JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Full-veld stam metingen voor Microstructurally kleine vermoeidheid kraken Propagation digitaal beeld correlatie methode

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

Summary

Microstructurally kleine vermoeidheid spleet groei gedrag wordt onderzocht met behulp van een nieuwe methodologische benadering combineren spleet groei meting en stam-veld analyse te onthullen het veld Cumulatieve vervorming op niveau van de sub graan.

Abstract

Een nieuwe meting benadering wordt gebruikt om te onthullen het veld Cumulatieve vervorming op niveau van een sub graan en studie van de invloed van de microstructuur op de groei van microstructurally kleine vermoeidheid scheuren. De voorgestelde stam veld analyse methodologie is gebaseerd op het gebruik van een unieke pattering techniek met een karakteristieke spikkel grootte van ongeveer 10 µm. De ontwikkelde methodologie wordt toegepast om te bestuderen het gedrag van de spleet kleine vermoeidheid in lichaam gecentreerd cubic (bcc) Fe-Cr ferritisch roestvast staal met een relatief grote korrelgrootte zodat een hoge ruimtelijke meetnauwkeurigheid op het niveau van de sub graan. Deze methode kan de meting van kleine vermoeidheid spleet groei retardatie evenementen en bijbehorende intermitterende schuintrekken stam lokalisatie zones voorafgaand aan het uiteinde van de spleet. Bovendien kan dit worden gecorreleerd met het graan oriëntatie en de grootte. Dus, de ontwikkelde methodologie kan bieden een diepere fundamenteel begrip van de kleine vermoeidheid spleet groei gedrag, vereist voor de ontwikkeling van robuuste theoretische modellen voor de voortplanting van de kleine vermoeidheid kraken in polykristallijne materialen .

Introduction

Nieuwe lichtgewicht oplossingen zijn nodig ter verbetering van de energie-efficiëntie van voertuigen zoals schepen. Gewichtsreductie van grote stalen structuren is mogelijk met behulp van geavanceerde stalen materialen. Het efficiënte gebruik van nieuw materiaal en de lichtgewicht oplossing vereist hoge productie kwaliteit en robuust ontwerp methoden1,2. Een robuuste ontwerpmethode betekent structurele analyse bij realistische beladingen, zoals golf-geïnduceerde laden in het geval van een cruiseschip, evenals reactie berekeningen om vervorming en benadrukt te definiëren. De toegestane stressniveau is gebaseerd op de sterkte van kritische structurele details gedefinieerd. In het geval van grote structuren zijn dit meestal gelaste verbindingen met een inhomogene microstructuur. Een van de belangrijke uitdagingen voor de nieuwe lichtgewicht oplossingen is vermoeidheid als gevolg van het cumulatieve en gelokaliseerde karakter, vaak op weld inkepingen plaatsvinden. Voor de productie van hoge kwaliteit, het gedrag van de vermoeidheid wordt gedomineerd door kleine vermoeidheid spleet (SFC) groei omdat productie geïnduceerde gebreken zijn zeer kleine1,3. Het fundamentele begrip van kleine vermoeidheid spleet groei in metalen is dus cruciaal voor een duurzaam gebruik van de nieuwe staalsoorten in hoogwaardige structuren.

