同步輻射光源四維原位成像助力材料微結(jié)構(gòu)損傷高分辨表征
發(fā)布時間：2021-08-16 15:32
具備高時空分辨率的同步輻射光源是標志著現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)核心創(chuàng)新能力的一種大科學(xué)裝置。介紹了基于高能X射線三維成像的原位加載裝置的國內(nèi)外研究進展,簡要論述了作者團隊自2011年以來基于上海同步輻射光源和北京同步輻射裝置自主研制的系列原位加載裝置,包括原位拉伸、壓縮、低周疲勞、高周疲勞、超高周疲勞試驗機及其樣品環(huán)境,以及針對輕質(zhì)高強材料（激光焊接鋁合金和激光增材制造鋁、鈦合金等）缺陷安全性評定開展的研究工作。結(jié)果表明,原位加載裝置是表征先進材料微結(jié)構(gòu)損傷演化的核心,也是關(guān)系國家競爭力的大科學(xué)裝置的重要支撐。
【文章來源】：機械工程材料. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
電磁波譜及電磁波的基本應(yīng)用特性
基于上述研究共申請發(fā)明專利16項（授權(quán)8項，國際專利1項），開發(fā)試驗機控制軟件2套[9]，出版專著2部，以第一作者或通信作者發(fā)表SCI論文30余篇。自2017年起，作者團隊與WITHERS院士開展合作，率先基于同步輻射成像對增材制造鈦合金和鋁合金的缺陷行為進行探索，確立了基于修正Kitagawa-Takahashi圖（KT圖）的缺陷行為表征新思路[6,10]。此處，以飛機用功能結(jié)構(gòu)增材制造AlSi10Mg鋁合金為例，制備選區(qū)激光熔化鋁合金標準試樣，以內(nèi)部缺陷（主要是孔洞、未熔合）對疲勞性能的影響為切入點，在常規(guī)顯微組織、單軸力學(xué)性能、高周疲勞性能、裂紋擴展速率和門檻值試驗基礎(chǔ)上，提取疲勞斷口裂紋源區(qū)的缺陷特征并基于Murakami公式進行規(guī)則化，據(jù)此制備高分辨原位加載試樣并開展缺陷演化三維成像表征，見圖3(a）；引入極值統(tǒng)計方法對三維成像試樣中的缺陷進行分析，獲取直接控制增材制件疲勞性能的臨界缺陷尺寸最小集，最終構(gòu)建出反映缺陷尺寸槡A(A為缺陷沿加載方向的投影面積）與疲勞極限Δσw的修正KT圖，見圖3(b)[11]。研究發(fā)現(xiàn)，尺寸小于30μm的缺陷對疲勞性能的影響可以忽略不計（能引起裂紋萌生但不會發(fā)展為主裂紋），基于三維原位成像的缺陷尺寸預(yù)測可靠度達83%以上。圖3 增材制造鋁合金加載時內(nèi)部缺陷演化及修正KT圖[11]
圖2 可同時開展原位拉伸、壓縮、旋轉(zhuǎn)彎曲以及低周和高周疲勞的材料試驗機針對增材制造鋁合金在高溫下的缺陷演化及其對疲勞損傷行為的影響，作者團隊采用自主研發(fā)的樣品環(huán)境裝置[12]，開展了高溫250℃和最大應(yīng)力σmax分別為95,105,110MPa條件下的疲勞失效規(guī)律研究。通過三維成像發(fā)現(xiàn)，在不同疲勞壽命（Nf=30 260,5 755,180周次）下，位于頸縮中心的內(nèi)部缺陷發(fā)生拉長、偏折和扭轉(zhuǎn)（見圖4），并最終導(dǎo)致材料失效。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]金屬3D打印技術(shù)在軌道交通裝備領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 祝弘濱,劉昱. 現(xiàn)代城市軌道交通. 2019(10)
[2]材料內(nèi)部全場力學(xué)參數(shù)精細測量技術(shù)與表征評價方法關(guān)鍵科學(xué)問題[J]. 亢一瀾,裴永茂,許峰,毛圣成,仇巍,詹世革,雷天剛,白坤朝. 中國科學(xué)基金. 2019(05)
[3]基于先進光源的內(nèi)部力學(xué)行為實驗研究進展[J]. 許峰,胡小方. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2018(09)
[4]鐵路工程中的3D打印:發(fā)展、挑戰(zhàn)和展望（英文）[J]. 郭云龍,井國慶,張輝. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新. 2017(04)
[5]中國高能同步輻射光源及其驗證裝置工程[J]. 姜曉明,王九慶,秦慶,董宇輝,盛偉繁,程健,徐剛,胡天斗,鄧虎,陳福三,龍鋒利,陸輝華,岳軍會,李春華,孫毅,陳錦暉,董海義,蔡泉,徐偉,李明,常廣才,鄭紅衛(wèi),陶冶,劉鵬,劉景,孫冬柏,黎剛,石泓,曹建社,譚園園. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2014(10)
