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    X射线机断层扫描有色金属材料的非均质性

    X射线计算机断层扫描有色金属材料的非均质性

    总结:
    如石墨析出物的非均质性和空隙在铸铁和钢材使用工业微焦点X射线计算机断层扫描(μXCT)调查的励磁电压为225千伏的空间分辨率的最小单位是(5微米)第三铸铁和破解的空间分布的球状石墨的石墨颗粒> 30微米的铸铁(GJS)量化和3维显示其表面积累。通过分配到微裂纹和断裂表面的三维表示被检测到,使裂纹扩展的结论。的重建的拓扑结构的断裂面的μXCT数据进行比较,与扫描电子显微Fraktographien的。在钢的表面或近表面的裂纹的示例中分配的空间分辨率的可见性和描述的体素的大小的功能。

    关键词:计算机断层扫描,探测,铸铁,空洞,石墨,裂纹扩展,疲劳。

    1引言
    铸铁与球墨铸铁沉淀(GJS)了解到最近增加的增长率[1]。轻金属,有色金属材料对高密度的缺点所抵消增加的疲劳强度,屈服强度,韧性,和GGG的阻尼能力。 GJS用于高性能悬挂和发动机零部件[2]。 GJS的材料性质,除了基体组织(铁素体/珠光体),由凝固的石墨结构的空隙(类型,数量,尺寸和分布)确定的[1]。由于石墨的堆积密度是约6.3的基本结构的密度,石墨颗粒的X射线吸收系数,从一个特定的颗粒大小可以被量化在显微成像(μXCT)得到的数据的情况下提供足够的差异。除了此定量示出,低于可生成具有黑色金属材料的特性的CT数据的附加信息。一个可靠的表征与μXCT非均质性,需要相应的高能见度的CT数据。对于测量的分辨率是相应的系统具有足够小的源的辐射和稳定的测量条件,测量参数,一个合适的试样的几何形状和适当的评价方法的选择是至关重要的。识别,这是它的细节,非均质性的Detektierbarkeitsgrenze提高,异质性和基体的空间分辨率更小的吸收系数之间的差异越大(体素大?。┍谎≈?。体素大小不能减少,但主要限于由焦斑的X射线管的最小尺寸,试样和检测器像素的几何布置。的检测范围进行计算功能的体素的大小,以确保测量铁料与的μXCT系统使用氢诱导的表面或近表面裂纹的在冷轧钢样品中的例子中的质量和可靠性要求。

    2样品的说明
    球墨铸铁的特征的结构特征几乎完全被排泄在大致球状的碳形式,称为结节性。的球面的形状是通过特殊的熔融处理。相比,石墨铸铁中的其他形式的球形,在这些粒子的应力强度降低和增加的韧性和较高的强度[3]。个别的石墨颗粒的平均直径应不超过60微米。[4]颗粒> 60微米的机械性能产生不利影响。 GJS 500个样本,破拉伸试样A和样品B是疲劳,列于表1。甲氢致开裂:氢致裂纹(HIC)是一个内部的解理断裂与反
    和/或晶间当然,这是造成的氢原子的扩散,优选积聚在其内的空隙结构,H2分子重组。这将导致在一个高的内部压力积聚,内部裂纹加宽[5]。这些裂缝超过一定的规模,所以他们检测,超声波及分布的裂纹发起夹杂物等缺陷允许结论。以这种方式HIC裂纹的空间位置的定位在轧制结构钢样品和样品C(见表1),切下直径为约4×4平方毫米的CT扫描这样的裂纹从表面到运行深。

    3实验
    的μXCT在这里描述的测量与的系统Rayscan 250XE 225千伏微聚焦管的Viscom公司Wälischmiller进行。 [6]中提出的测量原理和技术规格。表1示出用于每个样品的地方​​决议列出的测量参数。