De effectieve modellering van zulk een ingewikkelde proces als vermoeidheid spleet propagatie in polykristallijne metalen is onmogelijk zonder een duidelijk begrip van de fysische processen bij het mechanisme van de fractuur vermoeidheid. Aanzienlijke inspanningen van de onderzoeksgemeenschap is gericht geweest op het onderzoek naar vermoeidheid spleet vermeerdering met behulp van visuele waarneming en statistische analyse. Kleine vermoeidheid spleet groei gedrag heeft tot nu toe voornamelijk door theoretische methoden als gevolg van de beperkingen van de experimentele technieken onderzocht. De abnormale vermoeidheid spleet groei tarief retardatie voor SFCs wordt meestal geassocieerd met de korrel grenzen (GB)4,5,6,7,8,9. De redenen voor de abnormale groei van SFC zijn echter nog ter discussie. De resultaten van de theoretische modellering met behulp van een discrete dislocatie methode toont vorming van een dislocatie muur, of een korte lage-hoek korrelgrens veroorzaakt door dislocaties uitgestoten uit de vermoeidheid spleet tip beïnvloeden de groei van de vermoeidheid-spleet10 ,11,12,13. Tot voor kort, is er een uitdaging geweest in nauwkeurige experimentele analyse van het gedrag van kleine vermoeidheid spleet groei. Experimentele waarnemingen zijn vereist voor de ontwikkeling van de rekenmodellen fysische principes gebaseerd.

P.a. van cyclische materiële vervorming gedrag op micro-niveau is het wenselijk dat metingen van de volledig-veld vervorming die kunnen worden ter plaatse uitgevoerd tijdens het cyclische laden met behulp van standaard mechanische testapparatuur, met ruimtelijke resolutie ten minste een orde van grootte onder de omvang van de karakteristieke lengte van de microstructuur. Om te begrijpen van de verschillen in vermoeidheid spleet groeitempo op jaarbasis, zijn gemeten spanning velden vaak gekoppeld aan elektron backscatter diffractie (EBSD) metingen van materiële microstructuur. Carrol et al.14 bieden een kwantitatieve, full-veld ex situ meting van kunststof stam in de buurt van een groeiende lange vermoeidheid barst in een nikkel-gebaseerde super legering, waaruit de vorming van asymmetrische kwabben in de kunststof nasleep van het teeltmateriaal vermoeidheid spleet. Op hogere vergroting, elektronenmicroscopie digitaal beeld correlatie (DIC) geopenbaard stam inhomogeneities die is gekoppeld aan de lokalisatie van de spanning op de banden van de slip, met twin en graan grenzen op het gebied van de vermoeidheid kraken groei gedrag. Echter, de gebruikte ex situ meting aanpak is niet in staat om vast te leggen van de stam-veld tijdens het doorgeven van de spleet van vermoeidheid. Een experimentele studie van kunststof afstomping tijdens het doorgeven van de spleet van lange vermoeidheid werd uitgevoerd door Peralta15 gebruik van in situ DIC voor commerciële zuiverheid Ni (99,6%). Resultaten is gebleken dat de accumulatie van plastische vervorming werd gedomineerd door schuintrekken langs de slip-bands die uitgebreid voorafgaand aan de spleet en waren geneigd met betrekking tot de spleet groei richting. De lokalisatie van de waargenomen stam op de slip-band wordt waarschijnlijk veroorzaakt door overbelasting, aangezien de lage stress factor intensiteitswaarden in een tweeledige karakter van de vervorming (schuintrekken en normale stam)14,15 resulteren. Een heterogene stam veld distributie op het niveau van de sub graan heeft waargenomen voor grof korrelige aluminiumlegering16 en duplex staal17, waar de activering van de dislocatie slip systemen werd geassocieerd met Schmid wet16 ,17.

