قياسات سلالة المجال الكامل للتعب ميكروستروكتورالي الصغيرة الكراك نشر استخدام أسلوب ارتباط الصورة الرقمية
Summary
التعب ميكروستروكتورالي الصغيرة الكراك نمو السلوك هو التحقيق في استخدام نهج منهجية رواية الجمع بين الكراك نمو معدل القياس والسلالة-حقل التحليل للكشف عن الحقل تشوه تراكمية على المستوى الفرعي الحبوب.
Abstract
يتم استخدام نهج قياس رواية لتكشف عن ميدان تشوه التراكمي على مستوى الحبوب الفرعية ودراسة تأثير المجهرية على نمو الشقوق الصغيرة ميكروستروكتورالي التعب. منهجية التحليل الميداني سلالة المقترح يستند إلى استخدام تقنية باتيرينج فريدة من نوعها مع حجم البقع واللطخ مميزة لحوالي 10 ميكرون. يتم تطبيق المنهجية المتقدمة لدراسة سلوك صدع التعب الصغيرة في الجسم تركزت مكعب (bcc) Fe-Cr ferritic الفولاذ المقاوم للصدأ مع حجم الحبوب كبيرة نسبيا مما يسمح دقة قياس مكانية عالية المستوى الفرعي الحبوب. يسمح بقياس النمو الكراك التعب الصغيرة الأحداث والتخلف هذه المنهجية والمرتبطة بها مناطق التعريب إجهاد القص المتقطع قبل تلميح الكراك. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يرتبط هذا مع اتجاه الحبوب وحجم. وهكذا، يمكن أن توفر المنهجية المتقدمة أساسية فهم أعمق لسلوك النمو الكراك التعب الصغيرة، اللازمة لتطوير نماذج نظرية قوية لنشر الكراك التعب صغيرة في مواد الكريستالات .
Introduction
حلول خفيفة جديدة مطلوبة لتحسين كفاءة الطاقة في المركبات مثل السفن. تخفيض الوزن من هياكل الصلب الكبيرة من الممكن استخدام المواد الفولاذية متقدم. ويتطلب الاستخدام الفعال للمواد الجديدة والحل خفيف الوزن التصنيع عالية الجودة وتصميم قوي أساليب1،2. طريقة تصميم قوية يعني التحليل الهيكلي تحت شروط تحميل واقعية، مثل الناجمة عن موجه التحميل في حالة سفينة سياحية، فضلا عن حسابات استجابة لتعريف التشوه وتؤكد. يتم تعريف مستوى الإجهاد المسموح به استناداً إلى قوة تفاصيل الهيكلية الحرجة. وفي حالة الهياكل الكبيرة، هذه هي المفاصل الملحومة عادة مع المجهرية متنافرة. واحدة من التحديات الرئيسية تصميم حلول جديدة خفيفة الوزن هو التعب نظراً لطبيعتها التراكمية والمترجمة، وكثيراً ما تجري في اللحام من الشقوق. لتصنيع عالية الجودة، ويهيمن على سلوك التعب بالتعب الصغيرة الكراك (SFC) النمو منذ الناجم عن التصنيع هي عيوب صغيرة جداً1،3. وبالتالي، فهم أساسي لنمو الكراك التعب صغيرة في المواد المعدنية أمر حاسم للاستخدام المستدام فولاذ جديدة في هياكل عالية الأداء.
نماذج فعالة من عملية معقدة كنشر الكراك التعب في المواد المعدنية الكريستالات مستحيل دون فهم واضح للعمليات الفيزيائية المصاحبة لآلية كسر التعب. جهدا كبيرا من مجتمع البحوث ركزت على التحقيق في نشر الكراك التعب استخدام الملاحظة البصرية والتحليل الإحصائي. حتى الآن، حققت التعب الصغيرة الكراك نمو السلوك أساسا بالأساليب النظرية بسبب القيود المفروضة على تقنيات تجريبية. تأخر معدل نمو الكراك التعب الشاذ سفكس يترافق عادة مع الحدود (GB) الحبوب4،،من65،7،،من89. ومع ذلك، الشاذ SFC النمو أسباب لا تزال قيد المناقشة. النتائج التي توصلت إليها النماذج النظرية باستخدام أسلوب تفكك منفصلة ويبين تشكيل جدار التفكك، أو حد قصيرة زاوية منخفضة الحبوب الناجمة عن الاضطرابات تنبعث من تلميح الكراك التعب التي تؤثر على معدل النمو الكراك التعب10 11، ،،من1213. وحتى وقت قريب، كان هناك تحديا في تحليل تجريبي دقيق لسلوك النمو الكراك التعب الصغيرة. الملاحظات التجريبية المطلوبة لتطوير نماذج حسابية على أساس المبادئ الفيزيائية.
