Microstructurally लघु थकान दरार विकास व्यवहार दरार विकास दर माप और तनाव क्षेत्र विश्लेषण के संयोजन एक उपंयास methodological दृष्टिकोण का उपयोग कर जांच की है उप अनाज स्तर पर संचई विरूपण क्षेत्र प्रकट करते हैं ।
एक उपंयास माप दृष्टिकोण एक उप अनाज स्तर पर संचई विकृति क्षेत्र प्रकट करने के लिए और microstructurally छोटी थकान दरारें के विकास पर microstructure के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । प्रस्तावित तनाव क्षेत्र विश्लेषण पद्धति लगभग 10 µm के एक विशिष्ट बिंदु आकार के साथ एक अनूठा pattering तकनीक के उपयोग पर आधारित है । विकसित पद्धति शरीर में छोटे थकान दरार व्यवहार का अध्ययन करने के लिए लागू किया जाता है घन (बीसीसी) Fe-Cr ferritic स्टेनलेस स्टील एक अपेक्षाकृत बड़े अनाज आकार उप अनाज स्तर पर एक उच्च स्थानिक माप सटीकता की अनुमति के साथ । इस पद्धति की अनुमति देता है छोटे थकान दरार वृद्धि मंदता घटनाओं और संबंधित आंतरायिक कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्र दरार टिप के आगे की माप । इसके अलावा, यह अनाज अभिविंयास और आकार के साथ संबंधित किया जा सकता है । इस प्रकार, विकसित पद्धति छोटी थकान दरार वृद्धि व्यवहार के एक गहरी बुनियादी समझ प्रदान कर सकते हैं, polycrystalline सामग्री में छोटे थकान दरार प्रचार के लिए मजबूत सैद्धांतिक मॉडल के विकास के लिए आवश्यक .
नए हल्के समाधान के लिए जहाजों के रूप में वाहनों की ऊर्जा दक्षता में सुधार की आवश्यकता है । बड़े इस्पात संरचनाओं के वजन में कमी संभव उंनत इस्पात सामग्री का उपयोग कर रहा है । नई सामग्री के कुशल उपयोग और हल्के समाधान उच्च विनिर्माण गुणवत्ता और मजबूत डिजाइन तरीकों की आवश्यकता है1,2। एक मजबूत डिजाइन विधि यथार्थवादी लोड हो रहा है शर्तों के तहत संरचनात्मक विश्लेषण का मतलब है, जैसे एक क्रूज जहाज के मामले में लहर प्रेरित लोडिंग, साथ ही प्रतिक्रिया गणना के लिए विरूपण और तनाव को परिभाषित करने के लिए । अनुमति तनाव स्तर महत्वपूर्ण संरचनात्मक विवरण की शक्ति के आधार पर परिभाषित किया गया है । बड़े संरचनाओं के मामले में, इन आम तौर पर एक सजातीय microstructure के साथ जोड़ों वेल्डेड रहे हैं । नए हल्के समाधान के लिए महत्वपूर्ण डिजाइन चुनौतियों में से एक अपनी संचई और स्थानीयकृत प्रकृति, अक्सर वेल्ड पायदानों पर जगह लेने के कारण थकान है । उच्च विनिर्माण गुणवत्ता के लिए, थकान व्यवहार छोटे थकान दरार (SFC) विकास के बाद से हावी है विनिर्माण प्रेरित दोषों बहुत छोटे है1,3। इस प्रकार, धातु सामग्री में छोटे थकान दरार वृद्धि की बुनियादी समझ उच्च प्रदर्शन संरचनाओं में नए स्टील्स के सतत उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है ।
