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  • X射線機斷層掃描有色金屬材料的非均質性

    X射線計算機斷層掃描有色金屬材料的非均質性

    總結:
    如石墨析出物的非均質性和空隙在鑄鐵和鋼材使用工業微焦點X射線計算機斷層掃描(μXCT)調查的勵磁電壓為225千伏的空間分辨率的最小單位是(5微米)第三鑄鐵和破解的空間分布的球狀石墨的石墨顆粒> 30微米的鑄鐵(GJS)量化和3維顯示其表面積累。通過分配到微裂紋和斷裂表面的三維表示被檢測到,使裂紋擴展的結論。的重建的拓撲結構的斷裂面的μXCT數據進行比較,與掃描電子顯微Fraktographien的。在鋼的表面或近表面的裂紋的示例中分配的空間分辨率的可見性和描述的體素的大小的功能。

    關鍵詞:計算機斷層掃描,探測,鑄鐵,空洞,石墨,裂紋擴展,疲勞。

    1引言
    鑄鐵與球墨鑄鐵沉淀(GJS)了解到最近增加的增長率[1]。輕金屬,有色金屬材料對高密度的缺點所抵消增加的疲勞強度,屈服強度,韌性,和GGG的阻尼能力。 GJS用于高性能懸掛和發動機零部件[2]。 GJS的材料性質,除了基體組織(鐵素體/珠光體),由凝固的石墨結構的空隙(類型,數量,尺寸和分布)確定的[1]。由于石墨的堆積密度是約6.3的基本結構的密度,石墨顆粒的X射線吸收系數,從一個特定的顆粒大小可以被量化在顯微成像(μXCT)得到的數據的情況下提供足夠的差異。除了此定量示出,低于可生成具有黑色金屬材料的特性的CT數據的附加信息。一個可靠的表征與μXCT非均質性,需要相應的高能見度的CT數據。對于測量的分辨率是相應的系統具有足夠小的源的輻射和穩定的測量條件,測量參數,一個合適的試樣的幾何形狀和適當的評價方法的選擇是至關重要的。識別,這是它的細節,非均質性的Detektierbarkeitsgrenze提高,異質性和基體的空間分辨率更小的吸收系數之間的差異越大(體素大?。┍贿x中。體素大小不能減少,但主要限于由焦斑的X射線管的最小尺寸,試樣和檢測器像素的幾何布置。的檢測范圍進行計算功能的體素的大小,以確保測量鐵料與的μXCT系統使用氫誘導的表面或近表面裂紋的在冷軋鋼樣品中的例子中的質量和可靠性要求。

    2樣品的說明
    球墨鑄鐵的特征的結構特征幾乎完全被排泄在大致球狀的碳形式,稱為結節性。的球面的形狀是通過特殊的熔融處理。相比,石墨鑄鐵中的其他形式的球形,在這些粒子的應力強度降低和增加的韌性和較高的強度[3]。個別的石墨顆粒的平均直徑應不超過60微米。[4]顆粒> 60微米的機械性能產生不利影響。 GJS 500個樣本,破拉伸試樣A和樣品B是疲勞,列于表1。甲氫致開裂:氫致裂紋(HIC)是一個內部的解理斷裂與反
    和/或晶間當然,這是造成的氫原子的擴散,優選積聚在其內的空隙結構,H2分子重組。這將導致在一個高的內部壓力積聚,內部裂紋加寬[5]。這些裂縫超過一定的規模,所以他們檢測,超聲波及分布的裂紋發起夾雜物等缺陷允許結論。以這種方式HIC裂紋的空間位置的定位在軋制結構鋼樣品和樣品C(見表1),切下直徑為約4×4平方毫米的CT掃描這樣的裂紋從表面到運行深。

    3實驗
    的μXCT在這里描述的測量與的系統Rayscan 250XE 225千伏微聚焦管的Viscom公司Wälischmiller進行。 [6]中提出的測量原理和技術規格。表1示出用于每個樣品的地方​​決議列出的測量參數。

    Probe A Probenquerschnitt [mm2] Ø 4,1 Röhren-spannung 152 kV Röhren-strom 64 µA Integrationszeit 4 s Filterung [mm Cu] 0,15 Örtl. Auflösung (Voxelgröße) (5,0 µm)3
    Probe B min 4,0 × 6,0 171 kV 53 µA 4 s 0,3 (8,6 µm)3
    Probe C 4,0 × 4,0 210 kV 210 kV 220 kV 220 kV 32 µA 45 µA 70 µA 130 µA 4 s 4 s 2 s 1 s 0,3 0,3 0,3 0,3 (5,0 µm)3 (8,0 µm)3 (16,0 µm)3 (32,0 µm)3


