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材料學(xué)報(bào)：原位4D揭示金屬材料的韌性斷裂破壞機(jī)理

來(lái)源：時(shí)間：2022-10-24 16:33:41 瀏覽：2463次

光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的出現(xiàn)，使得材料微觀組織、結(jié)構(gòu)及失效機(jī)制的認(rèn)知和研究得到了極大的發(fā)展。2D顯微成像有時(shí)候并不能準(zhǔn)確展示樣品的真實(shí)結(jié)構(gòu)，因此，3D甚至4D(3D+時(shí)間)顯微表征技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。然而，絕大多數(shù)3D表征技術(shù)要求對(duì)樣品進(jìn)行切割或破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)完整樣品進(jìn)行原位觀察。

三維X射線顯微鏡(XRM)由于其獨(dú)特幾何和光學(xué)二級(jí)放大架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)“大工作距離高分辨成像(RaaD)”，使測(cè)量和量化同一樣品在不同外部因素(如機(jī)械載荷、溫度、化學(xué)環(huán)境、氣體和流體環(huán)境等)影響下的微觀結(jié)構(gòu)變成可能。

▲配備Deben原位實(shí)驗(yàn)裝置的Zeiss X射線顯微鏡為材料分析提供4D解決方案

金屬材料的韌性斷裂破壞涉及多種破壞機(jī)制之間的協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)，包括微孔的成核，膨脹和穿透破壞。沿一個(gè)或多個(gè)平面剪切；頸縮或Orowan（OAS）交替滑動(dòng)導(dǎo)致中央棱柱形孔的生長(zhǎng)等。原位4D成像技術(shù)為研究金屬材料的損傷機(jī)理提供了一種直觀而可靠的方法。

01 材料學(xué)報(bào)：鎂合金分析

鎂合金是目前世界上實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。與鋼和鋁相比，它具有較高的比強(qiáng)度，但其室溫性能通常較差。這主要與以下事實(shí)有關(guān)：可以激活的滑套系統(tǒng)更少。鎂合金的失效通常發(fā)生在剪切帶，以及微孔的成核，膨脹和聚集。澳大利亞迪肯大學(xué)的Mohamadi Azghandi教授^[1]等人使用Zeiss X射線顯微鏡和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）對(duì)不同晶粒尺寸的ZA31鎂合金在燒結(jié)過(guò)程中的3D特征和孔演化進(jìn)行了深入研究。原位拉伸。

結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸從60μm減小到3μm時(shí)，拉伸破壞應(yīng)變將增加近3倍。晶粒細(xì)化導(dǎo)致孿晶的減少，并且在第二相形成的孔的比例增加，但是總的孔生長(zhǎng)速度顯著減慢，并且孔體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變的演化速度相對(duì)較慢。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，當(dāng)空隙體積百分比達(dá)到一定的臨界值時(shí)，它將觸發(fā)剪切帶的形成并最終失效。細(xì)粒樣品中空洞的增長(zhǎng)率較低，導(dǎo)致應(yīng)變失敗的可能性更高。對(duì)于粗顆粒樣品，在三維數(shù)據(jù)上可以清楚地觀察到TD-ND平面上的傾斜剪切帶。而對(duì)于細(xì)顆粒樣品，在TD-RD平面上會(huì)出現(xiàn)類似的剪切帶。

02 材料學(xué)報(bào)：高純銅延性斷裂機(jī)理的原位研究

高純度銅的韌性斷裂機(jī)理之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)材料成分和載荷條件非常敏感。純度略有變化可能會(huì)導(dǎo)致故障。此故障可能是由于孔的聚集或Orowan備用滑移（OAS）引起的。李曉東教授[2]等。運(yùn)用原位X射線顯微鏡技術(shù)對(duì)99.999％的純銅線進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，從材料組成，局部損傷歷史以及機(jī)理之間的協(xié)作等方面探討了純銅拉伸失效的機(jī)理。

結(jié)果表明，試樣的斷裂過(guò)程涉及一系列損傷事件，包括剪切局部化，微米級(jí)孔的生長(zhǎng)以及在聚集的孔通過(guò)交替的滑動(dòng)膨脹而失效之前形成大的中心腔。該分析表明，失敗是在多機(jī)制協(xié)作中發(fā)生的，而不是嚴(yán)格的競(jìng)爭(zhēng)。特別是，應(yīng)變?cè)诩羟袔系木植炕瘯?huì)促進(jìn)孔隙的成核并驅(qū)動(dòng)初始聚集，然后聚集會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镺AS機(jī)制，而不是連續(xù)合并孔隙。X射線原位4D成像可以記錄樣品破壞過(guò)程的所有階段，包括通過(guò)OAS進(jìn)行的孔合并和單孔生長(zhǎng)，這表明不同機(jī)制之間的過(guò)渡對(duì)局部破壞特征敏感，并且可以與其他破壞機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)，改變。

03 更多應(yīng)用程序擴(kuò)展

除文獻(xiàn)中提到的鎂合金和銅外，蔡思軍還對(duì)鋁合金和鎳基合金進(jìn)行了相關(guān)的原位表征。通過(guò)原位拉伸實(shí)驗(yàn)，觀察不同變形下孔隙的分布和演化特征。結(jié)合三維可視化軟件，分析不同機(jī)械狀態(tài)下孔的體積百分比，以及孔長(zhǎng)徑比的特征。

來(lái)源：友碩

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