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三维重构研究预裂纹的存在和结晶组织对高强度钢脆性破坏的影响


1.背景

有研究表明,由于主裂纹破面发生了二次裂纹(与主裂纹不同的裂纹),破面的晶粒破坏方向不同,所以可能存在多个发生点。因此,本实验室提出:在脆性破坏发生之前,发生多个裂纹,然后合并、成长寻找最终的脆性破坏的预破裂多发模型的可能性

本研究的目的是,确认在最初的主裂纹发生时,有无同时发生的脆性裂纹的初始的预裂纹发生,将裂纹和结晶组织的三维形状图像化,确认预裂纹的发生位置。

2.试样准备

   使用的材料是由炼铁会社研究所的熔化炉和轧制机制作的A3钢材,将试样热处理后,用于三点弯曲实验,在试样发生脆性破坏之前解除负荷

3.磨抛查看试样内部

   借助鹿儿岛大学足立教授的全自动逐层切片成像系统(Genus_3D),对有裂纹的试样进行了自动研磨、拍照、进行了三维图像的制作。

  3.1逐层磨抛条件

层厚:5μm

层数:50


  3.2成像方法

   为了观察晶体组织而进行抛光研磨,用2%硝酸酒精腐蚀液腐蚀后,用光学显微镜进行观察,在300倍条件下拍照。

  3.3三维重构

   将磨抛成像的50二维图像进行三维重构。A3钢的三维形状图像如图1所示。

1 A3钢的三维形状图像

   利用EBSD对晶体方位进行了分析。基于Genus_3DA3钢的三维形状图像如图2所示;

   基于EBSD的晶体方位测量的结果如图3所示。

2 A3钢的Genus_3D三维形状图像

3 裂纹前端的EBSD图像

4 预裂纹

  3.4三维形状图像的观察

   在鹿儿岛大学制作的三维形状图像中,将二次裂纹前端的角度不同的裂纹命名为SC-ASC-B,并进行了观察。使用EBSD计测周边的结晶方位,根据图2、图3可以确认,裂纹一边扭曲一边贯通结晶方位不同的结晶晶界。图5表示从多个剖面观察的二次裂纹。

5 从多个剖面的观察

4.结论

  1)与晶粒的位置关系:可以确认此次观察到的预裂纹都是沿着晶界发生的。

  2)从三维形状图像可知,即使晶体方位多次扭曲,裂纹也会贯通旧γ晶界。


参考文献:

1)粟饭原周二:《高强度钢的破坏韧性》研究会资料,2011

2)田川哲哉:高强度钢的破坏韧性研究会资料10-42014

3) Richard W. Hertzberg:Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials Fourth EditionJohn Wiley & Sons,Inc.1995pp.409-418