X射線機(jī)斷層掃描有色金屬材料的非均質(zhì)性

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描有色金屬材料的非均質(zhì)性

總結(jié)：
如石墨析出物的非均質(zhì)性和空隙在鑄鐵和鋼材使用工業(yè)微焦點(diǎn)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（μXCT）調(diào)查的勵(lì)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(guò)分配到微裂紋和斷裂表面的三維表示被檢測(cè)到，使裂紋擴(kuò)展的結(jié)論。的重建的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的斷裂面的μXCT數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiàn)性和描述的體素的大小的功能。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)斷層掃描，探測(cè)，鑄鐵，空洞，石墨，裂紋擴(kuò)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(zhǎng)率[1]。輕金屬，有色金屬材料對(duì)高密度的缺點(diǎn)所抵消增加的疲勞強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，韌性，和GGG的阻尼能力。 GJS用于高性能懸掛和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件[2]。 GJS的材料性質(zhì)，除了基體組織（鐵素體/珠光體），由凝固的石墨結(jié)構(gòu)的空隙（類型，數(shù)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(jié)構(gòu)的密度，石墨顆粒的X射線吸收系數(shù)，從一個(gè)特定的顆粒大小可以被量化在顯微成像（μXCT）得到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的附加信息。一個(gè)可靠的表征與μXCT非均質(zhì)性，需要相應(yīng)的高能見(jiàn)度的CT數(shù)據(jù)。對(duì)于測(cè)量的分辨率是相應(yīng)的系統(tǒng)具有足夠小的源的輻射和穩(wěn)定的測(cè)量條件，測(cè)量參數(shù)，一個(gè)合適的試樣的幾何形狀和適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法的選擇是至關(guān)重要的。識(shí)別，這是它的細(xì)節(jié)，非均質(zhì)性的Detektierbarkeitsgrenze提高，異質(zhì)性和基體的空間分辨率更小的吸收系數(shù)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(cè)器像素的幾何布置。的檢測(cè)范圍進(jìn)行計(jì)算功能的體素的大小，以確保測(cè)量鐵料與的μXCT系統(tǒng)使用氫誘導(dǎo)的表面或近表面裂紋的在冷軋鋼樣品中的例子中的質(zhì)量和可靠性要求。

2樣品的說(shuō)明
球墨鑄鐵的特征的結(jié)構(gòu)特征幾乎完全被排泄在大致球狀的碳形式，稱為結(jié)節(jié)性。的球面的形狀是通過(guò)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(yīng)力強(qiáng)度降低和增加的韌性和較高的強(qiáng)度[3]。個(gè)別的石墨顆粒的平均直徑應(yīng)不超過(guò)60微米。[4]顆粒> 60微米的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。 GJS 500個(gè)樣本，破拉伸試樣A和樣品B是疲勞，列于表1。甲氫致開(kāi)裂：氫致裂紋（HIC）是一個(gè)內(nèi)部的解理斷裂與反
和/或晶間當(dāng)然，這是造成的氫原子的擴(kuò)散，優(yōu)選積聚在其內(nèi)的空隙結(jié)構(gòu)，H2分子重組。這將導(dǎo)致在一個(gè)高的內(nèi)部壓力積聚，內(nèi)部裂紋加寬[5]。這些裂縫超過(guò)一定的規(guī)模，所以他們檢測(cè)，超聲波及分布的裂紋發(fā)起夾雜物等缺陷允許結(jié)論。以這種方式HIC裂紋的空間位置的定位在軋制結(jié)構(gòu)鋼樣品和樣品C（見(jiàn)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(yùn)行深。

3實(shí)驗(yàn)
的μXCT在這里描述的測(cè)量與的系統(tǒng)Rayscan 250XE 225千伏微聚焦管的Viscom公司W(wǎng)älischmiller進(jìn)行。 [6]中提出的測(cè)量原理和技術(shù)規(guī)格。表1示出用于每個(gè)樣品的地方​​決議列出的測(cè)量參數(shù)。

表1樣品的說(shuō)明和參數(shù)的斷層圖像。

所有的測(cè)量都是預(yù)計(jì)每轉(zhuǎn)900 X光片，進(jìn)行束硬化。使用CT MAX VGStudio 1.2.1程序執(zhí)行的數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)。
4結(jié)果與討論