Een recente studie uitgevoerd door Malitckii18 manifesteert dat abnormale SFC groei gedrag wordt bepaald door de stam inhomogeneities verband houden met de structuur van het graan of, in het bijzonder door opeenhoping van shear stam lokalisatie zones voor de spleet. Met hoge kwaliteit micro-schaal patronen en korrels groter dan 100 µm, optische microscopie DIC ingeschakeld in situ sub graan vervorming metingen voor de eerste keer. Echter, in Malitckii18, de nieuwe methodologie toegepast op maatregel kunststof stam veld ter plaatse over honderdduizenden belasting cycli was niet gepresenteerd of in detail besproken. Dus, het doel van deze paper is om deze nieuwe experimentele aanpak voor het bestuderen van kleine vermoeidheid spleet groei gedrag in polykristallijne materialen in het hoge cyclus regime. De nieuwigheid van de aanpak bestaat uit de in situ full-veld stam meting met behulp van een uniek patroon techniek, naast spleet groei Rudern. Omdat deze methode maakt gebruik van optische sensoren hierdoor vastleggen duizenden frames tijdens de proef van vermoeidheid. Backscatter elektronendiffractie (EBSD) is gebruikt voor de karakterisering van de microstructurele en gecombineerd met DIC metingen te onthullen van de impact van graan grenzen op kleine vermoeidheid spleet groei retardatie18. De aanpak wordt toegepast voor de meting van kleine vermoeidheid spleet propagatie in bcc 18% Cr ferritisch roestvast staal18 simuleren het gedrag van de constructiestaal voor grote structurele toepassingen. In deze paper, wij leggen de belangrijkste stappen van de meetprocedure en bieden een beknopte bespreking van de belangrijkste conclusie.

