Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

Evgenii Malitckii; Heikki Remes; Pauli Lehto; Sven Bossuyt

doi:10.3791/59134

JoVE Journal > Engineering

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

Engineering

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

Published: January 16, 2019

doi:

10.3791/59134

Evgenii Malitckii¹, Heikki Remes¹, Pauli Lehto¹, Sven Bossuyt¹

¹Department of Mechanical Engineering,Aalto University School of Engineering

Summary

עייפות microstructurally קטן קראק צמיחה התנהגות ייחקר באמצעות גישה מוזרה מתודולוגיים המשלבים קראק צמיחה קצב המדידה זן-שדה וניתוח כדי לחשוף את השדה דפורמציה המצטבר תבואה תת רמה.

Abstract

בגישה מדידה חדשניים משמש כדי לחשוף את השדה דפורמציה מצטברת ברמה תבואה תת לחקור את ההשפעה של מיקרו על הסדקים עייפות microstructurally קטן. המתודולוגיה ניתוח שדה זן המוצע מבוסס על השימוש של נקישות פיתחה שיטה ייחודית עם גודל חודרני אופיינית של-10 מיקרומטר. המתודולוגיה המפותחות חלה ללמוד את התנהגות קראק עייפות קטן בתוך הגוף ממורכז מעוקב (bcc) Fe-Cr ferritic פלדת אל-חלד עם גודל גרגרים גדולים יחסית המאפשר דיוק המדידה מרחבית גבוהה של תבואה תת רמה. מתודולוגיה זו מאפשרת מדידת הצמיחה סדק קטן עייפות פיגור אירועים, הקשורים הטיה לסירוגין זן לוקליזציה אזורי לפני הטיפ קראק. בנוסף, זה ישויך תבואה כיוון וגודל. לפיכך, המתודולוגיה מפותחת יכול לספק יסוד הבנה עמוקה יותר של עייפות קטן קראק צמיחה ההתנהגות, הנדרשים לפיתוח מודלים תיאורטיים חזקים התפשטות סדק קטן עייפות polycrystalline חומרים .

Introduction

פתרונות קלים חדשים נדרשים כדי לשפר את יעילות האנרגיה של כלי רכב, כגון ספינות. ירידה במשקל של מבני פלדה גדול אפשרי באמצעות חומרים מתקדמים פלדה. ניצול יעיל של חומר חדש, הפתרון קל משקל דורש איכות ייצור גבוהה עיצוב עמיד שיטות¹^,². שיטת עיצוב עמיד פירושה ניתוח מבנה בתנאים הטעינה מציאותית, כמו גל-induced טעינת במקרה של ספינת תענוגות, כמו גם התגובה חישובים להגדיר דפורמציה של לחצים. רמת הלחץ המותר מוגדרת בהתבסס על פרטים מבניים קריטי. במקרה של מבנים גדולים, אלו הם המפרקים בדרך כלל מולחם עם מיקרו inhomogeneous. אחד האתגרים עיצוב מרכזיים פתרונות קלים חדשים היא עייפות בשל טבעו המצטבר ונקודתי, לעיתים קרובות קבארט לרתך חריצים. על איכות ייצור גבוהה, ההתנהגות עייפות נשלטת על ידי צמיחה קראק (SFC) עייפות קטן מאז הייצור המושרה פגמים הם קטנים מאוד¹^,³. לפיכך, הבנה בסיסית של צמיחה סדק קטן עייפות חומרים מתכתיים חיונית לשימוש בר-קיימא של פלדות חדשות במבנים ביצועים גבוהים.

