钛合金铣刀检测显微镜

长寿命高可靠是重大工程装备的重要指标，特别是以先进航空发动机和高铁车轴为代表的关键部件，服役寿命内承受了超过107甚至1010周次的循环载荷作用，进入了超高周疲劳（即107周次以上的疲劳）研究范畴，这颠覆了传统基于疲劳极限（对应107周次）的疲劳强度与寿命设计理念，成为近年来疲劳研究的前沿和热点。因此，揭示超高周疲劳的微观机理和规律等科学问题，建立疲劳寿命与疲劳强度的准确预测模型，将具有重要的科学意义和工程应用价值。力学所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组以航空发动机用TC17钛合金和增材TC4钛合金为研究对象，揭示了疲劳载荷过程中形成的形变孪晶和纳米晶是钛合金超高周疲劳裂纹萌生和演化的重要因素（图1），提出了钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理（图2）；通过巧妙的变幅加载设计，测得超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展区域的等效裂纹扩展速率在10-13~10-11 m/cyc量级（图3a和3b），进而对超高周疲劳寿命进行了预测，预测结果与实验结果吻合（图3c）。图1 TC17钛合金扫描电子显微镜和电子背散射衍射观测结果(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×108 cyc). a: 试样局部区域扫描电子显微镜图像. b-d: 分别是图a中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子. e: 微裂纹附近扫描电子显微镜图像. f-h: 分别是图e中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子. 加载方向沿着纸面向上和向下.图2 钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理示意图. (i)疲劳载荷过程中位错塞积引起的局部高应力诱导孪晶、滑移或微裂纹的形成. (ii) 孪晶系统或位错之间的相互作用导致位错胞或位错墙的形成，进而形成微尺度滑移带和亚微米晶粒，最终形成纳米晶粒 然后，微裂纹沿着纳米晶粒-粗晶粒界面或在纳米晶粒区域内形成. 此过程中，由于微结构不均匀或变形不协调，微裂纹的形成也可以与晶粒细化无关，即微裂纹形成于α相团簇、较大的α相或α-β界面. (iii) 微裂纹增长或联接，并在疲劳载荷过程中进一步诱导晶粒细化或微裂纹的形成. (iv) 过程(iii)继续，直到裂纹萌生和初始扩展阶段结束.图3 增材TC4钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展速率与寿命预测. a: 变幅加载下SEM照片(σα,H= 600 MPa, σα,L= 400 MPa, R=–1, σα,L下累积1.6×108周次). b: 裂纹萌生和初始扩展区域(Fine Granular Area, FGA)内等效裂纹扩展速率与文献中裂纹扩展速率的比较. c: 不同应力比下S–N数据以及R=–1下疲劳寿命预测结果与实验结果的比较.研究发现，材料缺陷不仅会显著降低钛合金的疲劳性能，而且缺陷对高周和超高周疲劳行为的影响与其引入形式密切有关。对于材料内部缺陷，高周和超高周疲劳S–N曲线呈现连续下降特征，而表面人工缺陷试样S–N曲线具有平台区特征（图4）。原位显微镜观测以及扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测表明，与内部缺陷诱导的超高周疲劳失效不同，表面人工缺陷诱导的超高周疲劳未呈现伴随纳米晶粒形成的、缓慢的裂纹萌生和初始扩展过程；一旦裂纹萌生，裂纹将快速增长，试样在很少周次内发生失效（图5）。认为这种失效是疲劳载荷与时间相关过程（如水气影响、氢的作用等）的协同作用所致。进一步提出试样几何形状和表面缺陷对钛合金高周和超高周疲劳强度的影响模型。该模型不但能用于关联缺陷对钛合金疲劳强度的影响（图6a），而且也有效用于文献中缺陷（包括裂纹）对一些金属材料高周疲劳强度的影响（图6b-6f）。图4 缺陷引入形式和缺陷尺寸对疲劳性能的影响. (a) 缺陷引入形式对增材TC4疲劳性能影响. (b) 人工表面缺陷对TC17钛合金疲劳性能影响. 实线表示双对数坐标下线性拟合得到的中值S–N曲线.图5 含表面人工缺陷TC17钛合金超高周疲劳原位显微镜观测(σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×107). 加载方向沿着纸面向上和向下.图6 缺陷对高周和超高周疲劳强度影响的模型结果与实验结果比较.对几种常用的应力比对高周疲劳强度影响模型在超高周疲劳范畴的预测能力也进行了对比研究。多种材料实验数据表明，Walker公式σα,R=σα,-1[(1–R)/2]γ相比Goodman公式σa,R=σα,-1[1–(σm/σb)]和Smith-Watson-Topper公式σa,R=σα,-1[(1–R)/2]1/2更好地预测应力比对超高周疲劳强度的影响（图7），其中σα,R和σα,-1分别是应力比R和–1下的疲劳强度，σm和σb是平均应力和拉伸强度，γ是材料参数。