Protocol

1. model voorbereiding en gloeien Molen van de oorspronkelijke ferritisch roestvast staal platen met een dikte van 3 mm (Zie Tabel van materialen) om te vormen van de plaat met karakteristieke grootte van ongeveer 200 x 15 mm x 1 mm. Plaats de geproduceerde stalen plaat in de buis kwarts en pomp (Zie Tabel van materialen) het tot de druk van ongeveer 10-6 mbar. Argon gas geven (Zie Tabel van materialen) in de kwarts buis totdat de druk over 0.2 mbar bereikt. Verzegel de kwarts buis met het model binnen door verwarming van de quartz-buis tot het smelten temperatuur19.Let op: De afdichting procedure is gevaarlijk. Passende voorzorgsmaatregelen zoals goede oogbescherming, etc.20gebruiken Ontharden van de stalen plaat verzegeld binnenkant van de buis van de kwarts met behulp van de kamer oven (zie tabel van materialen) bij temperatuur van 1200 ° C gedurende 1 h en demping in water.Opmerking: De onthardende procedure verhoogt de gemiddelde korrelgrootte van het bestudeerde staal tot 350 µm zonder uitgebreide vorming van chroom carbide deeltjes21.Let op: De onthardende procedure is gevaarlijk. Gebruiken van passende voorzorgsmaatregelen en volg de instructies van de handleiding van de oven kamer. Gesneden ingekeepte exemplaren (met een dikte van 1 mm) van de ontharde plaat van het bestudeerde ferritisch staal met elektrische ontlading machinale bewerking (EDM, Zie Tabel van materialen). De regeling van het specimen is afgebeeld in Figuur 1.Let op: De EDM snijden procedure is gevaarlijk. Gebruiken van passende voorzorgsmaatregelen en volg de instructies van de handleiding EDM. Slijpen en polijsten van het specimen oppervlak. Grind specimen oppervlakken met behulp van de slijpmachine met amarilpapier (Tabel of Materials) tot het oppervlak van het model uniform is. Pools de specimen oppervlakken met behulp van de polijst machine met 3 µm en 1 µm diamant plakken (Zie Tabel of Materials) voor elke 10 min. Pools van het specimen oppervlak met behulp van 0,02 µm Coloïdale siliciumdioxide vibrerende polijsten (zie tabel van materialen) voor ongeveer 4 uur; Dit is vereist voor EBSD analyse. 2. de vermoeidheid pre kraken Experimenteel definiëren de testparameters voor verplaatsing gecontroleerd vermoeidheid. De verplaatsing grenzen εmin en εmax van de servo-hydraulische machine aanpassen (Zie Tabel van materialen) zodat de σmin enmax σ binnen het bereik van ongeveer -50 MPa en 300 MPa, respectievelijk zijn.Let op: De servo-hydraulische machine is gevaarlijk. Gebruiken van passende voorzorgsmaatregelen en volg de instructies van de servo-hydraulische machine-handleiding. Onderzoeken van de vorming van de eerste barst na 2000, 5000 en 10.000 cycli met gebruik van optische microscopie (Zie Tabel of Materials) voor het definiëren van het optimale aantal vermoeidheid cycli en voorkomen dat uitgebreide spleet groei. Onderwerp het monster tot verplaatsing gecontroleerd eenassige cyclische laden voor de omschreven hoeveelheid cycli. Onderzoeken van de vorming van de eerste barst na omschreven hoeveelheid cycli met gebruik van optische microscopie. Eerste scheuren met lengtes tot ongeveer 20 µm worden geproduceerd op het puntje van de inkeping. Verhoog het aantal de vermoeidheid cycli laden als de oorspronkelijke spleet werd niet geproduceerd. Vervang het model als de oorspronkelijke spleet lengte 50 µm overschrijdt. 3. microstructurele karakterisering Reinig het vooraf gebarsten model. Het vooraf gebarsten model met aceton gedurende 20 minuten met behulp van de ultrasone reinigen bad (Zie Tabel van materialen). Het vooraf gebarsten monster met ethanol gedurende 20 minuten met behulp van de ultrasone reinigen bad (Zie Tabel van materialen). Markeer het bestudeerde gebied Vickers microindentations te gebruiken, zoals in Figuur 2a. Volg de instructies van de Vickers microindentor (Zie Tabel of Materials) voor het uitvoeren van de microindentation merken. Het model in de micro Vickers hardheidtester invoegen (Zie Tabel van materialen). De kracht van de inspringing instellen op 500 N. Pas de positie voor het eerste Vickers inspringing merk ongeveer 500 µm zijwaarts van de inkeping tip. Voorbereiding van de tweede inspringing op een andere kant. Pas de positie voor het derde inspringing merk ongeveer 500 µm zijwaarts en ongeveer 400 µm weg van de inkeping tip. Analyseren van de microstructuur van het staal van het oppervlak van de kant van het model in de nabijheid van de inkeping met behulp van elektron backscatter diffractie (EBSD) analyse (Zie Tabel van materialen). Volg de handleiding van scannende