[6]上海光源X射線成像及其應(yīng)用研究進展[J]. 肖體喬,謝紅蘭,鄧彪,杜國浩,陳榮昌. 光學(xué)學(xué)報. 2014(01)
[7]高分辨透射X射線三維成像在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J]. 王紹鋼,王蘇程,張磊. 金屬學(xué)報. 2013(08)
本文編號：3345937
【文章來源】：機械工程材料. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
電磁波譜及電磁波的基本應(yīng)用特性
基于上述研究共申請發(fā)明專利16項（授權(quán)8項，國際專利1項），開發(fā)試驗機控制軟件2套[9]，出版專著2部，以第一作者或通信作者發(fā)表SCI論文30余篇。自2017年起，作者團隊與WITHERS院士開展合作，率先基于同步輻射成像對增材制造鈦合金和鋁合金的缺陷行為進行探索，確立了基于修正Kitagawa-Takahashi圖（KT圖）的缺陷行為表征新思路[6,10]。此處，以飛機用功能結(jié)構(gòu)增材制造AlSi10Mg鋁合金為例，制備選區(qū)激光熔化鋁合金標準試樣，以內(nèi)部缺陷（主要是孔洞、未熔合）對疲勞性能的影響為切入點，在常規(guī)顯微組織、單軸力學(xué)性能、高周疲勞性能、裂紋擴展速率和門檻值試驗基礎(chǔ)上，提取疲勞斷口裂紋源區(qū)的缺陷特征并基于Murakami公式進行規(guī)則化，據(jù)此制備高分辨原位加載試樣并開展缺陷演化三維成像表征，見圖3(a）；引入極值統(tǒng)計方法對三維成像試樣中的缺陷進行分析，獲取直接控制增材制件疲勞性能的臨界缺陷尺寸最小集，最終構(gòu)建出反映缺陷尺寸槡A(A為缺陷沿加載方向的投影面積）與疲勞極限Δσw的修正KT圖，見圖3(b)[11]。研究發(fā)現(xiàn)，尺寸小于30μm的缺陷對疲勞性能的影響可以忽略不計（能引起裂紋萌生但不會發(fā)展為主裂紋），基于三維原位成像的缺陷尺寸預(yù)測可靠度達83%以上。圖3 增材制造鋁合金加載時內(nèi)部缺陷演化及修正KT圖[11]
圖2 可同時開展原位拉伸、壓縮、旋轉(zhuǎn)彎曲以及低周和高周疲勞的材料試驗機針對增材制造鋁合金在高溫下的缺陷演化及其對疲勞損傷行為的影響，作者團隊采用自主研發(fā)的樣品環(huán)境裝置[12]，開展了高溫250℃和最大應(yīng)力σmax分別為95,105,110MPa條件下的疲勞失效規(guī)律研究。通過三維成像發(fā)現(xiàn)，在不同疲勞壽命（Nf=30 260,5 755,180周次）下，位于頸縮中心的內(nèi)部缺陷發(fā)生拉長、偏折和扭轉(zhuǎn)（見圖4），并最終導(dǎo)致材料失效。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]金屬3D打印技術(shù)在軌道交通裝備領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 祝弘濱,劉昱. 現(xiàn)代城市軌道交通. 2019(10)
[2]材料內(nèi)部全場力學(xué)參數(shù)精細測量技術(shù)與表征評價方法關(guān)鍵科學(xué)問題[J]. 亢一瀾,裴永茂,許峰,毛圣成,仇巍,詹世革,雷天剛,白坤朝. 中國科學(xué)基金. 2019(05)
[3]基于先進光源的內(nèi)部力學(xué)行為實驗研究進展[J]. 許峰,胡小方. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2018(09)
[4]鐵路工程中的3D打印:發(fā)展、挑戰(zhàn)和展望（英文）[J]. 郭云龍,井國慶,張輝. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新. 2017(04)
[5]中國高能同步輻射光源及其驗證裝置工程[J]. 姜曉明,王九慶,秦慶,董宇輝,盛偉繁,程健,徐剛,胡天斗,鄧虎,陳福三,龍鋒利,陸輝華,岳軍會,李春華,孫毅,陳錦暉,董海義,蔡泉,徐偉,李明,常廣才,鄭紅衛(wèi),陶冶,劉鵬,劉景,孫冬柏,黎剛,石泓,曹建社,譚園園. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2014(10)
[6]上海光源X射線成像及其應(yīng)用研究進展[J]. 肖體喬,謝紅蘭,鄧彪,杜國浩,陳榮昌. 光學(xué)學(xué)報. 2014(01)
[7]高分辨透射X射線三維成像在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J]. 王紹鋼,王蘇程,張磊. 金屬學(xué)報. 2013(08)
本文編號：3345937
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