    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样品的说明和参数的断层图像。

    所有的测量都是预计每转900 X光片,进行束硬化。使用CT MAX VGStudio 1.2.1程序执行的数据的评价。
    4结果与讨论

    4.1内在裂纹和石墨线500 GJS
    的CT测量显示Graphitsphärolithen,未来几年裂纹和空隙。在图1a中,除了所说的石墨颗粒大于30微米的CT片,这样一个计划被选择。这个计划和相邻的石墨颗粒视觉分割和3D显示。你可能会发现,裂缝和裂纹限制在其纵向延伸的边缘被发现在一个特别大的石墨颗粒。这表明该Graphitsphärolithen抑制裂纹的扩展,但然后指定路径计划“中,由于裂纹集中在石墨结节入射。在进一步的步骤中,颗粒分割成等效球体直径大于30微米。石墨的含量是用12至14%(体积)的分割方法的函数。在图1b中所示的大小的直方图。一个认识评估最小的石墨颗粒最大。约。 40%大于60微米,因此,属于第5类,表示质量的恶化。在60和85微米之间的区域,一个小的第二最大观察。

    图片1 GJS 500样品A:一)纵向CT切片图像的石墨颗粒和一个分段的裂纹的放大的三维视图,并在相邻的石墨颗粒(暗),b)条的大小的直方图的分段的石墨颗粒的体积约40立方毫米。

    正如已经显示出在[6,7]的基础上金相分析,X线摄影和体层摄影术,偶尔几个较大的石墨颗粒的GGG的一个线性阵列。在图2a中标记为这样的“石墨线”CT切片图像。最明显的分割线,半透明显示在图2c。为了关联与断裂表面,在图2b中相应的3-D表面模型与三腔,在断裂面,显示的外观。此运行的线B的正下方的断裂的断裂面大致平行。该计划主要是内铁素体 - 珠光体结构。所识别的显微照片石墨线被切断,拉伸轴倾斜的平面状的石墨簇。

    图片2 GJS 500石墨分布在样品A:A)横向CT切片图像与所选行A,B)3DOberflächenmodell带标记的三腔,C),半透明的三维表示,一些“石墨线”(A线图2a)。
    4.2疲劳试验GJS 500
    基于上的疲劳裂缝的样品B的结果表明,由于表面拓扑结构的CT数据,可以区分不同的断裂机理。有在图3的SEM断口和CT表面模型进行比较。一个认识,但是,在该地区的一个相对平稳的断裂面的振动骨折破裂力变形蜂窝识别与石墨球在长草区。由于功率在Graphitteilchendichte破裂带基本上是高于在疲劳断裂区,可以得出结论,有延伸的石墨颗粒的裂纹沿。

    图片3韧性断裂的样品500的表面,B和疲劳断裂力之间的过渡)SEM断口,B)的断裂面显示的CT数据的等值面。

    图4a示出了微腔#1(约150微米长)在样品的边缘,这是疲劳裂纹的起点。评价进行的出之前的疲劳试验μXCT记录显示在图4b中示出的灰度值分布在其中的空隙会出现只有稍微放大比的石墨颗粒的图像切片的细节,作为与第2所示的石墨粒子的对比度的比较。因为小的宽度的开口Lunkers(<50微米),灰度值的石墨颗粒的强度的强度不能区分。只能由的空间Ausdehung,提供石墨相似的对比簇的这种Mikrolunkers检测是可能的。独特的Mikrolunkererkennung的似乎有可能只腔开口宽度大于50微米。

    图4:断裂表面的细节疲劳裂纹引发微腔:一)扫描电镜断口,b)CT部分图像的完整的样品(旋转90°)与一个灰度值档案中的站点Lunkers#1和#2的石墨颗粒的

    4.3氢致开裂钢样
    在该区域周围的裂纹,特别是在界面上的铁素体 - 珠光体组织的CT测量与体素大?。?微米)3样品C中任何明显的异质性> 20微米的确定。氢的压力已展开的裂缝,因此,它在成像可见。在图5a中,用硝酸蚀刻的光镜显微照片,示出裂纹的几何形状。该裂纹具有一长度为290微米,最大裂缝宽度约8微米的地面平面。图5b-D显示的CT切片图像的裂纹的深度为100微米以下的地面测量与不同的体素的体积。

