On the origin of crack initiation in duplex stainless steel during cyclic loading in the VHCF regime
On the origin of crack initiation in duplex stainless steel during cyclic loading in the VHCF regime
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VHCF 循环加载过程中双相不锈钢裂纹萌生的起源
DOI：
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发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
Hongwang Fu
中科院分区：
文献类型：
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作者：
Hongwang Fu
Die Mikrorissbildung eines Dulpexedelstahls (DSS) im VHCF Bereich wurde untersucht und disutiert.详细介绍了技术的使用和调试实施过程，以及 DSS 识别的机械特征和 Bezug 法中的微观初始化机制。 Die Ergebnisse der optischen Mikroskopie, Nanoindentierungstests and Synchrotronstrahlungsuntersuchungen zeigten auf, dass die austenitische Phase des DSS in VHCF ein zyklisches Entfestigung-Verfestigung-Entfestigungs Verhalten aufweisen.最初的 zyklische Entfestigung erfoltigung erfolgt der ersten Million Lastzyklen，wo ein kontinuierliches Wachstum der Gleitspuren 和 eine Abnahme der Mikroharte beobachtet wurden。 Danach verfestigen die Austenitkorner； dies zeigte sich durch einen Wachstumsstopp der Gleitspuren und eine Erhohung der Mikroharte。同步加速器实验，死在迪塞姆体育场的durchgefuhrt wurden，zeigten，dass die Mikroeigenspannungen zwischen den beiden Phasen im Vergleich zum Ausgangszustandgroser werden。 Anschliesend wachsen die Gleitspuren weiter and reduzieren die Mikroharte der Austenitkorner。这是第二次，dass die zyklische Entfestigung wieder auftritt。 Hierbei zeigten die Synchrotronstrahlungsexperimente eine Abnahme der Mikroeigenspannungen。奥斯汀的 zyklische Ver- und Entfestigung des Austenits kann auf Bewegung und Umordnung der Versetzungen zuruckgefuhrt werden，是在 TEM 图像中完成的。
显微现象学和微观问题的探索，颗粒间的微观现象是在相对于相对空间体育场进行的，并且是跨颗粒的初始情节。微小的创造可以通过对阶段性解释的结果来实现。最好是：1) Schubspannung τ1 aufgrund der Akkumulation der Intrusionen und Extrusionen (Gleitung der Versetzungen), 2) Schubspannung τ2 wegen Versetzungsaufstaus 和 3) Schubspannung τ3 aufgrund der externen Lastspannung。 Die drei drei componenten entwickeln wahrend der zyklischen Ver- und Entfestigung, and fuhren dazu, dass sich durch die unterschiedlichen resultierenden Schubspannungen an der Phaseengrenze deutliche plastische Verformungen in den Ferritkornern bilden. Die Schubspannung τ1 steigt dramatisch wahrend der ersten 105 Zyklen an, was aufgrund der Beobachtung des Extrusions-Intrusions-Wachstums erwartet wird。 Die Schubspannung τ3 des Ferrits Fallt ab, wenn der Austenit zyklisch verfestigt und es steigt an, wenn der Austenit zyklisch entfestigt. Diese Ergebnisse wurden durch 原位 XRD 和原位 DIC 实验。 Die Schubspannung τ2 ist von den Phasengrenzbedingungen weitgehend abhangig and bestimmt die Morphologie der Mikrorisse. Enthalt ein Austenitkorn Gleitspuren, wird die Mikrorissinitiierung in dem benachbarten Ferritkorn von einer der folgenden Bedingungen abhangig: 1) Wenn der Winkel zwischen der Phasengrenze und der ferritischen Oberflache weniger als 90° betragt, kann plastische Verformung leicht auftreten, und ein intergrainarer Mikroriss entsteht schrittweise。 