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3D-DIC应变测量技术用于探究多尺寸微观结构损伤机制

实验背景

由软铁素体和脆性渗碳体颗粒组成的高碳钢,已广泛应用于航空航天、精密机床和汽车工业。球化铁素体-渗碳体钢(SFC)在冷成形过程中由于铁素体与渗碳体变形不匹配,容易产生微缺陷,严重影响疲劳寿命。研究SFC钢在冷变形过程中与组织特征相关的损伤机制,有助于对组织和成形过程的控制。

实验内容

采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统结合原位拉伸机,结合多尺度模拟相结合的方法,研究SFC钢在单轴拉伸作用下的损伤机理及其与组织特征的依赖关系。原位拉伸试验,3D-DIC应变测量技术,揭示SFC钢在单轴拉伸作用下的损伤机制。在多尺度模拟中,分别进行宏观尺度拉伸和纳米压痕模拟,获得中尺度模拟的应变历史和力学性能。

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XTDIC-MICRO显微应变测量系统

材料与微结构表征方面,采用扫描电镜(SEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)对初始微观结构进行表征。由于渗碳体颗粒为纳米级,采用SEM观察颗粒参数。用EBSD法测定了晶粒尺寸和取向。通过TEM分析了铁素体和渗碳体的取向关系和界面结构。

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3D-DIC应变测量:单轴拉伸试样的几何尺寸

力学测试和DIC分析

单轴拉伸试验重复3次,应变速率为10-3 S-1。为捕捉局部应变分布并验证以下宏观尺度拉伸模拟,采用数字图像相关(DIC),3D-DIC应变测量技术进行相关测试。在试样表面喷涂黑白散点,并利用3D-DIC应变设备高精度相机采集试样在各变形阶段的散点图像。随后,利用新拓三维3D-DIC应变测量软件对散斑图像进行处理,得到不同宏观应变下的局部应变。

实验结果

原位拉伸试验

采用原位拉伸实验,3D-DIC应变测量技术,研究SFC钢的微观变形过程和损伤机制。采用厚度为0.8 mm的试件的形状和尺寸。试件中心区域的ROI表示观察下感兴趣的区域。
试验重复进行两次;拉伸速度为0.033 mm/min。图中(c)为原位拉伸试验的力-位移曲线。该曲线可分为三个不同的阶段:(I)弹性阶段,(II)由滑移带形成、孔洞萌生、生长和扩展组成的塑性阶段,(III)最终破坏阶段。在SEM测量中,在0%、2%、5%、10%、15%和20%的整体应变水平下进行现场拉伸试验,并定期中断,在曲线中用字母(即i、ii、iii、iv、v和vi)标记。试样断裂后,从断裂试样中心沿拉伸方向观察到不同颈缩位置(不同应变)的断裂后显微组织。

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 (a)原位拉伸设备示意图。(b )原位拉伸试样几何尺寸。ROI表示观察感兴趣的区域。(c )力-位移曲线。曲线上用字母i、ii、iii、iv、v、vi标记的落差。(d)断裂试件沿中心线的截面示意图。放大图为沿断裂面观察到的5个区域

宏观力学性能

下图(a)~(b)为采用3D-DIC应变测量技术,分析不同全局应变下的应力-应变曲线和应变分布。颈缩阶段的最优力-位移曲线和应变分布如图(c)~(d)所示。如图10(d)所示,缩颈阶段的应变分布与实验结果吻合较好(图(b))。

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 (a)单轴拉伸试验应力-应变曲线。(b )拉伸加载过程中DI C试验捕获的应变分布。(c)实验载荷-位移曲线与模拟曲线对比。(d )宏观尺度十弹模拟中颈部应变分布

中尺度力学性能

图(a)为阵列压痕的SEM图像和150 nm深度下的高倍放大图像。图(b)所示,由于深度较浅,部分铁素体相的载荷-深度曲线出现了分散。如图(c)所示,通过优化后的纳米压痕模拟结果,获得了铁氧体混合律的未知材料参数。SFC钢和铁素体相以及SFC的真实应力-塑性应变行为如图11(d)所示。