لتحليل سلوك التشوه مادي دوري في الصغر فمن المستصوب أن تشوه كامل مجال القياسات التي يمكن الاضطلاع بها في الموقع أثناء تحميل دوري باستخدام معيار الميكانيكية اختبار المعدات، مع القرار المكاني على الأقل الترتيب من حيث الحجم أدناه جدول طول مميزة المجهرية. من أجل فهم التغيرات في معدل نمو الكراك التعب، غالباً ما ترتبط حقول سلالة قياس تشتت ارتدادي الإلكترون الحيود (أبسد) قياسات للمواد المجهرية. كارول وآخرون14 يوفر حقل كامل كمية، مثلاً قياس الموقع من سلالة البلاستيك قرب صدع تعب طويل متزايد في سبيكة فائقة القائم على النيكل، عرض تشكيل الفصوص غير متماثلة في أعقاب نشر الكراك التعب البلاستيك. في أعلى التكبير، الميكروسكوب الإلكتروني ارتباط الصورة الرقمية (DIC) وكشف سلالة إينهوموجينيتيس المرتبطة بالتعريب سلالة في كشف العصابات، مع التوأم وحدود الحبوب التي تمس التعب الكراك السلوك النمو. ومع ذلك، تستخدم السابقين موقعية نهج القياس ليست قادرة على التقاط ميدان الإجهاد أثناء نشر الكراك التعب. دراسة تجريبية للبلاستيك المعقولة أثناء نشر الكراك التعب الطويل كان يؤديها بيرالتا15 استخدام DIC في الموقع للنقاء التجارية ني (99.6%). وكشفت النتائج أن تراكم اللدونة يسيطر القص على طول كشف العصابات التي مددت قبل الكراك وتميل فيما يتعلق باتجاه النمو الكراك. التعريب سلالة الملاحظ في كشف العصابات ربما سببه الحمولة الزائدة، حيث قيم معامل كثافة منخفضة الإجهاد يؤدي إلى طابع مختلط من14،تشوه (القص والضغط العادي)15. وقد لوحظ توزيع الميداني سلالة غير متجانسة على المستوى الفرعي الحبوب ل سبائك الألومنيوم الحبيبات الخشنة16 و الصلب الوجهين17، حيث كان تفعيل نظم كشف الاضطراب المقترن مع شميد في قانون16 ،17.
