Microstructurally küçük yorgunluk ölçülerini tam alanlı zorlanma dijital görüntü korelasyon yöntemi kullanarak yayma çatlamak
Summary
Microstructurally küçük yorgunluk çatlamak büyüme davranış toplu deformasyon alanı alt tahıl düzeyinde ortaya çıkarmak için çatlamak büyüme hızı ölçüm ve soy-alan analizi birleştirerek yeni bir metodolojik yaklaşım kullanarak araştırıldı.
Abstract
Bir roman ölçüm yaklaşımı toplu deformasyon alanı bir alt tahıl düzeyde açıklamaya ve mikroyapı etkisi microstructurally küçük yorgunluk çatlak oluşumunu incelemek için kullanılır. Önerilen zorlanma alan analiz yöntemi benzersiz bir pattering tekniği kullanımı ile yaklaşık 10 µm karakteristik benek boyutunu temel alır. Gelişmiş Yöntem vücut merkezli kübik (bcc) Fe-Cr ferritik paslanmaz çelik yüksek uzaysal ölçüm hassasiyeti alt tahıl düzeyinde izin nispeten büyük tane boyutu ile küçük yorgunluk çatlamak davranışlara çalışmaya uygulanır. Bu metodoloji aralıklı kesme zorlanma yerelleştirme bölgeleri çatlamak ipucu öncesinde ilgili ve ölçüm küçük yorgunluk çatlamak büyüme geriliği olayları sağlar. Buna ek olarak, bu tahıl yönünü ve boyutu ile ilişkili olabilir. Böylece, gelişmiş metodoloji sağlam teorik modeller polikristalin malzeme küçük yorgunluk çatlamak yayılmasında için geliştirilmesi için gerekli küçük yorgunluk çatlamak büyüme davranış daha derin bir temel anlayış sağlar .
Introduction
Yeni hafif çözümler gemiler gibi araçlar enerji verimliliğini artırmak için gereklidir. Büyük çelik yapıların ağırlık azaltma gelişmiş çelik malzemeleri kullanarak mümkündür. Yüksek üretim kalitesi ve sağlam tasarım yöntemleri1,2yeni malzeme ve hafif çözüm verimli kullanımını gerektirir. Sağlam tasarım yöntemi söz konusu olduğunda bir yolcu gemisi, aynı zamanda yanıt hesaplamalar deformasyon ve gerilmeler tanımlamak için yükleme gibi dalga kaynaklı gerçekçi yükleme koşullar altında yapısal analizi anlamına gelir. İzin verilen stres düzeyi kritik yapısal detayları gücüne göre tanımlanır. Büyük olması durumunda, bunlar genellikle kaynaklı eklem ile bir inhomogeneous mikroyapı yapılardır. Yeni hafif çözümleri için anahtar tasarım sorunları yorgunluk sık sık kaynak çentikler, yer alan toplu ve yerelleştirilmiş doğası nedeniyle biridir. Yüksek üretim kalitesi için yorgunluk davranış hakimdir üretim indüklenen beri küçük yorgunluk çatlamak (SFC) büyüme tarafından çok küçük1,3kusurları vardır. Böylece, küçük yorgunluk çatlamak büyüme Metalik malzemeler için temel anlayış, yüksek performanslı yapılarda yeni çeliklerin sürdürülebilir kullanımı önemlidir.
Karmaşık bir süreç olarak polikristalin metalik malzemeleri yorgunluk çatlamak yayılmasında etkili modellenmesi yorgunluk kırığı mekanizması eşlik eden fiziksel süreçleri net bir anlayış olmadan mümkün değildir. Önemli bir çaba gelen araştırma topluluğu yorgunluk çatlamak yayma görsel gözlem ve istatistiksel analiz kullanarak soruşturma üzerinde yoğunlaştı. Şimdiye kadar küçük yorgunluk çatlamak büyüme davranışı esas olarak teorik yöntemlerle Deneysel teknikler sınırlamaları nedeniyle soruşturma. Anormal yorgunluk çatlamak büyüme oranı geriliği SFCs için genellikle tahıl sınırları (GB)4,5,6,7,8,9ile ilişkilidir. Ancak, hala tartışma altında anormal SFC büyüme için nedenleri. Teorik bir ayrık çıkığı yöntemi kullanarak modelleme tarafından elde edilen sonuçlar gösterir bir çıkık duvar oluşumu veya çıkık tarafından neden olduğu bir kısa aşağılardan tahıl sınır yorgunluk çatlamak büyüme oranı10 etkileyen yorgunluk çatlamak ucundan yayılan ,11,12,13. Yakın zamana kadar küçük yorgunluk çatlamak büyüme davranış doğru deneysel analizinde bir meydan okuma olmuştur. Deneysel gözlemler fiziksel prensipleri temel sayısal modeller geliştirme için gerekli olan.