图7实验结果与不同模型预测结果的比较.相关研究得到国家自然科学基金基础科学中心“非线性力学的多尺度力学研究”项目(11988102)、国家自然科学基金重大研究计划“航空发动机高温材料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目(91860112)等支持。部分研究结果是与北交大等合作完成，主要研究成果发表在Int. J. Fatigue 2023, 166: 107299 2023, 167: 107331 2022, 160: 106862 Eng. Fract. Mech. 2022, 259: 108136 2022, 272: 108721 2022, 276: 108940 J. Mater. Sci. Technol. 2022, 122: 128-140 Theor. Appl. Fract. Mech. 2022, 119: 103380。

p 　　8月份，苹果公司正式面向消费者推出了其虚拟信用卡Apple Card。凭借其隐私处理方式，实用的功能，以及极简的美学设计，Apple Card赢得了赞誉。 br/ /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 340px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/8a621f29-b269-4f31-a953-a3e4489b0922.jpg" title=" 0.jpg" alt=" 0.jpg" width=" 450" height=" 340" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　关于“极简的美学设计”，官方介绍，其整体设计简洁，卡片材质为钛合金，其中一面是苹果LOGO、EMV IC芯片，另一面则是合作伙伴高盛、万事达的LOGO。3月Apple Pay副总裁Jennifer Bailey也表示：“这是有史以来设计最漂亮的信用卡。” /p p 　　据Apple Card的一份支持文档显示，由于实体Apple Card是钛卡，正面的苹果Logo、持卡人姓名等信息都是激光蚀刻的，而白色亚光背景是通过一些钛基多层涂层材料实现的。 /p p 　　在这份支持文档中，“ strong Apple Card使用的材料是‘钛’ /strong ”，这句话一共被提及13次之多。那么一张Apple Card信用卡中究竟含有多少钛呢? /p p 　　近日，为了找到答案，《商业周刊》杂志记者将其Apple Card寄给了加州大学伯克利分校的一位矿物学家Hans-Rudolf WENK教授。 /p p 　　Hans-Rudolf WENK教授利用 strong 扫描电子显微镜及配置的能谱设备 /strong ，测定了Apple Card的微粒子成分，最终得出的答案是：“ strong 钛”成分大约占90%，而剩余部分是铝成分。 /strong /p p strong /strong /p p 　　而Apple Card在这方面之所以脱颖而出，也是因为苹果对其金属材质进行了大量宣传。与此同时，这也是自15年前停产PowerBook笔记本电脑以来，苹果推出的第一款主要由坚固、轻质金属制成的产品。有分析人士称，这可能是苹果为今年晚些时候发布的新款钛合金版Apple Watch智能手表试水。 /p p 　　Hans-Rudolf WENK教授是加州大学伯克利分校的一位矿物学家，本次Apple Card的成分检测就是在加州大学伯克利分校纹理实验室进行的，而进行检测的扫描电镜正是蔡司的EVO 系列的 a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C83382.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong EVO-10 SEM /strong strong /strong /span /a 。 /p p style=" text-align: center" a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C83382.htm" target=" _blank" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/2132d6e9-0575-48ac-a9ec-93a27ce91846.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" / /a /p p 　　 strong 以下是加州大学伯克利分校纹理实验室官网显示的EVO-10的应用描述及具体配置情况： /strong /p p 　　Zeiss EVO-10可变真空扫描电镜可用于一般研究，可用于二次电子(SE)和背向散射电子(BE)成像。可以使用能量色散X射线检测器(EDS)进行定性化学分析。 SEM还用于电子反向散射图案(EBSP)和取向成像(OIM)，用于分析优选取向。 /p p 　　常见用途：适用于薄型和独立式安装座的样品表面形貌(纹理)，晶体结构，取向和成分的成像。 /p p 　　 strong SEM Lab详细信息： /strong /p p 　　蔡司EVO-10可变真扫描电镜 /p p 　　钨丝 /p p 　　大样品室，带9个位置的样品架 /p p 　　可变压力 /p p 　　探测器：二次电子 二次电子VP 反向散射电子 /p p 　　EDAX系统用于硅漂移检测器和薄窗口的化学分析(检测到硼) /p p 　　用于晶体取向测量的电子背散射衍射(EBSD) /p p 　　碳蒸发器 /p p 　　金溅镀膜机 /p p 　　 strong 关于加州大学伯克利分校纹理实验室 /strong /p p 　　该实验室隶属加州大学伯克利分校的地球和行星科学系，致力于研究多晶材料的优选取向(纹理)和各向异性。各方面是测量，数据分析和解释。应用包括岩石，金属，多晶薄膜，陶瓷，超导体，生物标本(骨骼，贝壳)。根据需求，外部用户可以使用这些设施(X射线衍射，EBSD-SEM)，将收取象征性费用以抵消维护费用。我们也为外人做了有限的实验。可提供X射线极图分析和ODF计算(BEARTEX)软件。使用来自同步加速器衍射图像和中子衍射光谱的Rietveld方法进行纹理分析的软件已经与Luca Lutterotti合作开发，Siegfried Matthies可以从网上下载(MAUD)。也可以使用EBSD(SEMTEX和MAPTEX)进行单独定向测量的软件。 /p p 　　 strong Hans-Rudolf WENK教授 /strong /p p style=" text-align: left " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/f076fb26-2cbd-41af-9ae0-e6f93e15fe17.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" / /p p 　　Hans-Rudolf WENK教授于1967年加入加州大学伯克利分校的地球和行星科学系。他的研究领域是晶体学，矿物学，结构地质学和岩石变形。最近研究重点是通过研究中子衍射，同步辐射X射线和电子显微镜在极限条件(温度和压力)下的优选取向的发展来理解地球中的地震各向异性。该研究由NSF和DOE资助。 他还曾撰写一本由剑桥大学出版社出版的介绍性矿物学书籍《矿物：它们的组成和成因》。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/b84c0fef-3c10-430d-a2e6-017f83aa5ea4.jpg" title=" 6.jpg.png" alt=" 6.jpg.png" / /p

在航空航天、微电子器件、光学仪器等精密仪器设备中应用的结构部件，对尺寸稳定性有极为严苛的要求。由于温度升高或降低而导致的材料形状变化对其功能特性和可靠性有着很大影响。因此，具有近零热膨胀性能的钛合金在需要高尺寸稳定性的结构中具有极高的应用价值。例如，美国国家航空航天局已针对太空望远镜所需的超高稳定性支撑结构，使用这类钛合金制造了镜体支架。在激光加工领域，已有使用这种材料制造的光学透镜筒体，解决了透镜焦点热漂移的问题。这类材料特殊的热膨胀性能与其内部αʺ马氏体物相的各向异性热膨胀行为有关。但是，现有的通过冷加工工艺获得的低热膨胀系数限制于单相马氏体相区，即使用温度上限通常小于~100℃，限制了其在工程领域的广泛应用。近期东莞理工学院中子散射技术工程研究中心王皓亮博士在冶金材料领域的TOP期刊《Scripta Materialia》上发表题目为《Nano-precipitation leading to linear zero thermal expansion over a wide temperature range in Ti22Nb》的研究论文。论文介绍了在宽温域线性零膨胀钛合金特殊热膨胀性能形成机理方面取得的新的进展。论文第一作者为东莞理工学院机械工程学院王皓亮博士，通讯作者为机械工程学院孙振忠教授，共同通讯作者为比利时鲁汶大学Matthias Bönisch博士，合作作者有中国散裂中子源殷雯研究员和徐菊萍博士等。王皓亮博士主要从事金属材料物相晶体结构、微观组织及应力分析；钛合金固态相变及功能性研究；高等级耐热钢焊接接头蠕变失效预测研究。1.拉曼光谱在材料研究中的应用（图1.Ti22Nb合金通过析出纳米尺寸第二相获得的宽温域零膨胀性能）研究人员利用中子衍射技术表征材料微观结构的巨大优势，配合使用XRD冷热台（变温范围 -190℃到600℃ ，温控精度±0.1℃，文天精策仪器科技（苏州）有限公司）实现测试样品的温度变化，精确鉴定了线性零膨胀Ti22Nb钛合金中的物相组成，证实了依靠溶质元素扩散迁移形成的等温αʺiso相也具备调控热膨胀系数的功能。相对于冷加工材料，该研究中通过机械+热循环处理获得的双相复合材料，其低热膨胀行为的作用范围被拓宽至300℃。结合其他原位X-ray衍射和EBSD/TKD电子显微表征技术，在纳米到微米尺寸范围内全面分析了材料微结构要素，澄清了热循环过程中纳米尺寸αʺiso相的形成路径，揭示了微观晶格畸变/相变应变、晶体学取向参量和宏观热膨胀系数的之间的定量关系，为设计具有较宽使用温度范围的低/负热膨胀钛合金提供了新的途径，是从理论研究向技术和产品层面跃进的重要依据和前提。 (图2.(a)不同状态Ti22Nb合金中子衍射谱线，(b)原位升降温XRD谱线(c)母相及析出相衍射峰强度随温度演化规律)（图3.原位升降温XRD测试）图4.原位XRD冷热台