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名古屋大學(xué)足立教授，使用全自動逐層切片成像系統(tǒng)（Genus_3D）,對鐵素體-珠光體鋼中微裂紋的斷裂起始位置進行了研究。

首先利用全自動逐層切片成像技術(shù)對微裂紋與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行了三維觀察。采用硝酸腐蝕前后兩種顯微照片，分別獲得微裂紋和微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像。兩幅三維圖像疊加后發(fā)現(xiàn)，鐵素體-珠光體邊界處出現(xiàn)微裂紋，并擴展到珠光體晶粒內(nèi)。

實驗用材料的獲取：用缺口試樣進行拉伸試驗

選取對應(yīng)的材料，進行拉伸實驗。實驗溫度為-120℃，加載速率為2mm/min。確定了應(yīng)變片的位移，使最小截面處的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.7，因為在不破壞試樣的情況下產(chǎn)生微裂紋是必要的。該條件是由考慮軸向和平面對稱的有限元模型的彈塑性有限元分析初步確定的。

圖1.缺口試樣的有限元網(wǎng)格

圖2.通過有限元分析(-120°C)得到試件的等效塑性應(yīng)變和變形。

當?shù)刃苄詰?yīng)變達到0.7時，荷載釋放。將試件沿軸線方向切割，在試件中心產(chǎn)生一個10mm長的觀測試樣。

三維逐層切片觀察

三維逐層切片觀察步驟

拉伸試驗結(jié)束后，采用三維逐層切片觀察技術(shù)對試件的微裂紋進行了測量。用的是Genus_3D，是一種全自動的逐層切片成像設(shè)備(圖3所示)。在逐層切片過程中，用1%硝酸浸蝕試樣，并分別對腐蝕前和腐蝕后的試樣進行拍照。在下面的描述中，對未蝕刻表面和蝕刻表面的觀察分別稱為觀察(1)和觀察(2)。圖4為逐層切片過程流程圖。

圖3.Genus_3D的結(jié)構(gòu)

圖4.逐層切片流程圖

以0.745μm層厚拋光，共獲得175張光學(xué)顯微組織圖像的觀察(1)和觀察(2)的結(jié)果。視場大小為3190μm×2400μm,總共累計逐層切片深度為129.6μm。

使用三維重構(gòu)軟件，建立微裂紋和微觀組織的三維圖像。圖5顯示了構(gòu)建三維圖像的過程示意圖。利用觀察(1)得到的未蝕刻斷面圖像，構(gòu)建微裂紋的三維圖像。利用觀察(2)得到的蝕刻斷面圖像，構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像。這兩幅圖像都是首先清理，以消除拋光缺陷，孔洞和夾雜物。通過對觀測得到的逐層切片圖像進行提取，分別獨立構(gòu)建相應(yīng)的微裂紋三維圖像(1)，由于觀測精度的原因，無法獲得長度小于10μm的微裂紋。結(jié)果得到42條完整形狀的微裂紋作為三維圖像。另一方面，利用觀察得到的經(jīng)過清洗的序列切片圖像，直接構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像(2)。

為了明確微裂紋萌生部位，對微裂紋和微觀結(jié)構(gòu)進行了三維圖像疊加。圖6為珠光體微裂紋透視圖，圖5為三維結(jié)構(gòu)圖像橫截面上“E”的特寫。裂紋產(chǎn)生的原因是裂紋形成后的塑性變形。

三維疊加圖像結(jié)果表明，所有觀察到的微裂紋均形成于珠光體帶內(nèi)。觀察到的42條微裂紋中，有38條(90.5%)微裂紋穿過珠光體條帶。另外4條不穿過珠光體帶，但珠光體中所有的微裂紋均在鐵素體與珠光體邊界附近形成。結(jié)果表明，微裂紋從鐵素體-珠光體邊界處開始，并在珠光體晶粒內(nèi)部穩(wěn)定擴展。結(jié)果與傳統(tǒng)認識一致，即解理斷裂萌生過程的第一階段為珠光體晶粒剪切微裂紋形成階段，如圖2.3、27-30所示(I)。

圖5. 程序獲取三維圖像的微裂紋和微觀結(jié)構(gòu)。

圖6.珠光體微裂紋形成的透視

微裂紋的表征

圖7為微裂紋透視圖，與圖5、圖6為同一微裂紋。為了表征微裂紋，將微裂紋形狀近似為橢圓。被測橢圓的主軸分別為a和b，結(jié)果表明，a的分布與d接近，但在長度小于10μm的范圍內(nèi)，由于觀測精度的原因無法測量微裂紋。結(jié)果還表明，b分布在d和t之間。

圖7.微裂紋的透視及其橢圓近似

在微裂紋橢圓近似下，微裂紋主軸的分布與鐵素體晶粒直徑的分布較為接近，短軸的分布介于鐵素體晶粒直徑與珠光體帶厚之間。

在此基礎(chǔ)上，提出了珠光體晶粒為扁圓球體的微裂紋三維模型，定量地將鐵素體珠光體鋼的微觀結(jié)構(gòu)與斷裂應(yīng)力聯(lián)系起來。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的二維模型相比，三維模型修正后的斷裂應(yīng)力值降低了20-30%。預(yù)計的原因是,傳統(tǒng)的2d模型的準確性低于建議的3d模型，3d模型基于詳細的3d觀察,傳統(tǒng)的模型是基于簡化的2d微觀裂紋的假設(shè)三維微觀結(jié)構(gòu)。因此，我們可以在詳細的三維觀測的基礎(chǔ)上，為建立精確的斷裂韌性預(yù)測模型提供有價值的依據(jù)。