Mikro ölçekli yerinde kullanarak standart mekanik döngüsel yükleme sırasında yürütülen olabilir tam alanlı deformasyon ölçümleri sahibi döngüsel malzeme deformasyon davranış analizi için test etme donanımları, uzaysal çözünürlük ile en az bir büyüklük mikroyapıda karakteristik uzunluk ölçeğini aşağıda. Yorgunluk çatlamak büyüme oranı değişimler anlamak için ölçülen gerginlik alanları genellikle Elektron Saçılım kırınım (EBSD) ölçümleri malzeme mikroyapı için bağlı. Carrol vd.14 nicel, tam alan ex situ ölçüm bir büyüyen uzun yorgunluk çatlak oluşumu asimetrik lob yayılıyor yorgunluk çatlamak plastik sonrasında gösterilen bir nikel tabanlı süper alaşım yakınındaki plastik baskı sağlar. Daha yüksek büyütmede elektron mikroskobu dijital görüntü korelasyon (DIC) soy inhomogeneities ikiz ile kayma bantta zorlanma yerelleştirme ile ilgili ortaya ve büyüme davranış tahıl sınırları etkileyen yorgunluk çatlamak. Ancak, kullanılan ex situ ölçüm yaklaşımı zorlanma alan yorgunluk çatlamak yayma sırasında yakalamak mümkün değil. Plastik uzun yorgunluk çatlamak yayma sırasında blunting deneysel bir çalışma yerinde DIC ticari saflık Ni (%99.6) kullanarak Peralta15 tarafından gerçekleştirildi. Sonuçları plastik deformasyon birikimi kesme öncesinde çatlamak genişletilmiş ve çatlamak büyüme yönü ile ilgili olarak eğimli kayma bantları boyunca hakim ortaya koydu. Deformasyon (kesme ve normal zorlanma)14,15karışık bir doğada düşük stres yoğunluğu faktörü değerleri neden bu yana gözlenen zorlanma yerelleştirme notu bantları, muhtemelen aşırı yükleme tarafından neden olmaktadır. Türdeş olmayan yük alan dağıtım alt tahıl düzeyinde kaba taneli alüminyum alaşım16 ve çift yönlü çelik17, çıkık kayma sistemleri aktivasyonu Schmid’ın hukuk16 ile ilişkili neredeydi gözlenmiştir ,17.
Malitckii18 tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada ortaya çıkar anormal SFC büyüme davranışı tahıl yapısı ilgili zorlanma inhomogeneities tarafından ya da özellikle, yamultma zorlanma yerelleştirme bölgeleri çatlamak öncesinde birikimi tarafından denetlenir. Yüksek kaliteli mikro ölçekli desen ve tahıl 100 µm büyük ile optik mikroskobu DIC ilk kez yerinde alt tahıl deformasyon ölçümleri etkin. Ancak, Malitckii18, yüz binlerce yük döngüleri ölçü plastik zorlanma alana yerinde uygulanan yeni metodoloji değil sundu ya da ayrıntılı olarak ele. Bu nedenle, bu yazının amacı küçük yorgunluk çatlamak büyüme davranış polikristalin malzemeleri yüksek döngüsü rejimi konusunda eğitim için bu yeni deneysel yaklaşım tanıtmaktır. Yaklaşım yenilik yerinde tam alanlı zorlanma ölçüm çatlamak büyüme hızı ölçüm ek olarak bir benzersiz desen tekniği kullanarak oluşur. Bu yöntem optik görüntü sensörleri kullanır çünkü yorgunluk test sırasında yakalama çerçeveleri binlerce sağlar. Elektron Saçılım kırınım (EBSD) microstructural karakterizasyonu için kullanılan ve küçük yorgunluk çatlamak büyüme geriliği18tane sınırlarına etkisini açıklamaya DIC ölçümleri ile birlikte. Yaklaşım küçük yorgunluk çatlamak yayılmasında büyük yapısal uygulamalar için yapısal çelik davranışını taklit gizli % 18 Cr ferritik paslanmaz çelik18 ölçümü için uygulanır. Bu gazetede ölçüm yordamı ana adımları açıklamak ve ana bulgu Özet tartışılması sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir roman yerinde ölçüm yaklaşımı bir tahıl mikro ölçekli düzeyde toplu deformasyon alanı ölçmek için verilir. Yaklaşım yeteneği göstermek için microstructurally küçük yorgunluk çatlamak yayma davranış ferritik paslanmaz çelik % 18 krom ile incelenmiştir. Okudu çelik plaka kalınlığı 3 mm ile haddelenmiş sıcak şeklinde verilmiştir ( Tablo malzemelerigörmek) ve ortalama 17 µm21tane boyutu.