עיצוב יעיל של תהליך מסובך כמו עייפות קראק הפצת חומרים מתכתיים polycrystalline בלתי אפשרי ללא הבנה ברורה של תהליכים פיזיים המלווה את מנגנון שבר עייפות. מאמץ משמעותי של קהילת המחקר התמקדו חוקרים עייפות קראק הפצת באמצעות התצפית הויזואלית וניתוח סטטיסטי. עד כה, עייפות קטן קראק צמיחה התנהגות בעיקר נחקר על ידי שיטות תיאורטיות בגלל המגבלות של טכניקות ניסיוני. פיגור קצב הצמיחה עייפות חריגה קראק עבור SFCs מזוהה בדרך כלל עם תבואה גבולות (GB)⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹. עם זאת, הסיבות לצמיחה SFC חריגות הן עדיין בדיון. התוצאות המתקבלות על ידי תיאורטי דגמי באמצעות שיטה פריקה דיסקרטית מציג צורה של קיר פריקה, או גבול קצר נמוך-זווית תבואה הנגרמת על ידי וחבישה הנפלטים קצה הסדק עייפות המשפיעים על קצב גדילת קראק^{10 עייפות} ^,¹¹^,¹²^,¹³. עד לאחרונה, היה אתגר בניתוח נסיוני מדויק של ההתנהגות צמיחה סדק קטן עייפות. תצפיות ניסיוני נדרשים להתפתחות של עקרונות פיזי מבוסס מודלים.

לניתוח התנהגות מחזורית דפורמציה גשמי-רצוי לקיים מדידות שדה מלא דפורמציה זה יכול להתבצע באתרו במהלך מחזורי טעינה באמצעות תקן מכני מיקרו-סולם בדיקת ציוד, עם רזולוציה מרחבית לפחות, סדר גודל להלן היקף האורך האופייני מיקרו. על מנת להבין את הווריאציות בשיעור הצמיחה של עייפות קראק, זן נמדד שדות מקושרים לעיתים קרובות אלקטרון backscatter עקיפה (EBSD) מדידות של מיקרו גשמי. קרול ואח¹⁴ מספקים כמותיים, מלא-שדה ex באתרו מדידה של מתח פלסטיק ליד סדק זמן העייפות הגוברת מבוססות ניקל סופר סגסוגת, מציג היווצרות של האונות אסימטרי, בעקבות הסדק עייפות כציוד פלסטיק. בהגדלה גבוהה יותר, המתאם תמונה דיגיטלי מיקרוסקופ אלקטרונים (DIC) התגלה זן inhomogeneities הקשורות לוקליזציה המתח על הלהקות slip, עם התאום, גבולות תבואה המשפיעים על העייפות לפצח את התנהגות גדילה. עם זאת, דה יוזד באתרו לשעבר מדידה הגישה אינו מסוגל לתפוס את השדה זן במהלך הפצת קראק עייפות. מחקר ניסיוני של blunting פלסטיק במהלך הפצת קראק עייפות ארוך בוצע על ידי פרלטה¹⁵ באמצעות DIC באתרו מסחרי טוהר Ni (99.6%). התוצאות חשף כי ההצטברות של דפורמציה פלסטית נשלט על ידי גזירה לאורך הלהקות להחליק זה מורחב לפני הסדק, נטו ביחס לכיוון צמיחה קראק. לוקליזציה זן נצפתה אצל הלהקות slip כנראה נגרמת על ידי העמסת, מאז ערכי מקדם העוצמה של מתח נמוך לגרום אופי מעורב של דפורמציה (הטיה, מאמץ נורמלי)¹⁴^,¹⁵. התפלגות שדה זן הטרוגנית תבואה תת רמה נצפתה עבור סגסוגת אלומיניום אחרים גס¹⁶ ו- פלדה דופלקס¹⁷, איפה ההפעלה של המערכות slip פריקה היתה משויכת של שמיד החוק¹⁶ ^,¹⁷.