इस तरह के एक जटिल प्रक्रिया के प्रभावी मॉडलिंग polycrystalline धातुई सामग्री में थकान दरार प्रचार के रूप में शारीरिक थकान फ्रैक्चर तंत्र के साथ प्रक्रियाओं की एक स्पष्ट समझ के बिना असंभव है । अनुसंधान समुदाय से एक महत्वपूर्ण प्रयास थकान दरार प्रचार दृश्य अवलोकन और सांख्यिकीय विश्लेषण का उपयोग कर की जांच पर ध्यान केंद्रित किया गया है । अब तक, छोटे थकान दरार वृद्धि व्यवहार मुख्य रूप से सैद्धांतिक प्रायोगिक तकनीकों की सीमाओं के कारण तरीकों द्वारा जांच की गई है । इस विषम थकान दरार एसएफसी के लिए विकास दर मंदता आमतौर पर अनाज सीमाओं के साथ जुड़ा हुआ है (GB)4,5,6,7,8,9. हालांकि, असंगत SFC वृद्धि के लिए कारण अभी भी चर्चा में हैं । सैद्धांतिक मॉडलिंग द्वारा प्राप्त परिणाम एक असतत विस्थापन विधि का उपयोग कर एक विस्थापन दीवार, या एक छोटे से कम कोण अनाज सीमा थकान दरार टिप को प्रभावित थकान दरार विकास दर 10 से उत्सर्जित विस्थापन की वजह से के गठन से पता चलता है ,११,१२,१३. हाल ही में जब तक, वहां छोटे थकान दरार विकास व्यवहार के सटीक प्रयोगात्मक विश्लेषण में एक चुनौती रही है । प्रयोगात्मक टिप्पणियों भौतिक सिद्धांतों के आधार गणना मॉडल के विकास के लिए आवश्यक हैं ।
सूक्ष्म पैमाने पर चक्रीय सामग्री विकृति व्यवहार के विश्लेषण के लिए यह पूर्ण क्षेत्र विकृति माप है कि सीटू में मानक यांत्रिक परीक्षण उपकरण का उपयोग कर के दौरान बाहर किया जा सकता है वांछनीय है, स्थानिक संकल्प के साथ कम से एक microstructure की विशेषता लंबाई पैमाने नीचे परिमाण के आदेश । आदेश में थकान दरार विकास दर में बदलाव को समझने के लिए, मापा तनाव क्षेत्रों अक्सर इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन (EBSD) सामग्री microstructure की माप से जुड़े रहे हैं । Carrol एट अल.14 प्रदान एक मात्रात्मक, पूर्ण क्षेत्र पूर्व एक निकल-आधारित सुपर मिश्र धातु में एक बढ़ती लंबे थकान दरार के पास प्लास्टिक की छलनी की माप, प्रचार थकान दरार के प्लास्टिक वेक में असममित पालियों के गठन दिखा रहा है । उच्च आवर्धन पर, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी डिजिटल छवि सहसंबंध (उद्योग) पर्ची बैंड पर तनाव स्थानीयकरण के साथ जुड़े तनाव सजातीयता से पता चला, जुड़वां और अनाज थकान दरार विकास व्यवहार को प्रभावित सीमाओं के साथ । हालांकि, इस्तेमाल किया पूर्व सीटू माप दृष्टिकोण थकान दरार प्रचार के दौरान तनाव क्षेत्र पर कब्जा करने में सक्षम नहीं है । लंबी थकान दरार प्रसार के दौरान प्लास्टिक कुंद का एक प्रायोगिक अध्ययन15 Peralta द्वारा प्रदर्शन किया गया वाणिज्यिक शुद्धता नी (९९.६%) के लिए सीटू उद्योग में प्रयोग । परिणाम से पता चला कि प्लास्टिक विरूपण के संचय पर्ची बैंड है कि दरार के आगे बढ़ाया और दरार विकास की दिशा के संबंध में इच्छुक थे साथ कतरनी का प्रभुत्व था । पर्ची बैंड पर मनाया तनाव स्थानीयकरण शायद ओवरलोडिंग की वजह से है, कम तनाव तीव्रता कारक मूल्यों विकृति (कतरनी और सामांय तनाव)14,15की एक मिश्रित प्रकृति में परिणाम के बाद से । उप अनाज स्तर पर एक विषम तनाव क्षेत्र वितरण मोटे दानेदार एल्यूमिनियम मिश्र धातु16 और द्वैध इस्पात17, जहां अव्यवस्था पर्ची प्रणालियों के सक्रियकरण के लिए मनाया गया है Schmid कानून16 के साथ जुड़ा हुआ था ,17.
