Comportamento de crescimento fadiga microstructurally pequena rachadura é investigado usando uma nova abordagem metodológica combinando rachadura crescimento taxa análise medição e estirpe-campo para revelar o campo de deformação cumulativa a nível sub grão.
Uma abordagem de medição romance é usada para revelar o campo de deformação cumulativa a nível sub grão e estudar a influência da microestrutura sobre o crescimento de trincas de fadiga microstructurally pequeno. A metodologia de análise de campo de tensão proposto baseia-se o uso de uma única técnica tamborilando com um tamanho de speckle característico de aproximadamente 10 µm. A metodologia desenvolvida é aplicada para estudar o comportamento de rachadura pequena fadiga em cúbica de corpo centrado (bcc) inox ferrítico de Fe-Cr com um tamanho de grão relativamente grande que permite uma alta precisão espacial a nível sub grão. Esta metodologia permite a medição do crescimento de rachadura de fadiga pequenos eventos de retardo e associado a zonas de localização de tensão de cisalhamento intermitente à frente da ponta de fenda. Além disso, este pode ser correlacionado com a orientação de grãos e o tamanho. Assim, a metodologia desenvolvida pode fornecer uma compreensão mais profunda e fundamental do comportamento crescimento fadiga pequena rachadura, necessária para o desenvolvimento de modelos teóricos robustos para a propagação de rachadura pequena fadiga em materiais policristalinos .
Novas soluções leves são necessárias para melhorar a eficiência energética dos veículos, tais como navios. Redução de peso de grandes estruturas de aço é possível usando materiais avançados de aço. A utilização eficiente de material novo e a solução leve requer fabricação de alta qualidade e design robusto métodos1,2. Um método de design robusto significa análise estrutural sob condições de carga realista, tais como induzida pela onda de carregamento no caso de um navio de cruzeiro, bem como cálculos de resposta para definir a deformação e tensões. O nível de estresse permitido é definido com base na força dos detalhes estruturais críticos. No caso de grandes estruturas, estas são tipicamente soldadas juntas com uma microestrutura heterogênea. Um dos desafios para novas soluções leves design chave é fadiga devido à sua natureza cumulativa e localizada, muitas vezes ocorrendo em entalhes de solda. Para a fabricação de alta qualidade, o comportamento de fadiga é dominado pelo crescimento de fadiga pequena rachadura (SFC) desde fabricação induzido defeitos são muito pequenas,1,3. Assim, o entendimento fundamental do crescimento de rachadura pequena fadiga em materiais metálicos é crucial para uma utilização sustentável dos novos aços em estruturas de alta performance.
A modelagem eficaz de um processo tão complicado como propagação de rachadura de fadiga em materiais metálicos policristalino é impossível sem uma clara compreensão dos processos físicos que acompanham o mecanismo de fratura de fadiga. Um esforço significativo da comunidade de investigação tem sido focado em investigar fadiga propagação usando a observação visual e análise estatística. Até agora, comportamento de crescimento rachadura pequena fadiga principalmente tem sido pesquisado por métodos teóricos, devido às limitações de técnicas experimentais. O atraso de taxa de crescimento de rachadura anômala de fadiga para SFCs é associado geralmente com o grão limites (GB)4,5,6,7,8,9. No entanto, as razões para o crescimento anômalo do SFC ainda estão sob discussão. Os resultados obtidos por modelagem teórica, usando um método de luxação discreta mostra a formação de uma parede de luxação, ou um limite de grão de baixo ângulo curto causado por luxações emitida da ponta de fenda fadiga, que afectam a taxa de crescimento de rachadura de fadiga10 ,11,12,13. Até recentemente, tem havido um desafio em precisa análise experimental do comportamento crescimento fadiga pequena rachadura. Observações experimentais são necessárias para o desenvolvimento de princípios físicos com base em modelos computacionais.