4.1內(nèi)在裂紋和石墨線500 GJS
的CT測(cè)量顯示Graphitsphärolithen，未來(lái)幾年裂紋和空隙。在圖1a中，除了所說(shuō)的石墨顆粒大于30微米的CT片，這樣一個(gè)計(jì)劃被選擇。這個(gè)計(jì)劃和相鄰的石墨顆粒視覺(jué)分割和3D顯示。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，裂縫和裂紋限制在其縱向延伸的邊緣被發(fā)現(xiàn)在一個(gè)特別大的石墨顆粒。這表明該Graphitsphärolithen抑制裂紋的擴(kuò)展，但然后指定路徑計(jì)劃“中，由于裂紋集中在石墨結(jié)節(jié)入射。在進(jìn)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(shù)。在圖1b中所示的大小的直方圖。一個(gè)認(rèn)識(shí)評(píng)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(zhì)量的惡化。在60和85微米之間的區(qū)域，一個(gè)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(gè)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(jīng)顯示出在[6,7]的基礎(chǔ)上金相分析，X線攝影和體層攝影術(shù)，偶爾幾個(gè)較大的石墨顆粒的GGG的一個(gè)線性陣列。在圖2a中標(biāo)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(guān)聯(lián)與斷裂表面，在圖2b中相應(yīng)的3-D表面模型與三腔，在斷裂面，顯示的外觀。此運(yùn)行的線B的正下方的斷裂的斷裂面大致平行。該計(jì)劃主要是內(nèi)鐵素體 - 珠光體結(jié)構(gòu)。所識(shí)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(biāo)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(yàn)GJS 500
基于上的疲勞裂縫的樣品B的結(jié)果表明，由于表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CT數(shù)據(jù)，可以區(qū)分不同的斷裂機(jī)理。有在圖3的SEM斷口和CT表面模型進(jìn)行比較。一個(gè)認(rèn)識(shí)，但是，在該地區(qū)的一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的斷裂面的振動(dòng)骨折破裂力變形蜂窩識(shí)別與石墨球在長(zhǎng)草區(qū)。由于功率在Graphitteilchendichte破裂帶基本上是高于在疲勞斷裂區(qū)，可以得出結(jié)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(guò)渡）SEM斷口，B）的斷裂面顯示的CT數(shù)據(jù)的等值面。

圖4a示出了微腔＃1（約150微米長(zhǎng)）在樣品的邊緣，這是疲勞裂紋的起點(diǎn)。評(píng)價(jià)進(jìn)行的出之前的疲勞試驗(yàn)μXCT記錄顯示在圖4b中示出的灰度值分布在其中的空隙會(huì)出現(xiàn)只有稍微放大比的石墨顆粒的圖像切片的細(xì)節(jié)，作為與第2所示的石墨粒子的對(duì)比度的比較。因?yàn)樾〉膶挾鹊拈_(kāi)口Lunkers（<50微米），灰度值的石墨顆粒的強(qiáng)度的強(qiáng)度不能區(qū)分。只能由的空間Ausdehung，提供石墨相似的對(duì)比簇的這種Mikrolunkers檢測(cè)是可能的。獨(dú)特的Mikrolunkererkennung的似乎有可能只腔開(kāi)口寬度大于50微米。

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

4.3氫致開(kāi)裂鋼樣
在該區(qū)域周?chē)牧鸭y，特別是在界面上的鐵素體 - 珠光體組織的CT測(cè)量與體素大小（5微米）3樣品C中任何明顯的異質(zhì)性> 20微米的確定。氫的壓力已展開(kāi)的裂縫，因此，它在成像可見(jiàn)。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(zhǎng)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(cè)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(jiàn)。而增加的體素的大小和幾何形狀的變形越明顯的可見(jiàn)性變差。為了檢測(cè)定量計(jì)算出的灰度值的配置文件[8]，在完全一樣的深度的確認(rèn)。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(duì)灰度值繪制測(cè)量圖6a中的裂紋長(zhǎng)度為200微米。從這些公司中的灰度值的對(duì)比│Ķ│=│GWRiss是 - GWMatrix│/計(jì)算GWMatrix：繪制在圖6b中的各體素的大小和內(nèi)插中的曲線的指數(shù)函數(shù)的形式。這種關(guān)系從隨體素的大小，對(duì)比度降低的指數(shù)。假設(shè)5-10％，體素大?。?5微米）³計(jì)劃的對(duì)比度變化的異質(zhì)性的識(shí)別仍然檢測(cè)到的。如此被高估的邊緣處測(cè)量裂縫寬度的1體素體素2。裂紋長(zhǎng)度被低估時(shí)，裂縫的寬度小于1體素。

對(duì)比度探測(cè)HIC裂紋的評(píng)價(jià)：1）在不同的體素大小的灰度值的檔案，二）作為一個(gè)函數(shù)的體素大小的裂紋的可探測(cè)性的視圖內(nèi)插的指數(shù)函數(shù)。

5結(jié)論及摘要“
石墨分離> 30微米的結(jié)節(jié)性與所使用的直徑為4毫米的樣品的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描定量測(cè)定。 3DAnalyse這些顆粒的數(shù)量分布來(lái)才能確定。集群已經(jīng)確定，在這些樣品中，檢測(cè)到的形式石墨Metallographien線的運(yùn)行表面。的頻率和位置的質(zhì)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(gè)數(shù)量級(jí)更高的分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用聚焦離子束（FIB）取得的體層攝影術(shù)[9]，但分析體積只有約3×10-5毫米3。 ⅓一個(gè)體素的寬度裂縫是可識(shí)別的。然而，對(duì)于精確的測(cè)量，體素大小應(yīng)小于裂縫寬度。從分配的裂紋的幾何形狀和裂紋擴(kuò)展的石墨顆粒的斷裂表面是3維重建：結(jié)束石墨結(jié)節(jié)，微裂紋，斷裂表面石墨簇，沿所說(shuō)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(jù)，鑄鐵和有色金屬材料的裂紋擴(kuò)展的凝固過(guò)程。 μXCT可以用來(lái)研究鑄造機(jī)械負(fù)荷期間的經(jīng)營(yíng)和傷害。
致謝

該項(xiàng)目是“FH加上”財(cái)政支持計(jì)劃內(nèi)的護(hù)衛(wèi)艦。作者要感謝公司喬治費(fèi)歇爾鑄鐵奧鋼聯(lián)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(yàn)斷口的調(diào)查表示感謝。

證書(shū)

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