एक ताजा अध्ययन18 Malitckii द्वारा प्रदर्शन किया है कि असंगत SFC विकास व्यवहार तनाव असमानता अनाज संरचना से संबंधित द्वारा नियंत्रित है या, विशेष रूप से, कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों के संचय द्वारा दरार के आगे । उच्च गुणवत्ता वाले सूक्ष्म पैमाने पर पैटर्न और अनाज १०० µm से बड़ा के साथ, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी उद्योग पहली बार के लिए सीटू उप अनाज विरूपण माप में सक्षम. हालांकि,18Malitckii में, उपंयास के लिए लोड चक्र के हजारों की सैकड़ों से अधिक सीटू में प्लास्टिक तनाव क्षेत्र को मापने के लिए लागू पद्धति प्रस्तुत या विस्तार से चर्चा नहीं की गई । इसलिए, इस कागज के उद्देश्य के लिए उच्च चक्र शासन में polycrystalline सामग्री में छोटी थकान दरार वृद्धि व्यवहार के अध्ययन के लिए इस नए प्रयोगात्मक दृष्टिकोण परिचय है । दृष्टिकोण की नवीनता एक अद्वितीय पैटर्न तकनीक का उपयोग सीटू पूर्ण क्षेत्र तनाव माप में शामिल हैं, विकास दर माप दरार के अलावा. क्योंकि इस विधि ऑप्टिकल छवि सेंसर का उपयोग करता है यह थकान परीक्षण के दौरान फ्रेम के हजारों कैप्चरिंग सक्षम बनाता है । इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन (EBSD) microstructural लक्षण वर्णन के लिए प्रयोग किया जाता है और छोटे थकान दरार विकास मंदता18पर अनाज की सीमाओं के प्रभाव को प्रकट करने के लिए उद्योग मापन के साथ संयुक्त । दृष्टिकोण बीसीसी 18% सीआर ferritic स्टेनलेस स्टील18 बड़े संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए संरचनात्मक इस्पात के व्यवहार का अनुकरण में छोटे थकान दरार प्रचार की माप के लिए लागू किया जाता है । इस पत्र में, हम माप प्रक्रिया के मुख्य चरणों की व्याख्या और मुख्य खोज की एक सारांश चर्चा प्रदान करते हैं ।
सीटू माप दृष्टिकोण में एक उपंयास के लिए एक अनाज कुटीर स्तर पर संचई विकृति क्षेत्र को मापने के लिए शुरू की है । आदेश में दृष्टिकोण क्षमता प्रदर्शित करने के लिए, microstructurally छोटे थकान प्रसार व्यवहार दरार ferritic स्टेनलेस स्टील में 18% क्रोमियम के साथ अध्ययन किया है । अध्ययन किया इस्पात 3 मिमी की एक मोटाई के साथ गर्म लुढ़काया थाली के आकार में प्रदान की गई थी ( सामग्री की तालिकादेखें) और औसत अनाज आकार के बारे में 17 µm21।
एक सफल माप की आवश्यकता है कि एक प्रारंभिक थकान दरार आगे के प्रसार व्यवहार विश्लेषण के लिए नमूनों की पायदान टिप पर उत्पादन किया है । एक microstructurally छोटी दरार का अध्ययन करने के लिए, प्रारंभिक दरार की लंबाई अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार की तुलना में काफी छोटा होना चाहिए । थकान परीक्षण थकान दरार दीक्षा के बाद दरार वृद्धि को रोकने के लिए नियंत्रित विस्थापन है । यह पाया गया कि थकान दरार दीक्षा समय तनाव अनुपात (आर) की कमी के साथ काफी कम हो जाती है । इस प्रकार, केवल १०,००० चक्र आर के साथ परीक्षण नमूनों में थकान दरार दीक्षा के लिए आवश्यक थे अनुपात-०.१६, जबकि Rratio ०.१ के साथ, थकान दरार भी १००,००० चक्र के बाद शुरू नहीं किया । लोड अनुपात आर =-०.१६ के उपयोग के लिए ३१५ MPa से ३५० MPa के लिए तनाव सीमा बढ़ाने की अनुमति देता है, अब भी पहले के लिए अधिकतम तनाव छोटे होने वास्तविक थकान परीक्षण की तुलना में खुर ।
आंतरायिक छोटे थकान दरार वृद्धि आमतौर पर microstructure के साथ जुड़ा हुआ है । विशेष रूप से, अनाज सीमाओं व्यापक रूप से microstructural छोटे दरार विकास मंदता4,5,6,7,8,9 के लिए जिंमेदार सुविधाओं के रूप में माना जाता है , 10 , 11 , 12. Hansson एट अल.13 द्वारा सीमा तत्व में विस्थापन निर्माण से पता चलता है कि कम कोण दाने दरार पथ के रास्ते में झूठ बोल दोनों एक वृद्धि और दरार विकास दर की कमी में परिणाम कर सकते हैं; हालांकि, उच्च कोण अनाज सीमाओं दरार वृद्धि दर को प्रभावित नहीं करते । शारीरिक विषम दरार विकास व्यवहार के कारण कारण अच्छी तरह से ज्ञात नहीं हैं । आदेश में microstructural छोटे दरार मंदता, एक microstructural लक्षण वर्णन के कारण सुविधाओं के नमूने के थकान परीक्षण से पहले प्रदर्शन किया गया था प्रकट करने के लिए । चमकाने प्रक्रिया चरण 1 में वर्णित विश्वसनीय microstructural विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है EBSD का उपयोग कर । चरण 3 में, बस EBSD विश्लेषण से पहले, इथेनॉल में नमूना की सफाई केवल अनुमति दी है, क्योंकि एसीटोन भाप EBSD डिटेक्टर के लिए खतरनाक है ।
आदेश में व्यक्तिगत अनाज के भीतर विरूपण प्रक्रियाओं को प्रकट करने के लिए, बिंदु पैटर्न के आकार का अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार की तुलना में काफी छोटा होना चाहिए । एनीलिंग के बाद इस्पात के औसत अनाज आकार के बाद से के बारे में ३५० µm है, बिंदु पैटर्न के लिए आवश्यक की विशेषता आकार के लिए लगभग 10 µm22,12होना चुना गया था । बिंदु पैटर्न आकार 5 कदम के समुचित कार्यांवयन के लिए कम से कम 10 बार अध्ययन किया इस्पात के अनाज के आकार से छोटा होना चाहिए । नमूना की सतह एक बिंदु एक सिलिकॉन स्टांप का उपयोग कर पैटर्न के साथ सजाया है । हम एक कस्टम बनाया वायवीय उपकरण का उपयोग करें ( चित्रा 6देखें) के लिए तेजी से और सटीक संचालन के टिकट.
