerbt. Sicherstellen Sie, dass die Pixelgröße mindestens 5 Mal kleiner als die Größe des Musters ist. Führen Sie den Test Müdigkeit und synchronisieren mit dem Bild recording-System. Die Bilder erfassen, während vorübergehenden (10 s) hält die Müdigkeit Test in Abständen von 500 Zyklen. Stellen Sie sicher, dass die Last während der Bildaufnahme mit einer durchschnittlichen Belastung von etwa 210 MPa konstant gehalten wird. Die Ermüdungsprüfung fortgesetzt, bis die Riss Länge nähert sich einen kritischen Wert oder Net-Abschnitt Plastizität zu beherrschen beginnt. 6. die Ergebnisermittlung Die erhaltenen raw-Bilder zur Durchführung der Riss Wachstumsrate (CGR) und DIC-Analyse mit einer kommerziellen Software zu verwenden (siehe Tabelle der Materialien). Verwenden Sie die Bedienungsanleitung CGR Analysen durchzuführen. Beachten Sie, dass das Risswachstum Analyse bewerten kann mit der kommerziellen Software automatisch oder manuell durchführen. Führen Sie die CGR-Analyse manuell über das raw-Bild-Dataset durch Messung des Inkrements Riss Länge nach jedem 500 Zyklen. Analysieren von die Schubverformung Belastung für den untersuchten Bereich mit kommerzieller Software. Verwenden Sie die Bedienungsanleitung, um Scherung Deformation Belastungsanalyse durchzuführen. Stellen Sie sicher, dass Korrelation in Serie Zeiteinstellungen der Software ist zu “relativ zur ersten” gewählt. Schmid-Faktor und Körner Fehlorientierung Analyse EBSD-Daten mit Hilfe der open-Source-MTEX-Toolbox (siehe Tabelle der Materialien).Hinweis: Details zu Schmid Faktor und Körner Fehlorientierung Analyse stehen im Benutzerhandbuch der MTEX-Toolbox-24. Führen Sie kumulative Analyse der erzielten Ergebnisse.Hinweis: Die kumulative Analyse ist in Ref.18behandelt. Verwendung Vickers Microindentation Mark Korn Grenze Karte, Fehlorientierung Karte und Schmid Faktor Karte oben auf der scher Belastung Verformung Feld18übereinstimmen. Definieren Sie die Korrelation zwischen CGR, Belastung und Mikrostruktur (Fehlorientierung und Schmid Faktor Karten)18.

Representative Results

Mit der vorgeschlagenen Methodik, analysieren wir die Sub-Verformung Getreidefeld ansammeln, während kleine Müdigkeit Rissausbreitung unter zyklischer Belastung. Die Charakterisierung erfolgt auf Sub Korn Ebene zeigt kleine Funktionen des Materialverhaltens unter Zyklusbelastung selbst innerhalb einer einzigen Korn. Insbesondere war Bildung von scher Belastung Lokalisierung Felder beobachtet, wie in Abbildung 4dargestellt. Eine Reihe von Tests wurden durchgeführt, um zu überprüfen, die beobachteten Phänomene. Feld Deformation ist leicht mit dem Korn-Grenze-Bild für eine umfassende Charakterisierung der verantwortlich für das anormale Wachstum Verhalten von der kleinen Ermüdungsrisse Features kombiniert (siehe Abbildung 5). Kumulative Analyse der Verformung Feld, Mikrostruktur, Riss Wachstumsrate und Riss Weg zeigen eine Abhängigkeit zwischen den kleinen Riss Rate Wachstumsverzögerung und Anhäufung der scher Belastung Lokalisierung Zone18, wie in dem Video gezeigt. Abbildung 1 : Schematische Darstellung des Prüflings Müdigkeit der untersuchten ferritischen Edelstahl (Abmessungen sind in mm). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 2 : REM-Aufnahme der Seitenfläche der ferritischen Edelstahl Probe in der Nähe der eingekerbte Bereich (a) und die inverse Pol Abbildung (IPF) Karte mit IPF Schlüssel in den Einschub (b). Die Ausrichtung der DIC Belastung Feld und EBSD-Bild wurde mit Hilfe von Vickers Microindentations gezeigt durch gestrichelte Kreise (a) durchgeführt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 3. Optische Mikroskopie von der Probenoberfläche Seite verziert mit einem Muster. Abbildung 4 . Intermittierende Anhäufung von der Lokalisierung Scherzonen Belastung während kleine Müdigkeit Risswachstum. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 5 . Zwei Beispiele (ein und b) der kombinierten Ansicht der Scherung Belastung Feld und Mikrostruktur des untersuchten Stahls getestet in Müdigkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 6 . Maßgeschneiderte pneumatische Maschine für Muster Dekoration der Exemplare. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 