elektronen microscoop voor EBSD analyses uit te voeren. De vergroting vastgesteldop 200 x. Pas de positie van het model onder EBSD detector. Zorg ervoor dat de inkeping tip en drie Vickers microindentation merken in het kader van de scanning EBSD (Zie Figuur 2b). De stap-grootte van de EBSD scannen met 2 µm. scannen van duur is ongeveer 1 uur. 4. decoratie met een patroon Reinigen van het oppervlak van het monster met ethanol (Zie Tabel van materialen) gedurende 10 minuten met behulp van het ultrasoonbad. Droog het model met behulp van een ventilator. Reinigen van een Microscoop-dia met behulp van een papieren servet gedrenkt met ethanol (Zie Tabel van materialen). Een dun laagje van de inkt op het glasoppervlak van de microscoopglaasje storten. Een permanent marker biedt uniforme laag van inkt met de hand op het glasoppervlak. Druk naar beneden op de silicone stamp met het patroon op het glasoppervlak een laag inkt overbrengen naar het stempel-oppervlak. Druk naar beneden op de stempel van de siliconen bedekt met de inkt op het oppervlak van het model. Kwaliteitscontrole spikkel patroon met behulp van optische microscopie. Een voorbeeld van het patroon dat spikkel is afgebeeld in Figuur 3. Zie referenties22,,23 voor details van patroon en microcontact afdrukken. Zorg ervoor dat de grootte van de patroon spikkel ten minste 10 keer kleiner dan de korrelgrootte van het bestudeerde materiaal.Opmerking: Voer de stappen 2, 3 en 4 in voldoende tijd om te voorkomen dat de inkt drogen. De droogtijd experimenteel definiëren. 5. vermoeidheid testen met DIC Instellen van het model in de servo-hydraulische machine (zie tabel van materialen).Let op: De servo-hydraulische machine is gevaarlijk. Gebruiken van passende voorzorgsmaatregelen en volg de instructies van de servo-hydraulische machine-handleiding. Aanpassen van de belasting-gecontroleerde vermoeidheid testparameters met R = 0.1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) en frequentie van 10 Hz met behulp van de software van de controle van de vermoeidheid-machine te testen. Een optische Microscoop met 16 x zoomlens precisie instellen (Zie Tabel of Materials) voor optische observatie van het model gekerfd gebied. Rusten de optische Microscoop met een digitale camera met een resolutie van 2048 pixels x 1,536 pixels. De vergroting van de optische Microscoop handmatig aanpassen. Zorg ervoor dat het hele gebied van het specimen gekerfd past in het afbeeldingsgebied van de digitale camera. Zorg ervoor dat de pixelgrootte minstens 5 keer kleiner zijn dan de grootte van het patroon. Voer de test van de vermoeidheid en synchroniseren met het beeld opname-systeem. De opnamen tijdens tijdelijk (10 s) stopt voor de vermoeidheid test in intervallen van 500 cycli. Ervoor zorgen dat de lading tijdens Beeldacquisitie constant met een gemiddelde stress van ongeveer 210 MPa is gehouden. Doorgaan met de vermoeidheid testen totdat de spleet lengte benaderingen van een kritische waarde of net-sectie plasticiteit begint te domineren. 6. resultaten analyse Gebruik van de verkregen raw beelden de spleet groeitempo op jaarbasis (CGR) en de DIC analyse met behulp van een commerciële software uit te voeren (Zie Tabel van materialen). Hiermee kunt u dat de operatie handleiding CGR analyses uit te voeren. Merk op dat de spleet groei tarief analyse is het mogelijk om uit te voeren met behulp van de commerciële software automatisch of handmatig. De analyses van de CGR handmatig met behulp van de dataset van raw-afbeeldingen door meting van de toename van de lengte barst na elke 500 cycli uit te voeren. Analyseren van de shear stam vervorming voor het bestudeerde gebied met behulp van commerciële software. Gebruik de bedieningshandleiding voor het schuintrekken stam vervorming analyses uit te voeren. Zorgen dat correlatie modus in serie tijdinstellingen van de software wordt gekozen “ten opzichte van de eerste”. Schmid factor en korrels misorientation analyses van EBSD gegevens met behulp van de werkset opensource MTEX uit te voeren (Zie Tabel van materialen).Opmerking: Details over Schmid factor en korrels misorientation analyse zijn beschikbaar in de handleiding van MTEX toolbox24. Cumulatieve analyses van de verkregen uitkomsten uit te voeren.Opmerking: De cumulatieve analyse wordt besproken in Ref.18. Gebruik Vickers microindentation merken aan het graan grens kaart, misorientation kaart en Schmid factor kaart bovenop de shear stam vervorming veld18. Definiëren van de correlatie tussen CGR, stam veld en microstructuur (misorientation en Schmid factor kaarten)18.