2) Wenn der Winkel zwischen der Phasengrenze 和 der ferritischen Oberflache 90° oder mehr ist，werden die Gleitspuren uberwiegend durch die Phasegrenze aufgehalten 和 es erfolgt keine plastische Verformung。落下结果是 Schubspannung ausreichend ist，um die Barrierewirkung uberwinden zu konnen，sind die transcapsularen Mikrorisse meist vorhanden。通过 SEM 图像进行相位调整，通过 FIB 切割进行切割。
研究并讨论了双相不锈钢（DSS）在极高周疲劳（VHCF）状态下微裂纹的形成。几种高分辨率技术应用于疲劳样本，识别 DSS 的机械性能并将其与微裂纹萌生机制联系起来。光学显微镜、纳米压痕测试和同步加速器辐射研究获得的结果表明，VHCF 中 DSS 的奥氏体相表现出循环软化-硬化-软化行为。第一次循环软化发生在最初的数百万次负载循环期间，观察到滑痕的持续增长和显微硬度的下降。然后，测试的奥氏体晶粒中的奥氏体硬化，这表明滑移痕迹的生长停止并且显微硬度增加。在这个阶段进行的同步辐射实验表明，两相之间的内部残余应力与初始状态相比有所增加。此后，奥氏体中的滑移痕迹继续生长，显微硬度下降，表明循环软化再次发生。此阶段进行的同步加速器辐射实验表明内部残余应力有所下降。奥氏体的循环硬化和软化行为可归因于位错运动和重排，并得到透射电子显微镜（TEM）显微照片的支持。
对试样进行的现象学观察显示了两种类型的微裂纹：从早期到相对较晚阶段连续形成的晶间微裂纹和突然发生的穿晶微裂纹。这些裂纹的形成由相界处的剪切应力 τ 来解释，该剪切应力由 1) 由于侵入和挤压（位错滑移）的累积而产生的剪切应力 τ1、2) 由于位错堆积而产生的剪切应力 τ2 以及 3) 由于外部载荷应力而产生的剪切应力 τ3。这三种成分在循环硬化和循环软化过程中演变，产生不同的合成剪切应力，并导致铁素体晶粒中形成明显的塑性变形。剪切应力 τ1 在最初的 105 个循环内急剧增加，这可以从挤压-侵入增长的观察中预料到。当奥氏体循环硬化时，铁素体中的剪切应力τ3减小，当奥氏体循环软化时，铁素体中的剪切应力τ3增加。这些是在应用原位 X 射线衍射 (XRD) 和原位数字图像相关 (DIC) 技术的应力和应变分配实验获得的结果中观察到的。重要的是，剪切应力 τ2 在很大程度上取决于相界方向，决定了微裂纹的形态。当奥氏体晶粒形成滑痕时，相邻铁素体晶粒中微裂纹的形成将取决于以下条件。 1）相界与铁素体表面夹角小于90°时，易发生塑性变形，相界处逐渐形成晶间微裂纹。 2）如果相界与铁素体表面之间的角度大于或等于90°，滑移痕迹经常被相界阻止并且不发生塑性变形。当产生的剪切应力大到足以克服阻挡效应时，大部分会出现穿晶微裂纹。这些假设通过聚焦离子束 (FIB) 切割获得的扫描电子显微镜 (SEM) 图像得到证实。
Die Mikrorissbildung eines Dulpexedelstahls (DSS) im VHCF Bereich wurde untersucht und diskutiert. Verschiedene Techniken mit hoher Auflosung wurden an den ermudeten Proben implementiert, wobei die mechanischen Eigenschaften des DSSs identifiziert und mit den Mechanismen der Mikrorissinitiierung in Bezug gesetzt wurden. Die Ergebnisse der optischen Mikroskopie, Nanoindentierungstests und Synchrotronstrahlungsuntersuchungen zeigten auf, dass die austenitische Phase des DSS in VHCF ein zyklisches Entfestigung-Verfestigung-Entfestigungs Verhalten aufweisen. Die erste zyklische Entfestigung erfolgt wahrend der ersten Million Lastzyklen, wo ein kontinuierliches Wachstum der Gleitspuren und eine Abnahme der Mikroharte beobachtet wurden. Danach verfestigen die Austenitkorner; dies zeigte sich durch einen Wachstumsstopp der Gleitspuren und eine Erhohung der Mikroharte. Synchrotronstrahlungsexperimente, die in diesem Stadium durchgefuhrt wurden, zeigten, dass die Mikroeigenspannungen zwischen den beiden Phasen im Vergleich zum Ausgangszustand groser werden. Anschliesend wachsen die Gleitspuren weiter und reduzieren die Mikroharte der Austenitkorner. Dies deutet an, dass die zyklische Entfestigung wieder auftritt. Hierbei zeigten die Synchrotronstrahlungsexperimente eine Abnahme der Mikroeigenspannungen. Die zyklische Ver- und Entfestigung des Austenits kann auf Bewegung und Umordnung der Versetzungen zuruckgefuhrt werden, was durch TEM Bilder gestutzt wurde.