מחקר שבוצע על ידי Malitckii¹⁸ בא לידי ביטוי בהתנהגות חריגה של צמיחה SFC נשלטת inhomogeneities זן הקשורים למבנה תבואה או, בפרט, על ידי הצטברות של הטיה זן לוקליזציה אזורי לפני הסדק. עם דפוסי מיקרו-סולם באיכות גבוהה, גרגרים גדולים יותר מאשר 100 מיקרומטר, מיקרוסקופ אופטי DIC זמין תבואה תת באתרו דפורמציה מדידות בפעם הראשונה. עם זאת, Malitckii¹⁸, המתודולוגיה הרומן שהוחל מדידה פלסטיק זן שדה באתרו על מאות אלפי מחזורי טעינה לא הציג או בהרחבה. לכן, מטרת מאמר זה היא להציג גישה זו ניסיוני חדש ללמוד התנהגות גדילה קראק עייפות קטן בחומרים polycrystalline המשטר מחזור גבוה. החידוש של הגישה מורכב זן מלא-שדה באתרו מדידה באמצעות טכניקה ייחודית, בנוסף מדד שיעור הצמיחה קראק. כי שיטה זו משתמשת חיישני תמונה אופטי מאפשר לכידת אלפי מסגרות במהלך הבחינה עייפות. אלקטרון backscatter עקיפה (EBSD) משמש אפיון microstructural, בשילוב עם מדידות DIC כדי לחשוף את ההשפעה של תבואה גבולות על עייפות קטן קראק צמיחה פיגור¹⁸. הגישה מוחל לשקילת עייפות קטן הפצת הסדק עותק מוסתר 18% Cr ferritic פלדת אל-חלד¹⁸ המדמה את אופן הפעולה של פלדה מבנה עבור יישומים מבניים גדולים. בנייר זה, אנו מסבירים את השלבים העיקריים של ההליך מדידה, מספקים דיון סיכום של הממצא העיקרי.