Discussion

Eine neuartige in-situ Messung-Konzept wird eingeführt, um Feld kumulierte Verformung bei der Korn-Mikro-Ebene zu messen. Um die Ansatz-Fähigkeit zu demonstrieren, wird die microstructurally kleine Riss Ausbreitung Ermüdungsverhalten aus ferritischen Edelstahl mit 18 % Chrom untersucht. Der untersuchte Stahl wurde zur Verfügung gestellt in Form von heißen Platte gerollt, mit einer Dicke von 3 mm (siehe Tabelle der Materialien) und die durchschnittliche Korngröße von etwa 17 µm21.

Eine erfolgreiche Messung erfordert, dass eine anfängliche Ermüdungsriss an der Spitze der Einkerbung der Proben zur weiteren Vermehrung Verhaltensanalyse produziert wird. Um ein microstructurally kleiner Riss zu studieren, sollte die Länge des ersten Risses deutlich kleiner als die Korngröße des untersuchten Stahls. Ermüdungsprüfung ist Verdrängung gesteuert um Risswachstum nach Müdigkeit Rissbildung zu verhindern. Es wurde festgestellt, dass Müdigkeit Riss Einleitung Zeit deutlich verringert sich mit der Abnahme der Spannungsverhältnis (R). So bedurfte es nur 10.000 Zyklen für Müdigkeit Rissbildung in den Proben mit R-Verhältnis-0.16 getestet, während mit Rratio 0,1, die Ermüdungsriss nicht auch nach 100.000 Zyklen initiieren. Die Verwendung von Lastverhältnis R =-0.16 erlaubt, dem Spannungsbereich von 315 MPa bis 350 MPa erhöhen mit noch kleineren Maximalspannung auf Pre-Risse als der eigentliche Ermüdungsprüfung.

Die intermittierende kleine Müdigkeit Risswachstum ist in der Regel verbunden mit der Mikrostruktur. Insbesondere gelten Korngrenzen weithin als mikrostrukturelle Merkmale verantwortlich für kleiner Riss Wachstum Retardierung4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. Luxation Formulierung in das Federelement Hansson Et Al.13 zeigt, dass die niedrigen Winkel Korngrenzen liegen in der Art der Riss Weg eine Zunahme und Abnahme der Riss Wachstumsrate; führen können High-Angle Korngrenzen beeinträchtigen jedoch nicht die Riss-Wachstumsrate. Die körperliche Gründe verursacht die anomale Riss Wuchsverhalten sind nicht bekannt. Um die mikrostrukturellen Funktionen verursachen kleiner Riss Retardierung zeigen, war eine mikrostrukturelle Charakterisierung vor Ermüdungsprüfung der Probe durchgeführt. Das polierende in Schritt 1 beschriebene Verfahren ist entscheidend für zuverlässige mikrostrukturellen Analyse mit EBSD. In Schritt 3, kurz vor EBSD Analyse ist die Reinigung der Probe in Ethanol nur zulässig, da Aceton Vapor gefährlich für EBSD-Detektor ist.