Representative Results

Met behulp van de voorgestelde methodologie, kunnen we de sub graan vervorming veld accumuleren tijdens het doorgeven van de barst van de kleine vermoeidheid onder cyclische laden analyseren. De karakterisering van het wordt uitgevoerd op sub graan niveau weergegeven: tiny kenmerken van het materiaalgedrag onder vermoeidheid laden zelfs binnen een enkele graan. In het bijzonder, werd vorming van shear stam lokalisatie velden waargenomen, zoals weergegeven in Figuur 4. Een aantal tests werden uitgevoerd om te controleren of de waargenomen verschijnselen. Het veld vervorming is gemakkelijk gecombineerd met de afbeelding van de grens graan voor een volledige karakterisering van de functies die verantwoordelijk is voor het gedrag van de abnormale groei van de kleine vermoeidheid scheuren (Zie Figuur 5). Cumulatieve analyse van de vervorming veld, de microstructuur, de spleet groeitempo op jaarbasis en de spleet pad onthullen een afhankelijkheid tussen de kleine scheur groei tarief retardatie en accumulatie van de shear stam lokalisatie zone18, zoals in de video. Figuur 1 : Schematische weergave van het monster van de vermoeidheid van het bestudeerde ferritisch roestvast staal (afmetingen zijn in mm). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2 : SEM-beeld van het oppervlak van de kant van het specimen ferritisch roestvast staal in de nabijheid van het ingekeepte gebied (a) en de omgekeerde pole figuur (IPF) kaart met IPF sleutel in de inzet (b). De uitlijning van de DIC stam veld en EBSD beeld werd uitgevoerd met behulp van Vickers microindentations aangegeven door onderbroken cirkels (a). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3. Optische microscopie van het specimen kant oppervlak versierd met een patroon. Figuur 4 . Intermitterende accumulatie van de shear zones voor de lokalisatie van de stam tijdens kleine vermoeidheid spleet groei. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5 . Twee voorbeelden (een en b) van de gecombineerde weergave van de shear stam veld en microstructuur van het bestudeerde staal getest in vermoeidheid. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6 . Op maat gemaakte pneumatische machine voor patroon decoratie van de specimens. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Discussion

De aanpak van een roman in situ meting wordt ingevoerd voor het meten van het veld Cumulatieve vervorming op een micro-schaalniveau van graan. Om aan te tonen het vermogen aanpak, wordt het microstructurally kleine vermoeidheid spleet propagatie gedrag bestudeerd in ferritisch roestvast staal met 18% chroom. De bestudeerde staal werd verstrekt in de vorm van hete plaat met een dikte van 3 mm gerold (Zie Tabel van materialen) en gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 17 µm21.

Een succesvolle meting vereist dat een eerste vermoeidheid spleet wordt geproduceerd op het puntje van de inkeping van de specimens voor verdere vermeerdering gedragsanalyse. Om het studeren te microstructurally kleine spleet, moet de lengte van de eerste barst aanzienlijk kleiner zijn dan de korrelgrootte van het bestudeerde staal. Testen van vermoeidheid is verplaatsing gecontroleerd om te voorkomen dat spleet groei na vermoeidheid spleet inleiding. Bleek dat vermoeidheid spleet initiatie tijd aanzienlijk met de daling van de verhouding van de stress (R afneemt). Dus, slechts 10.000 cycli nodig voor het initiëren van de barst van de vermoeidheid in de monsters getest met R-verhouding-0.16 waren, terwijl met Rratio 0.1, de vermoeidheid spleet deed niet starten zelfs na 100.000 cycli. Het gebruik van de lading verhouding R =-0.16 kunt verhogen de stress variëren van 315 MPa tot 350 MPa, met nog kleinere maximale stress voor pre kraken dan die van het werkelijke vermoeidheid testen.

De groei van de spleet intermitterende kleine vermoeidheid wordt meestal geassocieerd met de microstructuur. In het bijzonder worden graan grenzen algemeen beschouwd als microstructurele functies verantwoordelijk voor kleine scheur groei retardatie4,5,6,7,8,9 , 10 , 11 , 12. de dislocatie formulering in het element van de grens door Hansson et al.13 toont dat de grenzen van de lage-hoek graan liggen in de weg van de spleet-pad leiden zowel een stijging als een daling van de groei van spleet tot kunnen; echter de hoge-hoek graan grenzen hebben geen invloed op de groei van de spleet. De fysieke redenen veroorzaakt door abnormale spleet groei zijn niet bekend. Om te onthullen de microstructurele functies waardoor de kleine scheur retardatie, was een karakterisering van de microstructurele uitgevoerd voordat de vermoeidheid testen van het model. Het polijsten procedure die wordt beschreven in stap 1 is cruciaal voor betrouwbare microstructurele analyse met behulp van EBSD. In stap 3, net vóór de EBSD analyse, is het schoonmaken van het model in ethanol alleen toegestaan, omdat damp van de aceton gevaarlijk voor de EBSD detector is.

