同步辐射光源四维原位成像助力材料微结构损伤高分辨表征
发布时间：2021-08-16 15:32
具备高时空分辨率的同步辐射光源是标志着现代基础科学核心创新能力的一种大科学装置。介绍了基于高能X射线三维成像的原位加载装置的国内外研究进展,简要论述了作者团队自2011年以来基于上海同步辐射光源和北京同步辐射装置自主研制的系列原位加载装置,包括原位拉伸、压缩、低周疲劳、高周疲劳、超高周疲劳试验机及其样品环境,以及针对轻质高强材料（激光焊接铝合金和激光增材制造铝、钛合金等）缺陷安全性评定开展的研究工作。结果表明,原位加载装置是表征先进材料微结构损伤演化的核心,也是关系国家竞争力的大科学装置的重要支撑。
【文章来源】：机械工程材料. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
电磁波谱及电磁波的基本应用特性
基于上述研究共申请发明专利16项（授权8项，国际专利1项），开发试验机控制软件2套[9]，出版专著2部，以第一作者或通信作者发表SCI论文30余篇。自2017年起，作者团队与WITHERS院士开展合作，率先基于同步辐射成像对增材制造钛合金和铝合金的缺陷行为进行探索，确立了基于修正Kitagawa-Takahashi图（KT图）的缺陷行为表征新思路[6,10]。此处，以飞机用功能结构增材制造AlSi10Mg铝合金为例，制备选区激光熔化铝合金标准试样，以内部缺陷（主要是孔洞、未熔合）对疲劳性能的影响为切入点，在常规显微组织、单轴力学性能、高周疲劳性能、裂纹扩展速率和门槛值试验基础上，提取疲劳断口裂纹源区的缺陷特征并基于Murakami公式进行规则化，据此制备高分辨原位加载试样并开展缺陷演化三维成像表征，见图3(a）；引入极值统计方法对三维成像试样中的缺陷进行分析，获取直接控制增材制件疲劳性能的临界缺陷尺寸最小集，最终构建出反映缺陷尺寸槡A(A为缺陷沿加载方向的投影面积）与疲劳极限Δσw的修正KT图，见图3(b)[11]。研究发现，尺寸小于30μm的缺陷对疲劳性能的影响可以忽略不计（能引起裂纹萌生但不会发展为主裂纹），基于三维原位成像的缺陷尺寸预测可靠度达83%以上。图3 增材制造铝合金加载时内部缺陷演化及修正KT图[11]
图2 可同时开展原位拉伸、压缩、旋转弯曲以及低周和高周疲劳的材料试验机针对增材制造铝合金在高温下的缺陷演化及其对疲劳损伤行为的影响，作者团队采用自主研发的样品环境装置[12]，开展了高温250℃和最大应力σmax分别为95,105,110MPa条件下的疲劳失效规律研究。通过三维成像发现，在不同疲劳寿命（Nf=30 260,5 755,180周次）下，位于颈缩中心的内部缺陷发生拉长、偏折和扭转（见图4），并最终导致材料失效。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属3D打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状[J]. 祝弘滨,刘昱. 现代城市轨道交通. 2019(10)
[2]材料内部全场力学参数精细测量技术与表征评价方法关键科学问题[J]. 亢一澜,裴永茂,许峰,毛圣成,仇巍,詹世革,雷天刚,白坤朝. 中国科学基金. 2019(05)
[3]基于先进光源的内部力学行为实验研究进展[J]. 许峰,胡小方. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(09)
[4]铁路工程中的3D打印:发展、挑战和展望（英文）[J]. 郭云龙,井国庆,张辉. 工业技术创新. 2017(04)
[5]中国高能同步辐射光源及其验证装置工程[J]. 姜晓明,王九庆,秦庆,董宇辉,盛伟繁,程健,徐刚,胡天斗,邓虎,陈福三,龙锋利,陆辉华,岳军会,李春华,孙毅,陈锦晖,董海义,蔡泉,徐伟,李明,常广才,郑红卫,陶冶,刘鹏,刘景,孙冬柏,黎刚,石泓,曹建社,谭园园. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2014(10)