    表1樣品的說明和參數的斷層圖像。

    所有的測量都是預計每轉900 X光片,進行束硬化。使用CT MAX VGStudio 1.2.1程序執行的數據的評價。
    4結果與討論

    4.1內在裂紋和石墨線500 GJS
    的CT測量顯示Graphitsphärolithen,未來幾年裂紋和空隙。在圖1a中,除了所說的石墨顆粒大于30微米的CT片,這樣一個計劃被選擇。這個計劃和相鄰的石墨顆粒視覺分割和3D顯示。你可能會發現,裂縫和裂紋限制在其縱向延伸的邊緣被發現在一個特別大的石墨顆粒。這表明該Graphitsphärolithen抑制裂紋的擴展,但然后指定路徑計劃“中,由于裂紋集中在石墨結節入射。在進一步的步驟中,顆粒分割成等效球體直徑大于30微米。石墨的含量是用12至14%(體積)的分割方法的函數。在圖1b中所示的大小的直方圖。一個認識評估最小的石墨顆粒最大。約。 40%大于60微米,因此,屬于第5類,表示質量的惡化。在60和85微米之間的區域,一個小的第二最大觀察。

    圖片1 GJS 500樣品A:一)縱向CT切片圖像的石墨顆粒和一個分段的裂紋的放大的三維視圖,并在相鄰的石墨顆粒(暗),b)條的大小的直方圖的分段的石墨顆粒的體積約40立方毫米。

    正如已經顯示出在[6,7]的基礎上金相分析,X線攝影和體層攝影術,偶爾幾個較大的石墨顆粒的GGG的一個線性陣列。在圖2a中標記為這樣的“石墨線”CT切片圖像。最明顯的分割線,半透明顯示在圖2c。為了關聯與斷裂表面,在圖2b中相應的3-D表面模型與三腔,在斷裂面,顯示的外觀。此運行的線B的正下方的斷裂的斷裂面大致平行。該計劃主要是內鐵素體 - 珠光體結構。所識別的顯微照片石墨線被切斷,拉伸軸傾斜的平面狀的石墨簇。

    圖片2 GJS 500石墨分布在樣品A:A)橫向CT切片圖像與所選行A,B)3DOberflächenmodell帶標記的三腔,C),半透明的三維表示,一些“石墨線”(A線圖2a)。
    4.2疲勞試驗GJS 500
    基于上的疲勞裂縫的樣品B的結果表明,由于表面拓撲結構的CT數據,可以區分不同的斷裂機理。有在圖3的SEM斷口和CT表面模型進行比較。一個認識,但是,在該地區的一個相對平穩的斷裂面的振動骨折破裂力變形蜂窩識別與石墨球在長草區。由于功率在Graphitteilchendichte破裂帶基本上是高于在疲勞斷裂區,可以得出結論,有延伸的石墨顆粒的裂紋沿。

    圖片3韌性斷裂的樣品500的表面,B和疲勞斷裂力之間的過渡)SEM斷口,B)的斷裂面顯示的CT數據的等值面。

    圖4a示出了微腔#1(約150微米長)在樣品的邊緣,這是疲勞裂紋的起點。評價進行的出之前的疲勞試驗μXCT記錄顯示在圖4b中示出的灰度值分布在其中的空隙會出現只有稍微放大比的石墨顆粒的圖像切片的細節,作為與第2所示的石墨粒子的對比度的比較。因為小的寬度的開口Lunkers(<50微米),灰度值的石墨顆粒的強度的強度不能區分。只能由的空間Ausdehung,提供石墨相似的對比簇的這種Mikrolunkers檢測是可能的。獨特的Mikrolunkererkennung的似乎有可能只腔開口寬度大于50微米。

    圖4:斷裂表面的細節疲勞裂紋引發微腔:一)掃描電鏡斷口,b)CT部分圖像的完整的樣品(旋轉90°)與一個灰度值檔案中的站點Lunkers#1和#2的石墨顆粒的

    4.3氫致開裂鋼樣
    在該區域周圍的裂紋,特別是在界面上的鐵素體 - 珠光體組織的CT測量與體素大?。?微米)3樣品C中任何明顯的異質性> 20微米的確定。氫的壓力已展開的裂縫,因此,它在成像可見。在圖5a中,用硝酸蝕刻的光鏡顯微照片,示出裂紋的幾何形狀。該裂紋具有一長度為290微米,最大裂縫寬度約8微米的地面平面。圖5b-D顯示的CT切片圖像的裂紋的深度為100微米以下的地面測量與不同的體素的體積。