Protocol

1. דגימה. והכנה חישול מיל הלוחות מפלדת ferritic המקורי עם עובי 3 מ מ (ראה טבלה של חומרים) כדי ליצור את הצלחת עם מאפיין גודל של כ- 200 מ מ x 15 מ”מ x 1 מ”מ. למקם את הצלחת פלדה המיוצר לתוך הצינור קוורץ, והכניס (ראה טבלה של חומרים) עד הלחץ של mbar-6 בערך 10. לספק גז ארגון (ראה טבלה של חומרים) לתוך הצינור קוורץ עד הלחץ מגיע על 0.2 mbar. חותם את הצינור קוורץ עם הדגימה בפנים על ידי חימום קוורץ הצינורית עד טמפרטורת ההיתוך19.התראה: ההליך איטום. הוא דבר מסוכן השתמש באמצעי זהירות מתאימים כגון עיניים נאות הגנה, ועוד20. Anneal לוח פלדה אטום בתוך הצינור קוורץ באמצעות הכבשן קאמרית (ראה טבלה של חומרים) בטמפרטורה של 1200 מעלות צלזיוס 1 h, כיבוי במים.הערה: ההליך מחזק מגדיל את גודל גרגרים ממוצע של פלדה למדה עד 350 מיקרומטר מבלי במערך נרחב של חלקיקים קרביד כרום21.התראה: ההליך מחזק. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, עקוב אחר ההוראות במדריך תנור קאמרית. לחתוך דגימות ומחורצים (עם עובי של 1 מ מ) מהצלחת annealed של פלדה ferritic למדה באמצעות פריקה חשמל עיבוד שבבי (EDM, ראה טבלה של חומרים). התכנית של הדגימה מוצג באיור1.התראה: ההליך חיתוך EDM. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך EDM. טוחנים, לשכלל את פני השטח של הדגימה. לטחון את המשטחים הדגימה באמצעות מכונה שחיקה בנייר אמרי (טבלה של חומרים) עד פני השטח של הדגימה תהיה אחידה. פולנית על משטחים הדגימה באמצעות את מכונת ליטוש עם 3 מיקרומטר והדבק 1 מיקרומטר יהלום (ראה טבלה של חומרים) למשך 10 דקות. פולנית השטח הדגימה באמצעות מיקרומטר 0.02 נקודות סיליקה colloidal רטט ליטוש (ראה טבלה של חומרים) במשך כ 4 שעות; פעולה זו נדרשת לצורך ניתוח EBSD. 2. תשישות פיצוח קדם השפעול להגדיר את הפרמטרים מבחן של עייפות הזחה, הנשלט. התאם את העקירה מגבלות חדוהmin וחדוהמקסימום של מכונת הידראולי servo (ראה טבלה של חומרים) כך σmin וσמקסימום הם בטווח של-50 MPa ו 300 MPa, בהתאמה.התראה: מכונת הידראולי servo. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך במכשיר הידראולי servo. לבחון את היווצרות הסדק הראשונית לאחר מחזורים 2,000, 5,000, 10,000 באמצעות מיקרוסקופ אופטי (ראה טבלה של חומרים) כדי להגדיר את המספר האופטימלי של עייפות מחזורי ולהימנע קראק נרחב צמיחה. נושא הדגימה כדי הזחה מבוקר uniaxial מחזורי טעינה עבור כמות מוגדרת של מחזורים. לבחון את היווצרות הסדק הראשונית לאחר כמות מוגדרת של מחזורי באמצעות מיקרוסקופ אופטי. סדקים הראשונית באורכים עד 20 מיקרומטר מיוצרים בקצה חריץ. להגדיל את מספר העייפות טעינת מחזורים אם הסדק הראשונית לא הופק. החלף את הדגימה אם אורך הסדק הראשוני עולה 50 מיקרומטר. 3. אפיון microstructural לנקות את הדגימה מראש סדוק. לנקות את הדגימה סדוק מראש עם אצטון עבור 20 דקות באמצעות אולטראסאונד של אמבטיה (ראה טבלה של חומרים). לנקות את הדגימה סדוק מראש עם אתנול למשך 20 דקות באמצעות אולטראסאונד של אמבטיה (ראה טבלה של חומרים). סמן לאזור למדה באמצעות microindentations ויקרס כפי שמוצג באיור 2a. בצע את ההוראות של microindentor ויקרס (ראה טבלה של חומרים) כדי לבצע את סימני microindentation. להכניס את הדגימה בודק קשיות ויקרס מיקרו (ראה טבלה של חומרים). להגדיר את הכוח כניסה ב-500 ש להתאים את המיקום עבור הסימן הראשון של כניסה ויקרס-כ-500 מיקרומטר לצדדים מהקצה חריץ. הכינו את הכניסה השנייה בצד אחר. להתאים את המיקום בסימן הכניסה השלישית כ-500 מיקרומטר לצדדים, כ-400 מיקרומטר מן הקצה חריץ. לנתח את מיקרו של פלדה מפני השטח בצד של הדגימה בקרבת החריץ באמצעות אלקטרונים backscatter עקיפה (EBSD) ניתוח (ראה טבלה של חומרים). בצע את ההוראות של סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים לבצע ניתוח EBSD. הגדר את רמת ההגדלה ב- 200 x. להתאים את מיקום הדגימה תחת גלאי EBSD. ודא קצה הרמה ואת שלושת סימני microindentation ויקרס במסגרת EBSD סריקה (ראה איור 2b). קבע את גודל הצעד EBSD סריקה ברזולוציה 2 מיקרומטר. סריקה משך הוא בערך 1 h. 4. קישוט עם דפוס לנקות את השטח הדגימה עם אתנול (ראה טבלה של חומרים) למשך 10 דקות באמצעות האמבט אולטראסוניות. יבש את הדגימה באמצעות מאוורר. לנקות שקופית מיקרוסקופ בעזרת מפית נייר ספוג עם אתנול (ראה טבלה של חומרים). להפקיד שכבה דקה של דיו על משטח זכוכית של השקופית מיקרוסקופ. סמן קבוע מספק שכבה אחידה של דיו על משטח זכוכית בעבודת יד. לחץ כלפי מטה חותמת סיליקון עם התבנית על משטח זכוכית להעביר שכבה של דיו השטח חותמת. לחץ כלפי מטה חותמת סיליקון מכוסה הדיו על פני השטח הדגימה. בדוק את איכות דפוס חודרני באמצעות מיקרוסקופ אופטי. להלן דוגמה של תבנית חודרני מוצג באיור3. ראה הפניות22,23 לפרטים על דפוס והדפסה microcontact. ודא גודל דוגמת המילוי חודרני לפחות 10 פעמים קטן יותר מהגודל התבואה של חומר לימודי.הערה: בצע את השלבים 2, 3 ו- 4 במספיק זמן כדי למנוע ייבוש דיו. להגדיר את זמן ייבוש השפעול. 5. עייפות בדיקות עם DIC הגדר את הדגימה לתוך המכונה הידראולי servo (ראה טבלה של חומרים).התראה: מכונת הידראולי servo. הוא דבר מסוכן להשתמש באמצעי זהירות מתאימים, בצע את ההוראות של המדריך במכשיר הידראולי servo. כוונן את הפרמטרים מבחן עומס מבוקר עייפות בעזרת R = 0.1 (σmin = 35 MPa, σמקסימום = 350 MPa) מבחן התדירות של 10 הרץ שליטה בתוכנות של המכונה עייפות. להגדיר במיקרוסקופ אופטי עם 16 x עדשת זום דיוק (ראה טבלה של חומרים) להסתכלות אופטי של הדגימה מחורץ באזור. לצייד מיקרוסקופ אופטי עם מצלמה דיגיטלית עם רזולוציה של x 1,536 פיקסלים 2,048 פיקסלים. התאם את רמת ההגדלה של מיקרוסקופ אופטי באופן ידני. ודא כי כל מחורץ באזור של הדגימה מתאים לאזור תמונה של מצלמה דיגיטלית. ודא גודל פיקסל לפחות 5 פעמים קטן יותר מגודל התבנית. הפעל את בדיקת עייפות וסנכרן עם התמונה למערכת ההקלטה. לכידת התמונות במהלך זמני (10 s) תחנות הבדיקה עייפות במרווחים של 500 מחזורי. ודא כי המטען שנערך קבוע עם מתח ממוצע של בערך 210 MPa במהלך ייבוא תמונות. המשך הבדיקה עייפות עד אורך הסדק מתקרב ערך קריטי או נטו-סעיף פלסטיות מתחיל לשלוט. 6. תוצאות ניתוח להשתמש בתמונות raw שהושג כדי לבצע את שיעור הצמיחה קראק (CGR) וניתוח DIC באמצעות תוכנה מסחרית (ראו טבלה של חומרים). השתמש במדריך פעולה לביצוע ניתוח CGR. שימו לב כי הניתוח קצב הצמיחה קראק ניתן לבצע באמצעות תוכנה מסחרית באופן אוטומטי או ידני. לבצע את הניתוח CGR באופן ידני באמצעות ערכת נתונים של תמונות raw על ידי מדידה של תוספת אורך הסדק לאחר כל אחד 500 מחזורי. ניתוח של הטיה זן להרכב לאזור למדה באמצעות תוכנה מסחרית. השתמש במדריך מבצע לבצע הטיה זן דפורמציה ניתוח. ודא כי המתאם מצב ב’הגדרות סידרה זמן של התוכנה נבחר להיות “ביחס הראשון”. לבצע שמיד גורם גרגירי misorientation וניתוח של נתונים EBSD באמצעות הכלים MTEX קוד פתוח (ראה טבלה של חומרים).הערה: פרטים אודות ניתוח misorientation פקטור, גבישים וגרגרים שמיד זמינים ב מדריך למשתמש MTEX ארגז כלים24. לבצע ניתוח המצטברת של התוצאות שהושג.הערה: הניתוח המצטבר הנדונה הפניה למעורר18. השתמש בסימני microindentation ויקרס כדי להתאים את מפת גבול תבואה, misorientation מפה ומפה שמיד גורם מעל שדה18דפורמציה זן הטיה. הגדרת המתאם בין CGR, זן שדה מיקרו (misorientation, שמיד גורם מפות)18.