Para análise do comportamento de deformação material cíclico em micro escala é desejável ter as medições de campo integral deformação que podem ser realizadas no local durante o carregamento cíclico usando padrão mecânico do equipamento, com resolução espacial de teste pelo menos um ordem de magnitude abaixo a escala de comprimento característico da microestrutura. A fim de compreender as variações na taxa de crescimento de rachadura de fadiga, campos de tensão medido frequentemente estão ligados a medidas de difração (EBSD) elétron retrodifusão de microestrutura do material. Carrol et al14 fornecer um cheio-campo quantitativo, ex situ medição de deformação plástica, perto de uma rachadura longa fadiga crescente em uma liga à base de níquel super, mostrando a formação de lóbulos assimétricos na esteira plástica do crack fadiga propagação. A maior ampliação, correlação de imagem digital de microscopia eletrônica (DIC) revelou heterogeneidades de tensão associadas com a localização da tensão sobre as bandas de deslizamento, com duplo e limites de grão, que afetam a fadiga crack comportamento de crescimento. No entanto, o utilizado ex situ, abordagem de medição não é capaz de capturar o campo de tensão durante a propagação de rachadura de fadiga. Um estudo experimental de embotamento plástico durante a propagação de rachadura longa fadiga foi realizado por Peralta15 usando DIC in situ para pureza comercial Ni (99,6%). Os resultados revelaram que a acumulação de deformação plástica foi dominada por cisalhamento ao longo das bandas de deslizamento que estendido à frente o crack e foram inclinados em relação a direção de crescimento do crack. A localização de tensão observada em bandas de deslizamento é provavelmente causada por sobrecarga, uma vez que os valores de fator de intensidade de baixa tensão resultam uma natureza mista da deformação (estirpe normal e cisalhamento)14,15. Uma distribuição de campo de tensão heterogêneos a nível sub grão tem sido observada para a liga de alumínio de granulação grossa16 e aço frente e verso17, onde a ativação dos sistemas de deslizamento de luxação foi associada lei16 do Schmid ,17.
Um estudo recente realizado pelo Malitckii18 manifestos que comportamento de crescimento anômalo do SFC é controlado por heterogeneidades tensão relacionadas com a estrutura de grão ou, em particular, pelo acúmulo de zonas de localização de tensão de cisalhamento à frente o crack. Com padrões de alta qualidade micro escala e grãos maiores que 100 µm, microscopia óptica DIC habilitado para medições de deformação de grãos sub no local pela primeira vez. No entanto, em Malitckii18, a novela metodologia aplicada a medida de deformação plástica campo in situ ao longo de centenas de milhares de ciclos de carga não foi apresentada ou discutida em detalhe. Portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar esta nova abordagem experimental para estudar o comportamento de crescimento de rachadura pequena fadiga em materiais policristalinos no regime de alto ciclo. A novidade da abordagem consiste de medição de tensão de campo integral no local usando uma técnica de padrão único, além de medição de taxa de crescimento de crack. Porque esse método usa sensores de imagem óptico permite captura milhares de quadros durante o ensaio de fadiga. Difração de elétrons retrodifusão (EBSD) é usada para Caracterização microestrutural e combinada com medições de DIC para revelar o impacto de limites de grão na fadiga pequena rachadura retardo de crescimento18. A abordagem é aplicada para a medição da propagação de rachadura pequena fadiga em bcc 18% Cr aço inoxidável ferrítico18 simulando o comportamento do aço estrutural para grandes aplicações estruturais. Neste artigo, explicamos as principais etapas do processo de medição e fornecer uma discussão sumária da constatação principal.
Uma abordagem de medição in situ romance é apresentada para medir o campo cumulativa de deformação em um nível micro escala de grãos. A fim de demonstrar a capacidade de abordagem, o comportamento de propagação de rachadura de fadiga microstructurally pequenos é estudado no aço inoxidável ferrítico com 18% de cromo. O aço estudado foi fornecido na forma de calor placa laminada com uma espessura de 3 mm (ver Tabela de materiais) e a média de tamanho de grão, de cerca de 17 µm21.
Uma medição bem sucedida requer que uma rachadura de fadiga inicial é produzida na ponta do entalhe das amostras para análise de comportamento de propagação mais adicional. A fim de estudar uma microstructurally pequena rachadura, o comprimento da rachadura inicial deve ser significativamente menor do que o tamanho de grão do aço estudado. Teste de fadiga é deslocamento controlado para evitar rachadura crescimento após o início de rachadura de fadiga. Verificou-se que o tempo de iniciação de rachadura de fadiga diminui significativamente com a diminuição do rácio de stress (R). Assim, apenas 10.000 ciclos foram necessários para iniciação de rachadura de fadiga dos espécimes testados com R-relação-0.16, enquanto com Rratio 0.1, o crack de fadiga não iniciadas mesmo após 100.000 ciclos. O uso da relação de carga R =-0.16 permite para aumentar o estresse variam de 315 MPa até 350 MPa, tendo ainda menor máximo estresse para pré-fissuração do que testes de fadiga real.