Die phanomenologischen Beobachtungen an den Proben zeigten zwei Arten von Mikrorissen, intergranulare Mikrorisse tauchen schrittweise von einem sehr fruhen bis zu einem relativ spaten Stadium auf und transgranulare Mikrorisse initiieren plotzlich. Die Mikrorissbildung kann durch die resultierende Schubspannung τ an der Phasengrenze interpretiert werden. Diese bestehen aus: 1) Schubspannung τ1 aufgrund der Akkumulation der Intrusionen und Extrusionen (Gleitung der Versetzungen), 2) Schubspannung τ2 wegen Versetzungsaufstaus und 3) Schubspannung τ3 aufgrund der externen Lastspannung. Die drei Komponenten entwickeln sich wahrend der zyklischen Ver- und Entfestigung, und fuhren dazu, dass sich durch die unterschiedlichen resultierenden Schubspannungen an der Phasengrenze deutliche plastische Verformungen in den Ferritkornern bilden. Die Schubspannung τ1 steigt dramatisch wahrend der ersten 105 Zyklen an, was auch aufgrund der Beobachtung des Extrusions-Intrusions-Wachstums erwartet wird. Die Schubspannung τ3 des Ferrits fallt ab, wenn der Austenit zyklisch verfestigt und es steigt an, wenn der Austenite zyklish entfestigt. Diese Ergebnisse wurden durch in-situ XRD- und in-situ DIC-Experimente erzielt. Die Schubspannung τ2 ist von den Phasengrenzbedingungen weitgehend abhangig und bestimmt die Morphologie der Mikrorisse. Enthalt ein Austenitkorn Gleitspuren, wird die Mikrorissinitiierung in dem benachbarten Ferritkorn von einer der folgenden Bedingungen abhangig: 1) Wenn der Winkel zwischen der Phasengrenze und der ferritischen Oberflache weniger als 90° betragt, kann plastische Verformung leicht auftreten, und ein intergranularer Mikroriss entsteht schrittweise. 2) Wenn der Winkel zwischen der Phasengrenze und der ferritischen Oberflache 90° oder mehr ist, werden die Gleitspuren uberwiegend durch die Phasegrenze aufgehalten und es erfolgt keine plastische Verformung. Falls die resultierende Schubspannung ausreichend ist, um die Barrierewirkung uberwinden zu konnen, sind die transgranularen Mikrorisse meist vorhanden. Die Phasengrenzbedingungen wurden durch SEM-Bilder bestatigt, die durch die FIB-Cutting erhalten wurden.
Formation of micro-cracks of a duplex stainless steel (DSS) in the very high cycle fatigue (VHCF) regime was studied and discussed. Several high-resolution techniques were applied to fatigued specimens, identifying the mechanical properties of the DSS and relating them to the mechanisms of the micro-crack initiation. Results acquired from optical microscopy, nanoindentation tests and synchrotron radiation investigations revealed that the austenite phase of the DSS in VHCF exhibits cyclic softening-hardening-softening behaviour. The first cyclic softening takes place during the initial millions of load cycles, where a continuous growth of slip markings and a decrease in micro-hardness were observed. Afterwards, austenite hardens in the tested austenite grains which show a stop in the growth of slip markings and an increase in the micro-hardness. Synchrotron radiation experiments performed at this stage revealed that the internal residual stresses between the two phases increase compared to the initial state. After this period, slip markings in austenite continue to grow and the micro-hardness decreases, indicating the reoccurrence of cyclic softening. The synchrotron radiation experiments executed at this stage showed a decrease in internal residual stresses. The cyclic hardening and softening behaviour of the austenite can be attributed to dislocation motion and rearrangement, and was supported by transmission electron microscopy (TEM) micrographs.
Phenomenological observations applied to the specimens showed two types of micro-cracks: intergranular micro-cracks form continuously from an early to a relatively late stage, and transgranular micro-cracks that initiate suddenly. The formation of these cracks is interpreted by the resultant shear stress τ at the phase boundary, which consists of 1) shear stress τ1 due to the accumulation of intrusions and extrusions (slip of dislocations), 2) shear stress τ2 due to dislocation pile-ups and 3) shear stress τ3 due to external load stress. The three components evolve during cyclic hardening and cyclic softening processes, yielding different resultant shear stresses and resulting in the formation of dis-tinct plastic deformation in the ferrite grains. The shear stress τ1 increases dramatically within the initial 105 cycles, which can be expected from the observation of extrusion-intrusion growth. The shear stress τ3 in ferrite decreases when austenite cyclically hardens, and increases when austenite cyclically softens. These were observed in the results obtained for stress and strain partitioning experiments applying in-situ X-ray diffraction (XRD) and in-situ digital image correlation (DIC) techniques. Importantly, the shear stress τ2 which is largely dependent on phase boundary orientations determines the morphology of the micro-cracks. On the occasion of an austenitic grain forming slip markings, the formation of micro-cracks in the adjacent ferritic grain will depend on the following conditions. 1) If the angle between the phase boundary and the ferritic surface is less than 90°, plastic deformation easily occurs and intergranular micro-cracks gradually form at the phase boundary. 2) If the angle between the phase boundary and the ferritic surface is greater than or equal to 90°, slip markings are frequently arrested by the phase boundary and no plastic deformation takes place. When the resultant shear stress is large enough to overcome the barrier effect, transgranular micro-cracks are mostly present. These hypotheses were confirmed by scanning electron microscopy (SEM) images acquired with focused ion beam (FIB)-cutting.