    HIC裂紋(一)CT切片圖像的深度為100微米,BD)與體素的體積(5)3,(8)和3(16)³立方毫米金相顯微照片比較。
    (5微米)3體素的大小,裂紋清晰可見。而增加的體素的大小和幾何形狀的變形越明顯的可見性變差。為了檢測定量計算出的灰度值的配置文件[8],在完全一樣的深度的確認。的矩陣(GWMatrix)的平均灰度值被歸一化為1,跨越不同的體素的體積的相對灰度值繪制測量圖6a中的裂紋長度為200微米。從這些公司中的灰度值的對比│Ķ│=│GWRiss是 - GWMatrix│/計算GWMatrix:繪制在圖6b中的各體素的大小和內插中的曲線的指數函數的形式。這種關系從隨體素的大小,對比度降低的指數。假設5-10%,體素大?。?5微米)³計劃的對比度變化的異質性的識別仍然檢測到的。如此被高估的邊緣處測量裂縫寬度的1體素體素2。裂紋長度被低估時,裂縫的寬度小于1體素。

    對比度探測HIC裂紋的評價:1)在不同的體素大小的灰度值的檔案,二)作為一個函數的體素大小的裂紋的可探測性的視圖內插的指數函數。

    5結論及摘要“
    石墨分離> 30微米的結節性與所使用的直徑為4毫米的樣品的X射線計算機斷層掃描定量測定。 3DAnalyse這些顆粒的數量分布來才能確定。集群已經確定,在這些樣品中,檢測到的形式石墨Metallographien線的運行表面。的頻率和位置的質量減少石墨顆粒> 60微米才能確定。此外,微腔的取值范圍為> 30微米的立體成像。兩個數量級更高的分辨率來實現,通過使用聚焦離子束(FIB)取得的體層攝影術[9],但分析體積只有約3×10-5毫米3。 ⅓一個體素的寬度裂縫是可識別的。然而,對于精確的測量,體素大小應小于裂縫寬度。從分配的裂紋的幾何形狀和裂紋擴展的石墨顆粒的斷裂表面是3維重建:結束石墨結節,微裂紋,斷裂表面石墨簇,沿所說的石墨顆粒之間暴力和疲勞裂紋斷裂路徑的差異。的μXCT可以提供證據,鑄鐵和有色金屬材料的裂紋擴展的凝固過程。 μXCT可以用來研究鑄造機械負荷期間的經營和傷害。
    致謝

    該項目是“FH加上”財政支持計劃內的護衛艦。作者要感謝公司喬治費歇爾鑄鐵奧鋼聯鋼鐵有限公司提供樣品。凱瑟琳Verdu的(Mateis /里昂INSA)GJS和基督教Zaruba的(涂維也納)的疲勞試驗斷口的調查表示感謝。

    證書

    [1]·伯恩斯,W. Theisen,'鐵材料,鋼材和鑄鐵',3施普林格出版社版,2006年海德堡,柏林。
    [2] W. MENK前景底盤件,鑄鐵仍然在汽車行業“的替代品,鑄造,ISSN 0016-9765,發行5/2005,頁66-67。
    [3] H.-J. Bargel,G.舒爾茨,“材料科學',8施普林格出版社版,2004年海德堡,柏林。
    [4] VDG P441,杜塞爾多夫,1962年9月。
    [5] E.溫德勒Kalsch·菲利皮,“腐蝕失效分析”,1998年,施普林格出版社柏林海德堡,第496-500頁。
    [6] B.哈勒,J.卡斯特納,A. Kottar H.P.金屬鐵材料的不均勻性使用三維X射線計算機斷層掃描,演講Degischer表征:ECNDT 2007年年度會議,菲爾特/德國,2007年5月14日 - 2007年5月16日,在:“無損檢測的研究,開發和應用。”德國學會無損檢測協會(2007年),國際標準書號:978-3-931381-98-1紙張沒有。 94,共11頁。
    [7]托米奇,B.哈勒A. Kottar H.P. degischer,L. Zeipper,J.Kastner“的在球墨鑄鐵,DGM信息的soc Sbd.38 Prakt.Metallographie,法蘭克福,2006年,第113-120頁中的石墨分布特性。
    [8]·艾文,“現代成像,Georg THIEME的出版社,斯圖加特,1998年。
    [9] A.Velichko C.Holzapfel,F.Mücklich,Adv.Eng.Mat,2007年,9日,第39頁第45
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