[6]上海光源X射线成像及其应用研究进展[J]. 肖体乔,谢红兰,邓彪,杜国浩,陈荣昌. 光学学报. 2014(01)
[7]高分辨透射X射线三维成像在材料科学中的应用[J]. 王绍钢,王苏程,张磊. 金属学报. 2013(08)
本文编号：3345937
【文章来源】：机械工程材料. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
电磁波谱及电磁波的基本应用特性
基于上述研究共申请发明专利16项（授权8项，国际专利1项），开发试验机控制软件2套[9]，出版专著2部，以第一作者或通信作者发表SCI论文30余篇。自2017年起，作者团队与WITHERS院士开展合作，率先基于同步辐射成像对增材制造钛合金和铝合金的缺陷行为进行探索，确立了基于修正Kitagawa-Takahashi图（KT图）的缺陷行为表征新思路[6,10]。此处，以飞机用功能结构增材制造AlSi10Mg铝合金为例，制备选区激光熔化铝合金标准试样，以内部缺陷（主要是孔洞、未熔合）对疲劳性能的影响为切入点，在常规显微组织、单轴力学性能、高周疲劳性能、裂纹扩展速率和门槛值试验基础上，提取疲劳断口裂纹源区的缺陷特征并基于Murakami公式进行规则化，据此制备高分辨原位加载试样并开展缺陷演化三维成像表征，见图3(a）；引入极值统计方法对三维成像试样中的缺陷进行分析，获取直接控制增材制件疲劳性能的临界缺陷尺寸最小集，最终构建出反映缺陷尺寸槡A(A为缺陷沿加载方向的投影面积）与疲劳极限Δσw的修正KT图，见图3(b)[11]。研究发现，尺寸小于30μm的缺陷对疲劳性能的影响可以忽略不计（能引起裂纹萌生但不会发展为主裂纹），基于三维原位成像的缺陷尺寸预测可靠度达83%以上。图3 增材制造铝合金加载时内部缺陷演化及修正KT图[11]
图2 可同时开展原位拉伸、压缩、旋转弯曲以及低周和高周疲劳的材料试验机针对增材制造铝合金在高温下的缺陷演化及其对疲劳损伤行为的影响，作者团队采用自主研发的样品环境装置[12]，开展了高温250℃和最大应力σmax分别为95,105,110MPa条件下的疲劳失效规律研究。通过三维成像发现，在不同疲劳寿命（Nf=30 260,5 755,180周次）下，位于颈缩中心的内部缺陷发生拉长、偏折和扭转（见图4），并最终导致材料失效。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属3D打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状[J]. 祝弘滨,刘昱. 现代城市轨道交通. 2019(10)
[2]材料内部全场力学参数精细测量技术与表征评价方法关键科学问题[J]. 亢一澜,裴永茂,许峰,毛圣成,仇巍,詹世革,雷天刚,白坤朝. 中国科学基金. 2019(05)
[3]基于先进光源的内部力学行为实验研究进展[J]. 许峰,胡小方. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(09)
[4]铁路工程中的3D打印:发展、挑战和展望（英文）[J]. 郭云龙,井国庆,张辉. 工业技术创新. 2017(04)
[5]中国高能同步辐射光源及其验证装置工程[J]. 姜晓明,王九庆,秦庆,董宇辉,盛伟繁,程健,徐刚,胡天斗,邓虎,陈福三,龙锋利,陆辉华,岳军会,李春华,孙毅,陈锦晖,董海义,蔡泉,徐伟,李明,常广才,郑红卫,陶冶,刘鹏,刘景,孙冬柏,黎刚,石泓,曹建社,谭园园. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2014(10)
[6]上海光源X射线成像及其应用研究进展[J]. 肖体乔,谢红兰,邓彪,杜国浩,陈荣昌. 光学学报. 2014(01)
[7]高分辨透射X射线三维成像在材料科学中的应用[J]. 王绍钢,王苏程,张磊. 金属学报. 2013(08)
本文编号：3345937
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