Om te onthullen vervorming processen binnen individuele korrels, moet de grootte van het patroon spikkel aanzienlijk kleiner zijn dan de korrelgrootte van het bestudeerde staal. Sinds de gemiddelde korrelgrootte van het staal na gloeien ongeveer 350 µm is, werd de karakteristieke grootte van het patroon van de spikkel vereist voor DIC berekening gekozen als ongeveer 10 µm22,12. De grootte van de patroon spikkel moet ten minste 10 keer kleiner dan de korrelgrootte van het bestudeerde staal voor de correcte uitvoering van stap 5. Het oppervlak van het model is versierd met een patroon van de spikkel met een silicone-stempel. We gebruiken een op maat gemaakte pneumatisch gereedschap (Zie Figuur 6) voor snel en nauwkeurige bediening van de stempel.

Kleine vermoeidheid spleet propagatie gedrag is bestudeerd tijdens de belasting-gecontroleerde vermoeidheid test van de vooraf gebarsten specimens, met behulp van de R-verhouding van 0.1 (σmin = 35 MPa, σmax = 350 MPa) en de frequentie van 10 Hz. vermoeidheid testen volgt samen met digitaal beeld correlatie (DIC) meting. Het terrein van belang wordt gecontroleerd met behulp van een optische Microscoop, 16 x Precision Zoom Lens, met een resolutie van 2 µm/pixel. Beelden worden vastgelegd tijdens tijdelijk (10 s) stopt voor de vermoeidheid test in intervallen van 500 cycli. Tijdens Beeldacquisitie, het laden is constant gehouden, met een gemiddelde stress van ongeveer 210 MPa, om gelijke belastingstoestanden voor alle beelden, stabiliseren van plastische vervorming en Vermijd vermoeidheid spleet sluiting en uitgebreide kruip gepaard met min en max van het laden van kracht, respectievelijk. De nieuwigheid van de methode is gebaseerd op hoge resolutie in situ DIC beeldopname waarmee kleine vervorming zones vormen tijdens kleine vermoeidheid spleet groei onthullen. Het succes van het experiment is afhankelijk van de juiste tenuitvoerlegging van de procedure van de vooraf kraken, selectie van beeld vangen interval en vergroting om te voorkomen dat de vervaging van de kleine functies, zoals de waargenomen schuintrekken zones voor de lokalisatie van de stam. Dus, goede selectie van cameraresolutie, optische vergroting en speckle patroon grootte zoals beschreven in stap 5 van het protocol kan doorslaggevend zijn voor onderzoek van de stam lokalisatie fenomenen. Echter zijn de morfologie van de shear zones voor de lokalisatie van de stam is nog onduidelijk en moet verdere verbeteringen van het patroon dat spikkel en resolutie van de afbeelding controleapparaat.

De methodologische aanpak in dit artikel wordt beschreven is geschikt voor spleet analyse van de groei van kleine vermoeidheid scheuren in grofkorrelige materialen. Een combinatie van spleet groei Rudern en analyse van de spanning-veld op de sub graan niveau helpt te onthullen het mechanisme die verantwoordelijk zijn voor de abnormale groei van de kleine vermoeidheid scheuren18, naast de wijd waargenomen korrelgrens effecten op de SFCs. dieper inzicht in de mechanismen van de fractuur vermoeidheid ontwikkeling van nieuwe theoretische benaderingen mogelijk maakt en dus in de toekomst kunt ontwerpen van lichter en meer energie efficiënte structuren.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De ASTM UNS S43940 ferritisch roestvast staal werd verstrekt door Outokumpu Stainless Oyj. Onderzoek wordt ondersteund door Academie van Finland project № 298762 en Aalto University School of Engineering en post-doctorale financiering No 9155273 Aalto University School of Engineering. Video bekendmaking werd uitgevoerd met steun van Mikko Raskinen van 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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image