光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的出現(xiàn)，使得材料微觀組織、結(jié)構(gòu)及失效機(jī)制的認(rèn)知和研究得到了極大的發(fā)展。2D顯微成像有時(shí)候并不能準(zhǔn)確展示樣品的真實(shí)結(jié)構(gòu)，因此，3D甚至4D(3D+時(shí)間)顯微表征技術(shù)越來越受到人們的重視。然而，絕大多數(shù)3D表征技術(shù)要求對樣品進(jìn)行切割或破壞，無法實(shí)現(xiàn)對完整樣品進(jìn)行原位觀察。
蔡司三維X射線顯微鏡(XRM)(點(diǎn)擊查看)由于其獨(dú)特幾何和光學(xué)二級放大架構(gòu)，可以實(shí)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(jī)械載荷、溫度、化學(xué)環(huán)境、氣體和流體環(huán)境等)影響下的微觀結(jié)構(gòu)變成可能。
▲蔡司X射線顯微鏡搭載Deben原位實(shí)驗(yàn)裝置為材料分析提供4D解決方案
金屬材料的延性斷裂失效涉及多種損傷機(jī)制之間的協(xié)作及競爭，包括微孔的形核、擴(kuò)展和貫通失效;沿一個(gè)或多個(gè)平面的剪切;頸縮或由奧羅萬交替滑移(OAS)導(dǎo)致的中心棱柱狀孔洞的增長等。原位4D成像技術(shù)為金屬材料損傷機(jī)制的研究提供直觀可靠的手段。
鎂合金是目前世界上實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，和鋼及鋁相比，具有高的比強(qiáng)度，但是其室溫性能通常較差，這主要與其可開動(dòng)的滑移系較少有關(guān)。鎂合金的失效通常會(huì)出現(xiàn)剪切帶，同時(shí)也會(huì)伴隨著微孔的形核、擴(kuò)展以及聚集。澳大利亞迪肯大學(xué) Mohamadi Azghandi教授[1]等利用蔡司X射線顯微鏡并結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)對不同晶粒尺寸的ZA31鎂合金在原位拉伸時(shí)孔洞的3D特性及演變進(jìn)行深入研究。
結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸從60μm減小到3μm時(shí)，拉伸失效應(yīng)變增加了近3倍。晶粒細(xì)化導(dǎo)致孿晶減少，第二相處形成的孔洞比例增大，但是整體孔洞生長速度明顯減慢，孔洞體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變的演變速度也相對減慢。
研究還發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，當(dāng)孔洞體積百分比達(dá)到某一個(gè)臨界值的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)形成剪切帶，最終失效。細(xì)晶樣品中較低的孔洞增長率導(dǎo)致較高的應(yīng)變失效。對于粗晶樣品，在三維數(shù)據(jù)上可以明顯觀察到TD-ND平面上出現(xiàn)斜著的剪切帶;而細(xì)晶樣品上，類似的剪切帶則出現(xiàn)在TD-RD平面上。
高純銅的韌性斷裂機(jī)制之間的競爭對材料成分和載荷條件非常敏感，純度的細(xì)微變化可能會(huì)導(dǎo)致失效，這種失效可能是孔洞聚集合或者Orowan交替滑移(OAS)引起的。Li Xiaodong教授[2]等利用原位X射線顯微鏡技術(shù)對99.999%的純銅絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，從材料組成、局部損傷歷史和機(jī)制間的協(xié)作等方面討論了純銅拉伸失效的機(jī)理。
結(jié)果表明，試樣在斷裂過程涉及一系列的損傷事件，包括剪切局部化、微米級孔洞的增長以及聚集孔洞通過交替滑移擴(kuò)大失效之前形成中心大空腔等。這一分析表明，失效是以多機(jī)制協(xié)作而不是嚴(yán)格競爭的方式發(fā)生的。尤其是剪切帶上的應(yīng)變局部化促進(jìn)了孔洞形核并驅(qū)動(dòng)初始聚集，隨后會(huì)向OAS機(jī)制的過渡，而不是持續(xù)的孔洞合并。X射線原位4D成像可以記錄在樣品破壞過程的所有階段，包括孔洞合并及單個(gè)孔洞通過OAS增長現(xiàn)象，這表明不同機(jī)制之間的過渡對局部損傷特征敏感，并且可以通過與其他損傷機(jī)制的協(xié)作來改變。