Um Verformungen Prozesse innerhalb einzelner Körner zu offenbaren, muss die Größe des Musters Speckle deutlich kleiner als die Korngröße des untersuchten Stahls. Seit der mittleren Korngröße des Stahls nach Tempern etwa 350 µm ist, war die charakteristische Größe der Speckle-Muster für DIC Berechnung erforderlichen gewählt, etwa 10 µm22,12. Die Mustergröße Speckle muss mindestens 10 Mal kleiner als die Korngröße des untersuchten Stahls für die ordnungsgemäße Durchführung von Schritt 5. Die Oberfläche der Probe ist mit einem Speckle-Muster mit einem Silikon-Stempel verziert. Wir verwenden eine maßgeschneiderte Druckluftwerkzeug (siehe Abbildung 6) für schnelle und präzise Bedienung des Stempels.

Kleiner Riss Ausbreitung Ermüdungsverhalten ist studierte während Last-gesteuerte Ermüdungsprüfung von der Pre-cracked Proben mit der R-Wert von 0,1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) und die Frequenz von 10 Hz. Ermüdungsprüfung folgt zusammen mit digitales Bild Korrelation (DIC) Messung. Der Bereich von Interesse ist mit einem optischen Mikroskop, 16 x Präzisions-Zoom-Objektiv, mit einer Auflösung von 2 µm/Pixel überwacht. Aufnahmen sind während vorübergehenden (10 s) hält die Müdigkeit Test in Abständen von 500 Zyklen. Während der Bildaufnahme gehalten Sie die Beladung wird konstant, mit eine durchschnittliche Belastung von etwa 210 MPa, um gleich Ladebedingungen für alle Bilder, stabilisieren Sie plastischen Verformung zu und vermeiden Sie Ermüdung Riss Schließung und umfangreiche kriechen begleitet mit min und Max Kraft, bzw. zu laden. Die Neuheit des Verfahrens basiert auf hochauflösenden in-situ DIC Bildaufzeichnung, die ermöglicht, um winzige Knautschzonen bilden während der kleinen Müdigkeit Risswachstum zu offenbaren. Der Erfolg des Experiments hängt die ordnungsgemäße Durchführung des Verfahrens vor Rissbildung, Auswahl an Bild Erfassungsintervall und Vergrößerung um zu verhindern, das Verwischen der kleine Features wie die beobachteten Stamm Lokalisierung Scherzonen. Richtige Auswahl der Kameraauflösung, optischen Vergrößerung und Speckle-Muster-Größen wie in Schritt 5 des Protokolls beschrieben entscheidend für die Untersuchung der Belastung Lokalisierung Phänomene kann. Allerdings Morphologie der Lokalisierung Scherzonen Belastung ist noch unklar und benötigt weitere Verbesserungen der Speckle-Muster und Auflösung des Bildes Kontrollgerät.

Der methodische Ansatz, die in diesem Dokument beschriebenen eignet sich für Riss Wachstum Analyse der kleinen Ermüdungsrisse in grobkörnigen Materialien. Eine Kombination aus Riss Wachstum Messung und Stamm-Feld-Analyse Sub Korn Ebene hilft, zeigen, dass der Mechanismus, der verantwortlich für anormale Wachstum der kleinen Ermüdung sind18, zusätzlich zu den häufig beobachteten Korngrenze Risse Auswirkungen auf die SFCs. tieferes Verständnis für die Müdigkeit Fraktur Mechanismen ermöglicht die Entwicklung neuer theoretischer Ansätze und ermöglicht so, Gestaltung von Feuerzeug und mehr Energie effiziente Strukturen in der Zukunft.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die ferritischen Edelstahl ASTM UNS S43940 wurde von Outokumpu Stainless Oyj bereitgestellt. Forschung wird von der finnischen Akademie Projekt № 298762 und Aalto University School of Engineering und Postdoktoranden Finanzierung No 9155273 Aalto University School of Engineering unterstützt. Video Veröffentlichung erfolgte mit Unterstützung von Mikko Raskinen von Aalto Media Factory.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  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).

Tags

Digital Image CorrelationFull-field Strain MeasurementMicrostructurally Small Fatigue Crack PropagationLightweight SolutionsAdvanced Steel MaterialsStructural AnalysisWave Induced LoadingWelded JointsFatigueSmall Fatigue Crack InitiationAnnealingGrain SizeElectron Back Scatter Diffraction

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image