Başarılı bir ölçüm bir ilk yorgunluk çatlamak çentik uç örneklerin daha fazla yayılma davranış çözümleme için üretilen gerekir. Microstructurally küçük bir çatlak çalışma için ilk çatlak uzunluğu okudu çelik tane boyutu önemli ölçüde daha küçük olmalıdır. Test yorgunluk yorgunluk çatlamak başlatma sonra çatlamak büyüme önlemek için kontrollü deplasman olduğunu. Bu yorgunluk çatlamak başlangıç süresini önemli ölçüde stres oranı (R) azalma ile azalır bulundu. Böylece, sadece 10.000 devir yorgunluk çatlamak başlama R-oranı ile-0.16 test örnekleri için gerekli idi, Rratio ise 0.1 ile yorgunluk çatlamak bile 100.000 döngüsünden sonra başlatın değil. Yük oranı R =-0.16 kullanımı ile 350 MPa, 315 MPa stres arasındadır artırmak için daha gerçek yorgunluk test öncesi kırmak için hala daha küçük en fazla stres olması sağlar.
Zaman zaman küçük yorgunluk çatlamak büyüme genellikle mikroyapı ile ilişkilidir. Özellikle, tahıl sınırları yaygın olarak microstructural özellikleri küçük çatlak büyüme geriliği4,5,6,7,8,9 için sorumlu olarak kabul edilir , 10 , 11 , 12. yolunda çatlamak yolu yalan aşağılardan tahıl sınırları hem bir artış ve çatlamak büyüme hızı; azalma neden olabilir çıkığı formülasyonu Hansson vd.13 tarafından sınır öğesinde gösterir Ancak, yüksek-açı tahıl sınırları çatlamak büyüme hızını etkilemez. Anormal çatlamak büyüme davranışa neden fiziksel nedenler iyi bilinen değildir. Küçük çatlak geriliği neden microstructural özellikleri ortaya çıkarmak için microstructural bir karakterizasyonu yorgunluk numune test etmeden önce gerçekleştirildi. 1. adımda açıklanan parlatma yordamı EBSD kullanarak güvenilir microstructural analiz için çok önemlidir. Aseton buharı EBSD dedektörü için tehlikeli olduğu için adım 3’te, hemen önce EBSD analiz, etanol içinde numune Temizleme yalnızca, izin verilir.
Deformasyon işlemleri bireysel tahıllar içinde ortaya çıkarmak için benek desen boyutunu önemli ölçüde okudu çelik tane boyutu küçük olması gerekir. Tavlama yaklaşık 350 µm, sonra çelik Ortalama tane boyutu beri DIC hesaplama için gerekli benek desen karakteristik boyutu yaklaşık 10 µm22,12olduğu için beni seçtiler. Benek model boyutta en az 10 kat daha küçük tane boyutu uygun adım 5 uygulanması için okudu çelik olması gerekir. Numune yüzeyinin bir silikon damga kullanarak bir benek desen ile dekore edilmiştir. Özel yapım bir hidrolik aleti kullanın (bkz. Şekil 6) damga hızlı ve hassas çalışması için.