دراسة حديثة من ماليتكي18 يظهر أن يتم التحكم بسلوك النمو SFC الشاذ بسلالة إينهوموجينيتيس المتعلقة بهيكل الحبوب، أو على وجه الخصوص، بتراكم لمناطق توطين إجهاد القص قبل الكراك. مع أنماط الصغر عالية الجودة والحبوب أكبر من 100 ميكرومتر، مكن المجهر الضوئي DIC القياسات تشوه الحبوب في الموقع الفرعي للمرة الأولى. بيد في18من ماليتكي، رواية المنهجية المطبقة لقياس الضغط البلاستيكية الحقل في الموقع على مدى مئات آلاف دورات التحميل لا قدم أو مناقشتها بالتفصيل. ولذلك، والهدف من هذه الورقة هو الأخذ بهذا النهج التجريبي الجديد لدراسة سلوك نمو الكراك التعب صغيرة في المواد الكريستالات في نظام دورة عالية. جدة النهج الذي يتكون من قياس إجهاد كامل الحقل في الموقع باستخدام تقنية نمط فريد من نوعه، بالإضافة إلى قياس معدل النمو الكراك. لأن هذا الأسلوب يستخدم أجهزة الاستشعار البصري للصورة فإنه يمكن التقاط الآلاف من الإطارات أثناء اختبار التعب. حيود الإلكترونات تشتت ارتدادي (أبسد) تستخدم لوصف ميكروستروكتورال وجنبا إلى جنب مع قياسات DIC للكشف عن تأثير الحدود الحبوب على التعب الصغيرة الكراك نمو التخلف العقلي18. يتم تطبيق النهج لقياس انتشار الكراك التعب الصغيرة في مخفية Cr ferritic الفولاذ المقاوم للصدأ18 محاكاة سلوك الفولاذ الهيكلية للتطبيقات الهيكلية الكبيرة 18%. في هذه الورقة، شرح الخطوات الرئيسية لإجراء القياس، ويوفر مناقشة موجزة للنتيجة الرئيسية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتم إدخال نهج قياس في الموقع رواية لقياس مجال تشوه التراكمي على مستوى الصغر الحبوب. من أجل إثبات القدرة على النهج، هو دراسة السلوك نشر الكراك التعب ميكروستروكتورالي الصغيرة في ferritic الفولاذ المقاوم للصدأ مع الكروم 18%. الفولاذ درس وقدم في شكل حار تدحرجت لوحة مع سماكة 3 مم (انظر الجدول للمواد)، ومتوسط حجم الحبوب من حوالي 17 ميكرومتر21.
قياس نجاح يتطلب أن ينتج صدع تعب أولى في تلميح الشق من العينات لتحليل السلوك نشر المزيد. من أجل دراسة صدع ميكروستروكتورالي صغيرة، ينبغي أن يكون طول الكراك الأولى أصغر بكثير من حجم الحبوب من الفولاذ درس. اختبار التعب هو التشريد الخاضعة لمنع نمو الكراك بعد بدء الكراك التعب. ووجد أن وقت البدء في صدع التعب يقلل إلى حد كبير مع انخفاض نسبة الإجهاد (R). وهكذا، كانت دورات فقط 10,000 المطلوبة لبدء الكراك التعب في عينات اختبار مع نسبة-R-0.16، بينما مع رراتيو 0.1، لم تشرع الكراك التعب حتى بعد دورات 100,000. يسمح استخدام نسبة التحميل-R = 0.16 لزيادة مدى الإجهاد من الآلام والكروب الذهنية 315 إلى 350 الآلام والكروب الذهنية، أن التوتر لا يزال أصغر من الحد الأقصى لتكسير سابقة من تلك التجارب الفعلية من التعب.
نمو الكراك التعب صغيرة متقطعة مقترن عادة المجهرية. على وجه الخصوص، حدود الحبوب تعتبر على نطاق واسع كميزات ميكروستروكتورال المسؤولة عن الكراك الصغيرة تخلف النمو4،6،5،7،،من89 , 10 , 11 , 12-صياغة التفكك في عنصر الحدود هانسون et al.13 تبين أن حدود الحبوب المنخفضة زاوية الكذب تعترض مسار الكراك يمكن أن ينتج كلا من زيادة ونقصان معدل النمو الكراك؛ ومع ذلك، حدود زاوية مرتفعة الحبوب لا تؤثر على معدل النمو الكراك. الأسباب المادية التي تسبب السلوك النمو الشاذ الكراك ليست معروفة جيدا. كي تكشف عن ملامح ميكروستروكتورال مما تسبب في تأخر الكراك الصغيرة، تم إجراء توصيف ميكروستروكتورال قبل التعب اختبار العينة. حاسمة بالنسبة للتحليل ميكروستروكتورال موثوق بها باستخدام أبسد صقله الإجراء الموضح في الخطوة 1. في الخطوة 3، قبل تحليل أبسد، تنظيف العينة في الإيثانول مسموح فقط، نظراً لبخار الأسيتون الخطرة لكاشف أبسد.