Representative Results

באמצעות המתודולוגיה המוצעת, אנחנו ניתן לנתח את שדה תבואה תת דפורמציה צובר במהלך הפצת סדק קטן עייפות תחת העמסה מחזורית. האפיון מתבצע ברמת תבואה תת מציג תכונות זעירים של ההתנהגות גשמי תחת עייפות טעינת אפילו בתוך גרגיר קטן. בפרט, במערך הטיה זן לוקליזציה שדות נצפתה כמוצג באיור4. בוצעו מספר בדיקות כדי לוודא את התופעות שנצפו. השדה דפורמציה בקלות בשילוב עם דגנים גבול התמונה עבור אפיון מקיף של התכונות אחראי להתנהגות חריגה הצמיחה של הסדקים עייפות קטן (ראה איור 5). ניתוח המצטברת של שדות דפורמציה, מיקרו, שיעור הצמיחה קראק קראק נתיב לחשוף התלות בין פיגור קצב הצמיחה סדק קטן לבין הצטברות של הטיה זן לוקליזציה אזור18, כפי שמוצג בסרטון. איור 1 : הצג סכימתי של הדגימה הבדיקה עייפות של פלדת אל-חלד למד ferritic (מידות הם במ מ)- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 2 : SEM תמונה של פני השטח בצד של הדגימה ferritic פלדת אל-חלד בקרבת אזור מחורץ (א) ו שלה מפה איור (IPF) הפוך-מוט עם משקפות את עמדות מפתח שיבוץ (b). היישור DIC זן השדה, EBSD התמונה בוצע בעזרתו של microindentations ויקרס המוצגות על-ידי מקווקו עיגולים (א). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 3. מיקרוסקופ אופטי של פני השטח בצד הדגימה מעוצבים עם דפוס. איור 4 . הצטברות לסירוגין של האזורים לוקליזציה של זן הטיה במהלך צמיחה סדק קטן עייפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 5 . שתי דוגמאות (ו- b) של התצוגה המשולבת של הטיה זן השדה ואת מיקרו של פלדה למדה נבדק בעייפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 6 . מכונת הידראוליות בהזמנה אישית לקישוט דפוס של דגימות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

בגישה מדידה באתרו הרומן הוא הציג כדי למדוד את השדה דפורמציה מצטברת ברמה המיקרו-סולם תבואה. כדי להדגים את יכולת הגישה, ההתנהגות הפצת קראק עייפות microstructurally קטנה הוא למד ferritic פלדת אל-חלד עם 18% כרום. הפלדה למדה סופק בצורה של חם התגלגל צלחת עם עובי 3 מ מ (ראה טבלה של חומרים), דגנים הגודל הממוצע של מיקרומטר 17²¹.

מידה מוצלח מחייב לשבור. את עייפות הראשונית מופק בקצה הרמה של דגימות לצורך ניתוח התנהגות הפצת נוסף. ללימוד סדק קטן microstructurally, אורך הסדק הראשונית צריכה להיות משמעותית קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למד. בדיקות עייפות היא עקירה מבוקר כדי למנוע צמיחה קראק לאחר החניכה קראק עייפות. התברר כי עייפות קראק חניכה יורד משמעותית עם הירידה של מתח יחס (R). לפיכך, רק 10,000 מחזורים נדרשו עייפות קראק חניכה דגימות נבדק עם R-יחס-0.16, ואילו עם Rratio 0.1, הסדק עייפות לא ליזום גם אחרי 100,000 מחזורי. השימוש של היחס העומס R =-0.16 מאפשר להגדיל את טווח הלחץ של 315 MPa 350 MPa, שיש לחץ עדיין קטן מרביות עבור פיצוח קדם מזה העייפות בפועל בדיקות.

הגידול קראק עייפות קטנים לסירוגין משויכת בדרך כלל מיקרו. בפרט, גבולות תבואה נרחב נחשבים אחראי סדק קטן צמיחה פיגור⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹ microstructural תכונות ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹². ניסוח פריקה ברכיב הגבול מאת Hansson ואח¹³ מראה כי הגבולות נמוך-זווית תבואה משקר בדרך של הנתיב קראק יכול לגרום הן עליה וירידה של קצב הצמיחה סדק; עם זאת, לגבולות תבואה זווית גבוהה משפיעה על קצב הצמיחה קראק. הסיבות הפיזי שגורם להתנהגות חריגה קראק צמיחה אינם ידועים. על מנת לחשוף את התכונות microstructural גרימת פיגור של סדק קטן, אפיון microstructural בוצעה לפני עייפות בדיקה של הדגימה. המהלך המתואר ליטוש בשלב 1 חיונית אמין ניתוח microstructural באמצעות EBSD. בשלב 3, לפני ניתוח EBSD, הניקוי של הדגימה אתנול מותר רק, מאז הוא אדי אצטון מסוכן גלאי EBSD.