छोटे थकान प्रसार व्यवहार दरार के दौरान अध्ययन किया जाता है पूर्व की थकान परीक्षण-फटा नमूनों का उपयोग R-०.१ के अनुपात (σmin = ३५ MPa, σmax = ३५० MPa) और 10 हर्ट्ज की आवृत्ति. थकान परीक्षण एक साथ इस प्रकार के साथ डिजिटल छवि सहसंबंध (उद्योग) माप । ब्याज के क्षेत्र में एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप, 16x प्रेसिजन ज़ूम लेंस का उपयोग कर मॉनिटर है, 2 µm/पिक्सेल के एक संकल्प के साथ । छवियां अस्थाई (10 एस) ५०० चक्र के अंतराल में थकान परीक्षण के बंद हो जाता है के दौरान कब्जा कर लिया है । छवि अधिग्रहण के दौरान, लोडिंग लगातार आयोजित किया जाता है, लगभग २१० MPa की एक औसत तनाव के साथ, सभी छवियों के लिए बराबर लोड हो रहा है शर्तों के लिए, प्लास्टिक विरूपण को स्थिर, और थकान दरार बंद होने से बचने के साथ और व्यापक रेंगना साथ साथ न्यूनतम और लोडिंग बल की अधिकतम, क्रमशः । विधि की नवीनता छोटे विकृति दरार विकास के दौरान बनाने के छोटे विरूपण क्षेत्रों प्रकट करने के लिए अनुमति देता है कि सीटू में उच्च संकल्प पर आधारित है । प्रयोग की सफलता पूर्व खुर प्रक्रिया के समुचित कार्यांवयन पर निर्भर करता है, छवि पर कब्जा अंतराल और आवर्धन जैसे मनाया कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों के रूप में छोटी सुविधाओं के धुंधला को रोकने के चयन । इस प्रकार, कैमरा संकल्प, ऑप्टिकल आवर्धन और बिंदु पैटर्न आकार के प्रोटोकॉल के चरण 5 में वर्णित के रूप में उचित चयन तनाव स्थानीयकरण घटना की जांच के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है । हालांकि, कतरनी तनाव स्थानीयकरण क्षेत्रों की आकृति विज्ञान अभी भी स्पष्ट नहीं है और बिंदु पैटर्न और छवि रिकॉर्डिंग उपकरणों के समाधान के आगे सुधार की जरूरत है ।
इस पत्र में वर्णित methodological दृष्टिकोण मोटे दानेदार पदार्थों में छोटी थकान दरारों के विकास के विश्लेषण दरार के लिए उपयुक्त है । दरार विकास दर माप और तनाव उप अनाज स्तर पर क्षेत्र विश्लेषण का एक संयोजन तंत्र है कि छोटे थकान18दरारें के विषम वृद्धि के लिए जिंमेदार है प्रकट करने में मदद करता है, व्यापक रूप से मनाया अनाज सीमा के अलावा एसएफसी पर कुप्रभाव पड़ रहा है । थकान फ्रैक्चर तंत्र की गहरी समझ नए सैद्धांतिक संभव दृष्टिकोण का विकास करता है और इस प्रकार, लाइटर और अधिक ऊर्जा के डिजाइन सक्षम बनाता है भविष्य में कुशल संरचनाओं ।
The authors have nothing to disclose.
एएसटीएम UNS S43940 ferritic स्टेनलेस स्टील Outokumpu स्टेनलेस Oyj द्वारा प्रदान किया गया था । अनुसंधान अकादमी फिनलैंड परियोजना № २९८७६२ और Aalto विश्वविद्यालय के इंजीनियरिंग के स्कूल और पोस्ट डॉक्टरेट वित्त पोषण नहीं ९१५५२७३ Aalto विश्वविद्यालय इंजीनियरिंग के स्कूल द्वारा समर्थित है । वीडियो प्रकाशन Aalto मीडिया फैक्टरी से मिकको Raskinen के समर्थन के साथ प्रदर्शन किया गया ।
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 |