O crescimento de rachadura intermitente pequena fadiga é geralmente associado com a microestrutura. Em particular, limites de grão são amplamente considerados como microestrutural características responsáveis pela pequena rachadura retardo de crescimento4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. a formulação de luxação no elemento limite pelo Hansson et al.13 mostra que os limites de grão de baixo ângulo deitado no caminho o caminho da rachadura podem resultar em um aumento e diminuição da taxa de crescimento de crack; no entanto, os limites de grão de alto ângulo não afetam a taxa de crescimento de crack. As razões físicas, causando o comportamento de crescimento anômalo de crack não são bem conhecidas. A fim de revelar as características microestrutural causando o retardo de pequena rachadura, realizou-se uma Caracterização microestrutural antes do ensaio de fadiga do espécime. O polimento procedimento descrito na etapa 1 é crucial para a análise microestrutural confiável usando EBSD. Na etapa 3, apenas antes da análise EBSD, a limpeza do espécime em etanol só é permitida, desde que o vapor da acetona é perigosa para detector EBSD.
A fim de revelar os processos de deformação dentro de grãos individuais, o tamanho do teste padrão do salpico deve ser significativamente menor do que o tamanho de grão do aço estudado. Desde o tamanho de grão médio do aço após recozimento é cerca de 350 µm, o tamanho característico do padrão do salpico necessário para cálculo de DIC foi escolhido para ser aproximadamente 10 µm22,12. O tamanho padrão do salpico deve ser pelo menos 10 vezes menor que o tamanho de grão do aço estudado para implementação adequada da etapa 5. A superfície da amostra é decorada com um teste padrão do salpico, usando um carimbo de silicone. Usamos uma ferramenta pneumática sob medida (ver Figura 6) para uma operação rápida e precisa do carimbo.
Comportamento de propagação de rachadura pequena fadiga é estudado durante o teste de fadiga de carga controlada dos espécimes pré-cracking usando o R-relação de 0.1 (σmin = 35 MPa, σmáx = 350 MPa) e a frequência de 10 Hz. fadiga testando segue junto com medida de correlação (DIC) de imagem digital. A área de interesse é monitorada usando um microscópio óptico, 16 x lente de Zoom de precisão, com uma resolução de 2 µm/pixel. Imagens são capturadas durante temporário (10 s) paragens do teste de fadiga em intervalos de 500 ciclos. Durante a aquisição de imagens, o carregamento é mantido constante, com uma tensão média de aproximadamente 210 MPa, para poder ter condições de carregamento igual para todas as imagens, estabilizar a deformação plástica e evitar o fechamento de rachadura de fadiga e fluência extensa acompanhada com mínimo e máximo do carregamento força, respectivamente. A novidade do método baseia-se na alta resolução gravação de imagem DIC in situ que permite revelar zonas de deformação pequeno formando durante o crescimento de fadiga pequena rachadura. O sucesso do experimento depende a correcta execução do procedimento pré-rachamento, seleção de intervalo de captura de imagem e ampliação para evitar o embaçamento das pequenas características tais como as zonas de localização de estirpe de cisalhamento observada. Assim, seleção adequada de resolução de câmera, tamanho padrão óptico de ampliação e salpico conforme descrito na etapa 5 do protocolo pode ser crucial para a investigação de fenômenos de localização da estirpe. No entanto, morfologia das zonas de localização da tensão de cisalhamento ainda não está claro e precisa de mais melhorias do padrão do salpico e resolução da imagem equipamentos de gravação.
A abordagem metodológica descrita neste artigo é apropriada para análise de crescimento de crack de fadiga pequenas fissuras em materiais de granulação grossa. Uma combinação de rachadura crescimento de medição e análise de tensão-campo com a ajuda de nível de grão sub para revelar o mecanismo que são responsáveis pelo crescimento anômalo de fadiga a pequenas rachaduras18, além do limite de grão amplamente observado efeitos sobre SFCs. aprofundamento dos mecanismos de fratura de fadiga possibilita o desenvolvimento de novas abordagens teóricas e assim, permite que o design do isqueiro e mais estruturas eficientes de energia no futuro.
The authors have nothing to disclose.
O S43940 de UNS ASTM aço inoxidável ferrítico foi fornecido pela Outokumpu Oyj inoxidável. Pesquisa é apoiada pela Academia da Finlândia projeto № 298762 e Aalto University School of Engineering e pelo pós-doutoramento financiamento n 9155273 Aalto University School of Engineering. A publicação foi realizada com o apoio de Mikko Raskinen de 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 |