כדי לחשוף תהליכים דפורמציה הבודדים הגרגרים, גודל התבנית חודרני להיות משמעותית קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למד. מאז גודל גרגרים ממוצע של הפלדה לאחר חישול הוא כ-350 מיקרומטר, הגודל האופייני של התבנית חודרני הנדרשים לחישוב DIC נבחר להיות כ 10 מיקרומטר²²^,¹². גודל תבנית חודרני חייב להיות לפחות פי 10 קטן יותר מהגודל התבואה של פלדה למדה לצורך יישום נכון של שלב 5. פני השטח של הדגימה מעוצב עם דפוס חודרני באמצעות חותמת סיליקון. אנו משתמשים בכלי הידראוליות בהזמנה אישית (ראה איור 6) לתפעול מהיר ומדויק של החותמת.

עייפות קטן קראק הפצת התנהגות נלמדת במהלך בדיקות עומס מבוקר עייפות מהדוגמאות סדוק מראש באמצעות היחס R של 0.1 (σ_min = 35 MPa, σ_{מקסימום} = 350 MPa) תדירות Hz 10. עייפות בדיקות כדלקמן יחד עם תמונה דיגיטלית קורלציה (DIC) מדידה. תחום העניין נעשה שימוש במיקרוסקופ אופטי, 16 x עדשת זום דיוק, עם רזולוציה של 2 מיקרומטר לפיקסל. תמונות שנתפסו במהלך זמני (10 s) תחנות הבדיקה עייפות במרווחים של 500 מחזורי. במהלך ייבוא תמונות, ההעמסה מוחזק קבוע, עם מתח ממוצע של-210 MPa, על מנת לקבל תנאי טעינה שווה לכל התמונות, לייצב דפורמציה פלסטית, ולהימנע עייפות קראק הסגר השרץ נרחב בליווי min ו- max בטעינה בכוח, בהתאמה. החידוש של השיטה מבוססת על ברזולוציה גבוהה באתרו DIC תמונה הקלטת המאפשר לחשוף אזורי דפורמציה זעירים יוצרים במהלך צמיחה סדק קטן עייפות. ההצלחה של הניסוי תלוי יישום נאות של ההליך פיצוח מראש, מבחר של מרווח לכידת תמונה, הגדלה כדי למנוע טשטוש קטן תכונות כגון אזורי לוקליזציה של זן הטיה שנצפו. לכן, בחירה נכונה של רזולוציית המצלמה, הגדלה אופטית וגודל תבנית חודרני כפי שמתואר בשלב 5 של הפרוטוקול יכול להיות חיוני לחקירה של התופעה לוקליזציה זן. אולם, המורפולוגיה של האזורים לוקליזציה של זן הטיה עדיין לא ברור, צריך שיפורים נוספים של התבנית חודרני, הרזולוציה של התמונה ציוד ההקלטה.

הגישה מתודולוגי שמתואר הנייר הזה מתאים לניתוח צמיחה קראק של עייפות קטן סדקים בחומרים בבקתות־חוף. שילוב של קראק צמיחה קצב מדידה וניתוח זן-שדה-sub תבואה רמת מסייע לחשוף המנגנון אשר אחראים על גידול חריג של העייפות קטן סדקים¹⁸, בנוסף הגבול תבואה נצפתה נרחב השפעות על SFCs. הבנה עמוקה יותר של המנגנונים שבר עייפות מאפשר פיתוח של גישות תיאורטיות חדשות, לפיכך, ומאפשרת עיצוב של המצית ומבנים יותר אנרגיה יעילה בעתיד.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

S43940 לא יצ ASTM ferritic נירוסטה סופק על ידי Outokumpu Oyj נירוסטה. מחקר זה נתמך על ידי האקדמיה של פינלנד פרוייקט № 298762 ואלטו אוניברסיטת בית הספר להנדסה ועל ידי פוסט דוקטורט מימון לא 9155273 אלטו אוניברסיטת בית הספר להנדסה. פרסום וידאו בוצעה עם תמיכה של Mikko Raskinen ממפעל מדיה אלטו.

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).

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).

Automatically Generated

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Tags

Play Video

Cite This Article

View Video

Automatically Generated

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Tags

Play Video

Cite This Article

View Video

✖

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