    HIC裂纹(一)CT切片图像的深度为100微米,BD)与体素的体积(5)3,(8)和3(16)³立方毫米金相显微照片比较。
    (5微米)3体素的大小,裂纹清晰可见。而增加的体素的大小和几何形状的变形越明显的可见性变差。为了检测定量计算出的灰度值的配置文件[8],在完全一样的深度的确认。的矩阵(GWMatrix)的平均灰度值被归一化为1,跨越不同的体素的体积的相对灰度值绘制测量图6a中的裂纹长度为200微米。从这些公司中的灰度值的对比│Ķ│=│GWRiss是 - GWMatrix│/计算GWMatrix:绘制在图6b中的各体素的大小和内插中的曲线的指数函数的形式。这种关系从随体素的大小,对比度降低的指数。假设5-10%,体素大?。?5微米)³计划的对比度变化的异质性的识别仍然检测到的。如此被高估的边缘处测量裂缝宽度的1体素体素2。裂纹长度被低估时,裂缝的宽度小于1体素。

    对比度探测HIC裂纹的评价:1)在不同的体素大小的灰度值的档案,二)作为一个函数的体素大小的裂纹的可探测性的视图内插的指数函数。

    5结论及摘要“
    石墨分离> 30微米的结节性与所使用的直径为4毫米的样品的X射线计算机断层扫描定量测定。 3DAnalyse这些颗粒的数量分布来才能确定。集群已经确定,在这些样品中,检测到的形式石墨Metallographien线的运行表面。的频率和位置的质量减少石墨颗粒> 60微米才能确定。此外,微腔的取值范围为> 30微米的立体成像。两个数量级更高的分辨率来实现,通过使用聚焦离子束(FIB)取得的体层摄影术[9],但分析体积只有约3×10-5毫米3。 ⅓一个体素的宽度裂缝是可识别的。然而,对于精确的测量,体素大小应小于裂缝宽度。从分配的裂纹的几何形状和裂纹扩展的石墨颗粒的断裂表面是3维重建:结束石墨结节,微裂纹,断裂表面石墨簇,沿所说的石墨颗粒之间暴力和疲劳裂纹断裂路径的差异。的μXCT可以提供证据,铸铁和有色金属材料的裂纹扩展的凝固过程。 μXCT可以用来研究铸造机械负荷期间的经营和伤害。
    致谢

    该项目是“FH加上”财政支持计划内的护卫舰。作者要感谢公司乔治费歇尔铸铁奥钢联钢铁有限公司提供样品??誚erdu的(Mateis /里昂INSA)GJS和基督教Zaruba的(涂维也纳)的疲劳试验断口的调查表示感谢。

    证书

    [1]·伯恩斯,W. Theisen,'铁材料,钢材和铸铁',3施普林格出版社版,2006年海德堡,柏林。
    [2] W. MENK前景底盘件,铸铁仍然在汽车行业“的替代品,铸造,ISSN 0016-9765,发行5/2005,页66-67。
    [3] H.-J. Bargel,G.舒尔茨,“材料科学',8施普林格出版社版,2004年海德堡,柏林。
    [4] VDG P441,杜塞尔多夫,1962年9月。
    [5] E.温德勒Kalsch·菲利皮,“腐蚀失效分析”,1998年,施普林格出版社柏林海德堡,第496-500页。
    [6] B.哈勒,J.卡斯特纳,A. Kottar H.P.金属铁材料的不均匀性使用三维X射线计算机断层扫描,演讲Degischer表征:ECNDT 2007年年度会议,菲尔特/德国,2007年5月14日 - 2007年5月16日,在:“无损检测的研究,开发和应用。”德国学会无损检测协会(2007年),国际标准书号:978-3-931381-98-1纸张没有。 94,共11页。
    [7]托米奇,B.哈勒A. Kottar H.P. degischer,L. Zeipper,J.Kastner“的在球墨铸铁,DGM信息的soc Sbd.38 Prakt.Metallographie,法兰克福,2006年,第113-120页中的石墨分布特性。
    [8]·艾文,“现代成像,Georg THIEME的出版社,斯图加特,1998年。
    [9] A.Velichko C.Holzapfel,F.Mücklich,Adv.Eng.Mat,2007年,9日,第39页第45
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