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 (a)所有压痕的S EM图像和压痕区域的高倍率图像。(b )深度为15 0 nm的纳米压痕试验中铁氧体相的可用载荷-深度曲线。(c ) 200 nm深度下的实验和最优模拟载荷-深度曲线。(d) SFC钢及其组成相的应力应变曲线

下图为通过MD模拟得到的断裂后拉伸、原子构型和共邻分析(CNA)下的应力/界面能-应变曲线。其中,CAN表示塑性变形程度。

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(a)拉伸加载时的应力/能量-应变曲线,(b )原子构型,(c)界面开裂开始时的CAN (ε =0.168)

微观结构演化与损伤机制

下图为原位试验下,不同宏观应变下试件中心区域的SEM显微图和局部高倍放大(蓝色点框标记)。

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SEM显微照片和局部高倍放大图像,对应于原位拉伸试验的力-位移曲线(图3 (c ))中标记的点:(a) i, (b ) ii , (c ) iii, (d ) iv , (e) v 和(f ) vi

下图为三种孔洞原位生长类型的SEM图像
子图

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图中三种孔洞生长类型在不同整体应变下的子图:(a1) ~ (a3) PCV;(b1) ~ (b3) IDV;(c1) ~ (c3) MCV

下图显示了从断裂中心沿拉伸方向观察到的不同颈缩位置的断裂后微结构

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不同颈缩位置的断裂后SEM显微图:(a) 1区;(b) 2区;(c) 3区;(d)区4 ;(e)第5区;(f )断口形态

损伤机理的驱动力分析

将颈缩前的真实应力-应变曲线与单轴拉伸试验下的实验结果进行了对比。下图为模拟结果的对比应力-应变曲线及实验结果。

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基于ip的RVE模拟SFC钢的真实应力-应变曲线,研究尺寸敏感性:(a) RVE尺寸敏感性:从10 × 10µm2到60 × 60µm2;(b)网孔尺寸灵敏度:从0. 1µm 到5µm 

基于实际微观组织,采用模拟方法分析了局部微观组织的应力应变分布。

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原位拉伸加载下局部组织的应变和应力分布:(a)铁素体相的mis es应力,(b )渗碳体相的mis es应力,(c )最大主应变

在铁素体塑性变形的驱动下,渗碳体相产生弹性应变,导致内应力增大

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变形开始阶段的中尺度应力和应变分布:(a)渗碳体阶段的mises应力,(b )最大法向应力,(c )等效塑性应变。(d)三种孔洞起裂示意图

实验结论

1)采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变系统,基于3D-DIC全场应变测量技术,搭配原位拉伸试验机,以及多尺度模拟方法,分析SFC钢的局部变形、损伤起裂部位及其与微观组织特征的关系,为规范其微观组织形态和形成过程提供指导。

2)分析SFC钢在单轴拉伸作用下的损伤机理及其与组织特征的依赖关系。原位拉伸试验揭示了SF C钢在单轴拉伸作用下的三种损伤机制。

3)在多尺度模拟中,分别进行了宏观尺度拉伸和纳米压痕模拟,获得了中尺度模拟的应变历史和力学性能,并分别捕捉了三种损伤机制的驱动力和微观结构特征的依赖性。通过纳米尺度分子动力学模拟,确定中尺度内聚带模型(CZ M)的模型参数。

4)与圆形渗碳体颗粒相比,椭圆颗粒更容易引起界面脱粘。同时,铁素体/铁素体晶界垂直于加载方向的界面脱粘比平行于加载方向的界面脱粘更早。

案例摘自:【Huiling Wang,School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China.Investigation of damage mechanisms related to microstructural features of ferrite-cementite steels via experiments and multiscale simulationsl.】


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