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材料學報：原位4D揭示金屬材料的韌性斷裂破壞機理

來源：時間：2022-10-24 16:33:41 瀏覽：2527次

光學顯微鏡和電子顯微鏡的出現(xiàn)，使得材料微觀組織、結(jié)構及失效機制的認知和研究得到了極大的發(fā)展。2D顯微成像有時候并不能準確展示樣品的真實結(jié)構，因此，3D甚至4D(3D+時間)顯微表征技術越來越受到人們的重視。然而，絕大多數(shù)3D表征技術要求對樣品進行切割或破壞，無法實現(xiàn)對完整樣品進行原位觀察。

三維X射線顯微鏡(XRM)由于其獨特幾何和光學二級放大架構，可以實現(xiàn)“大工作距離高分辨成像(RaaD)”，使測量和量化同一樣品在不同外部因素(如機械載荷、溫度、化學環(huán)境、氣體和流體環(huán)境等)影響下的微觀結(jié)構變成可能。

▲配備Deben原位實驗裝置的Zeiss X射線顯微鏡為材料分析提供4D解決方案

金屬材料的韌性斷裂破壞涉及多種破壞機制之間的協(xié)作和競爭，包括微孔的成核，膨脹和穿透破壞。沿一個或多個平面剪切；頸縮或Orowan（OAS）交替滑動導致中央棱柱形孔的生長等。原位4D成像技術為研究金屬材料的損傷機理提供了一種直觀而可靠的方法。

01 材料學報：鎂合金分析

鎂合金是目前世界上實際應用中最輕的金屬結(jié)構材料。與鋼和鋁相比，它具有較高的比強度，但其室溫性能通常較差。這主要與以下事實有關：可以激活的滑套系統(tǒng)更少。鎂合金的失效通常發(fā)生在剪切帶，以及微孔的成核，膨脹和聚集。澳大利亞迪肯大學的Mohamadi Azghandi教授^[1]等人使用Zeiss X射線顯微鏡和數(shù)字圖像相關技術（DIC）對不同晶粒尺寸的ZA31鎂合金在燒結(jié)過程中的3D特征和孔演化進行了深入研究。原位拉伸。

結(jié)果表明，當晶粒尺寸從60μm減小到3μm時，拉伸破壞應變將增加近3倍。晶粒細化導致孿晶的減少，并且在第二相形成的孔的比例增加，但是總的孔生長速度顯著減慢，并且孔體積分數(shù)隨應變的演化速度相對較慢。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著應變的增加，當空隙體積百分比達到一定的臨界值時，它將觸發(fā)剪切帶的形成并最終失效。細粒樣品中空洞的增長率較低，導致應變失敗的可能性更高。對于粗顆粒樣品，在三維數(shù)據(jù)上可以清楚地觀察到TD-ND平面上的傾斜剪切帶。而對于細顆粒樣品，在TD-RD平面上會出現(xiàn)類似的剪切帶。

02 材料學報：高純銅延性斷裂機理的原位研究

高純度銅的韌性斷裂機理之間的競爭對材料成分和載荷條件非常敏感。純度略有變化可能會導致故障。此故障可能是由于孔的聚集或Orowan備用滑移（OAS）引起的。李曉東教授[2]等。運用原位X射線顯微鏡技術對99.999％的純銅線進行了拉伸試驗，從材料組成，局部損傷歷史以及機理之間的協(xié)作等方面探討了純銅拉伸失效的機理。

結(jié)果表明，試樣的斷裂過程涉及一系列損傷事件，包括剪切局部化，微米級孔的生長以及在聚集的孔通過交替的滑動膨脹而失效之前形成大的中心腔。該分析表明，失敗是在多機制協(xié)作中發(fā)生的，而不是嚴格的競爭。特別是，應變在剪切帶上的局部化會促進孔隙的成核并驅(qū)動初始聚集，然后聚集會轉(zhuǎn)變?yōu)镺AS機制，而不是連續(xù)合并孔隙。X射線原位4D成像可以記錄樣品破壞過程的所有階段，包括通過OAS進行的孔合并和單孔生長，這表明不同機制之間的過渡對局部破壞特征敏感，并且可以與其他破壞機制進行協(xié)調(diào)，改變。

03 更多應用程序擴展

除文獻中提到的鎂合金和銅外，蔡思軍還對鋁合金和鎳基合金進行了相關的原位表征。通過原位拉伸實驗，觀察不同變形下孔隙的分布和演化特征。結(jié)合三維可視化軟件，分析不同機械狀態(tài)下孔的體積百分比，以及孔長徑比的特征。