بغية الكشف عن عمليات التشوه داخل الحبوب الفردية، يجب أن يكون حجم نمط البقع واللطخ أصغر بكثير من حجم الحبوب من الفولاذ درس. منذ الحبوب متوسط الحجم من الصلب بعد الصلب هو حوالي 350 ميكرون، اختير حجم المميزة لنمط البقع واللطخ المطلوبة لحساب DIC أن يكون حوالي 10 ميكرون22،12. يجب أن يكون حجم نمط البقع واللطخ على الأقل 10 مرات أصغر من حجم الحبوب من الفولاذ درس للتنفيذ السليم للخطوة 5. سطح العينة مزين بنمط البقع واللطخ باستخدام ختم سيليكون. نحن نستخدم أداة مصنوعة خصيصا لتعمل بالهواء المضغوط (انظر الشكل 6) لعملية سريعة ودقيقة للطوابع.
هو درس التعب الصغيرة الكراك نشر السلوك أثناء التعب يسيطر عليه تحميل اختبار العينات ما قبل متصدع استخدام R-نسبة 0.1 (σدقيقة = 35 الآلام والكروب الذهنية، σماكس = 350 الآلام والكروب الذهنية) وتواتر 10 هرتز. التعب الاختبار التالي جنبا إلى جنب مع الصورة الرقمية قياس الارتباط (DIC). مجال الاهتمام رصد استخدام مجهر بصري، 16 × عدسة تكبير الدقة، مع قرار من 2 ميكرومتر/بكسل. الصور التي تم التقاطها أثناء المؤقتة (10 ق) توقف اختبار التعب في الفترات الفاصلة بين دورات 500. يقام أثناء الحصول على الصور، التحميل ثابت، مع إجهاد متوسط حوالي 210 الآلام والكروب الذهنية، ولظروف التحميل متساوية لكل الصور، استقرار اللدونة، وتجنب إغلاق صدع التعب ومصحوبة بزحف واسعة النطاق الحد الأدنى والحد الأقصى لتحميل القوة، على التوالي. جدة الأسلوب الذي يستند على الاستبانة في الموقع تسجيل الصورة DIC الذي يسمح للكشف عن مناطق صغيرة تشوه تشكيل أثناء النمو الكراك التعب الصغيرة. نجاح التجربة يتوقف على التنفيذ السليم لإجراءات ما قبل تكسير واختيار الفاصل الزمني لالتقاط الصورة والتكبير لمنع الخلط بين ميزات الصغيرة مثل مناطق التعريب إجهاد القص ملاحظتها. وهكذا، الاختيار السليم لدقة الكاميرا، بصري التكبير والبقع واللطخ النمط كما هو موضح في الخطوة 5 من البروتوكول يمكن أن يكون حجم حاسمة بالنسبة للتحقيق في ظاهرة التعريب سلالة. بيد أن مورفولوجية منطقتي التعريب إجهاد القص لا يزال غير واضح ويحتاج إلى إدخال المزيد من التحسينات على نمط البقع واللطخ ودقة الصورة معدات التسجيل.
النهج المنهجية المبينة في هذه الورقة مناسبة لتحليل نمو الكراك من الشقوق الصغيرة التعب في مواد خشن الحبيبات. مزيج من قياس معدل النمو الكراك وتحليل السلالة-حقل في sub الحبوب يساعد على مستوى الكشف عن الآلية التي المسؤولة عن النمو الشاذ من التعب الصغيرة الشقوق18، بالإضافة إلى حدود الحبوب لوحظ على نطاق واسع، آثار سفكس. فهم أعمق لآليات كسر التعب يجعل من الممكن وضع نهج نظرية جديدة وهكذا، يتيح تصميم أخف وزنا وأكثر هياكل كفاءة الطاقة في المستقبل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
S43940 تلزم جانب الصمت ASTM ferritic الفولاذ المقاوم للصدأ وقدمت “شركة اوتوكومبو ثنية غير القابل للصدأ”. البحث معتمد من قبل أكاديمية فنلندا مشروع № 298762 و “الفأر ألتو جامعة كلية الهندسة” ودراسات ما بعد الدكتوراه التمويل “لا 9155273 الفأر ألتو جامعة كلية للهندسة”. وأجرى نشر الفيديو مع دعم من ميكو راسكينين من “مصنع الوسائط الفأر ألتو”.
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 |
References
- 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).