Küçük yorgunluk çatlamak yayma davranış yüke yorgunluk 0.1 R oranını kullanarak Pre-kırık örnekleri test sırasında eğitimi aldı (σdk 35 MPa, σmax = 350 MPa =) ve 10 Hz. yorgunluk test frekans ile birlikte takip eder dijital görüntü korelasyon (DIC) ölçüm. İlgi alanı bir optik mikroskobu, x hassas vınlamak mercek, 16 2 µm/piksel çözünürlük ile kullanarak izlenir. İmge geçici sırasında esir alma (10 s) 500 devir aralıklarla yorgunluk testinin durur. Resim alma sırasında yükleme sabit tutulur, yaklaşık 210 MPa eşit yükleme koşulları tüm görüntüler için için Ortalama bir stres ile plastik deformasyon stabilize ve yorgunluk çatlamak kapanması ve geniş serseri ile eşlik önlemek Min ve max yükleme zorlamak, anılan sıraya göre. Yöntem yenilik küçük yorgunluk çatlamak büyüme sırasında oluşturan küçük deformasyon bölgeleri ortaya çıkarmak için izin veren yüksek çözünürlüklü yerinde DIC görüntü kaydı temel alır. Deney başarısı bağlıdır önceden çatlama yordamın düzgün şekilde uygulanmasını, seçimi görüntü yakalama aralığı ve büyütme gözlenen kesme zorlanma yerelleştirme bölgeleri gibi küçük özellikler bulanıklık önlemek için. Böylece kamera çözünürlüğü uygun seçimi, optik büyütme ve benek desen boyut iletişim kuralı 5 adımda anlatıldığı gibi zorlanma yerelleştirme olayların soruşturma için çok önemli olabilir. Ancak, morfoloji yamultma zorlanma yerelleştirme bölgeleri hala belirsizdir ve benek desen daha fazla iyileştirmeler ve kayıt cihazları görüntünün çözünürlüğünü gerekmektedir.
Bu raporda açıklanan metodolojik yaklaşım kilitten malzemeler küçük yorgunluk çatlak çatlak büyüme analizi için uygundur. Çatlamak büyüme hızı ölçüm ve küçük yorgunluk anormal büyümesi için sorumlu mekanizma18, ek olarak yaygın olarak gözlenen tahıl sınır çatlaklar ortaya çıkarmak için alt tahıl düzey yardımcı zorlanma alanlı analiz bir arada SFCs. daha derin bir anlayış yorgunluk kırığı mekanizmaları üzerindeki etkileri yeni Teorik yaklaşımlar geliştirilmesi mümkün kılar ve böylece, daha hafif ve daha fazla enerji verimli yapıları tasarımı gelecekte sağlar.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ASTM UNS S43940 ferritik paslanmaz çelik Outokumpu Paslanmaz Oyj tarafından sağlandı. Araştırma Finlandiya Akademi proje № 298762 ve Aalto Üniversitesi Mühendislik Fakültesi ve doktora sonrası fon No 9155273 Aalto Üniversitesi Mühendislik Fakültesi tarafından desteklenir. Video yayın Mikko Raskinen Aalto medya fabrika desteği ile gerçekleştirildi.
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 |
Riferimenti
- Remes, H. Factors affecting the fatigue strength of thin-plates in large structures. International Journal of Fatigue. 101, 397-407 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- McClintock, F. A. On the plasticity of the growth of fatigue cracks. Fracture of Solids. 20, 65-102 (1963).
- Doquet, V. Micromechanical simulations of microstructure-sensitive stage I fatigue crack growth. Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. 22, 215-223 (1998).
- 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).
- Bjerkén, C., Melin, S. Influence of low-angle grain boundaries on short fatigue crack growth studied by a discrete dislocation method. , (2008).
- 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).
- Shen, Z., Wagoner, R. H., Clark, W. A. T. Dislocation and grain boundary interactions in metals. Acta Metallurgica. 36, 3231-3242 (1988).
- Hansson, P., Melin, S. Grain boundary influence on short fatigue crack growth rate. International Journal of Fracture. 165, 199-210 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
