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材料学报：原位4D揭示金属材料的韧性断裂破坏机理

来源：时间：2022-10-24 16:33:41 浏览：3208次

光学显微镜和电子显微镜的出现，使得材料微观组织、结构及失效机制的认知和研究得到了极大的发展。2D显微成像有时候并不能准确展示样品的真实结构，因此，3D甚至4D(3D+时间)显微表征技术越来越受到人们的重视。然而，绝大多数3D表征技术要求对样品进行切割或破坏，无法实现对完整样品进行原位观察。

三维X射线显微镜(XRM)由于其独特几何和光学二级放大架构，可以实现“大工作距离高分辨成像(RaaD)”，使测量和量化同一样品在不同外部因素(如机械载荷、温度、化学环境、气体和流体环境等)影响下的微观结构变成可能。

▲配备Deben原位实验装置的Zeiss X射线显微镜为材料分析提供4D解决方案

金属材料的韧性断裂破坏涉及多种破坏机制之间的协作和竞争，包括微孔的成核，膨胀和穿透破坏。沿一个或多个平面剪切；颈缩或Orowan（OAS）交替滑动导致中央棱柱形孔的生长等。原位4D成像技术为研究金属材料的损伤机理提供了一种直观而可靠的方法。

01 材料学报：镁合金分析

镁合金是目前世界上实际应用中最轻的金属结构材料。与钢和铝相比，它具有较高的比强度，但其室温性能通常较差。这主要与以下事实有关：可以激活的滑套系统更少。镁合金的失效通常发生在剪切带，以及微孔的成核，膨胀和聚集。澳大利亚迪肯大学的Mohamadi Azghandi教授^[1]等人使用Zeiss X射线显微镜和数字图像相关技术（DIC）对不同晶粒尺寸的ZA31镁合金在烧结过程中的3D特征和孔演化进行了深入研究。原位拉伸。

结果表明，当晶粒尺寸从60μm减小到3μm时，拉伸破坏应变将增加近3倍。晶粒细化导致孪晶的减少，并且在第二相形成的孔的比例增加，但是总的孔生长速度显着减慢，并且孔体积分数随应变的演化速度相对较慢。

研究还发现，随着应变的增加，当空隙体积百分比达到一定的临界值时，它将触发剪切带的形成并最终失效。细粒样品中空洞的增长率较低，导致应变失败的可能性更高。对于粗颗粒样品，在三维数据上可以清楚地观察到TD-ND平面上的倾斜剪切带。而对于细颗粒样品，在TD-RD平面上会出现类似的剪切带。

02 材料学报：高纯铜延性断裂机理的原位研究

高纯度铜的韧性断裂机理之间的竞争对材料成分和载荷条件非常敏感。纯度略有变化可能会导致故障。此故障可能是由于孔的聚集或Orowan备用滑移（OAS）引起的。李晓东教授[2]等。运用原位X射线显微镜技术对99.999％的纯铜线进行了拉伸试验，从材料组成，局部损伤历史以及机理之间的协作等方面探讨了纯铜拉伸失效的机理。

结果表明，试样的断裂过程涉及一系列损伤事件，包括剪切局部化，微米级孔的生长以及在聚集的孔通过交替的滑动膨胀而失效之前形成大的中心腔。该分析表明，失败是在多机制协作中发生的，而不是严格的竞争。特别是，应变在剪切带上的局部化会促进孔隙的成核并驱动初始聚集，然后聚集会转变为OAS机制，而不是连续合并孔隙。X射线原位4D成像可以记录样品破坏过程的所有阶段，包括通过OAS进行的孔合并和单孔生长，这表明不同机制之间的过渡对局部破坏特征敏感，并且可以与其他破坏机制进行协调，改变。

03 更多应用程序扩展

除文献中提到的镁合金和铜外，蔡思军还对铝合金和镍基合金进行了相关的原位表征。通过原位拉伸实验，观察不同变形下孔隙的分布和演化特征。结合三维可视化软件，分析不同机械状态下孔的体积百分比，以及孔长径比的特征。