Observation of Crack Propagation Process in Aluminum Alloy Specimen Using Air-Servo Microfocus X-Ray CT System

Význam tématu

Únava materiálu je jednou z hlavních příčin selhání konstrukcí v průmyslu. Detailní sledování iniciace a šíření trhlin uvnitř materiálu v čase je zásadní pro predikci životnosti, návrh bezpečných dílů a validaci modelů porušení. Kombinace cyklického zatěžování a nedestruktivního zobrazení pomocí mikrofocusového rentgenového CT umožňuje sledovat trojrozměrný vývoj trhlin bez destrukce vzorku a poskytuje cenné informace o prostorovém průběhu porušení a související deformaci.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem předložené studie bylo demonstrovat schopnost systému Air-Servo Microfocus X-Ray CT sledovat iniciaci a propagaci trhlin v hliníkové slitině (Al-5052) během cyklického zatěžování. Konzultovány byly následující kroky: stanovení statických pevnostních parametrů, získání S-N křivky, volba podmínek pro vnitřní CT měření a opakované snímání v předem definovaných intervalech cyklů tak, aby byl zaznamenán a vizualizován průběh porušení v čase.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika zahrnovala dvě hlavní části: předběžné statické a únavové zkoušky pro stanovení zatěžovacích úrovní a následné in-situ CT snímání během únavových testů.

Postup:

• Provedení statických tahových zkoušek (rychlost 1 mm/min, N=5) za účelem určení průměrné maximální testovací síly.
• Získání S-N křivky z několika únavových testů při různých maximálních zatíženích (40–90 % statické maxima).
• Výběr podmínky 70 % statické maximální síly pro detailní CT sledování.
• Opakované X‑ray CT snímání: snímání každých 1000 cyklů po dosažení 30 000 cyklů, s intenzivnějším snímáním při náhlém nárůstu posunutí až do konečného lomového stavu.

Klíčové experimentální parametry:

• Materiál vzorku: Al‑5052 se středovým zářezem (notch).
• Frekvence únavového cyklu: 10 Hz, poměr napětí R = 0,1.
• Maximální počet cyklů: 1×10^6 (pro S‑N charakterizaci).
• Použité hladiny zatížení v sérii: 195, 243, 292, 341, 389, 438 N (odpovídá 40–90 % statického maxima).
• Při in-situ CT bylo zvoleno 70 % statického maxima (≈ 341 N).

Použitá instrumentace

Seznam přístrojů a konfigurací použitých ve studii:

• Servopulser EHF-LV020k1A (použité pro získání S‑N křivky).
• Air‑Servo Mini / Air‑Servo Microfocus X‑Ray CT System (konfigurace pro in‑situ CT během únavových testů).
• Mikrofokusový X‑ray CT: inspeXio SMX‑225CTS.
• Řídicí jednotka: Servo Controller 4830 a odpovídající Windows software.
• Snímací elementy: zatěžovací buňky 2 kN (pro S‑N) a 1 kN (pro CT měření), manuálně utažený tahový přípravek pro S‑N měření.

Hlavní výsledky a diskuse

Významná zjištění ze série experimentů jsou následující:

• Statický test: průměrná maximální testovací síla byla 486,9 N (N=5).
• S‑N charakteristika byla získána pro šest úrovní zatížení. Na základě S‑N diagramu byla vybrána úroveň 70 % statického maxima pro detailní CT pozorování.
• První prokazatelná trhlina v zářezu se objevila při 31 000 cyklech; došlo k postupné propagaci a konečnému lomu při 36 392 cyklech.
• CT snímky provedené každých 1000 cyklů po 30 000 cyklech umožnily sledovat iniciaci a růst trhlin v řezech i v 3D rekonstrukci. Zvýrazněné 3D mapy posunutí vůči obrazu z 30 000 cyklů ukázaly asymetrickou propagaci: trhlina se rozšířila více na levé straně šířky vzorku než na pravé, což vedlo k lokálnímu „otevření“ zářezu a posunutí bočních ploch.
• Před zlomením byl pozorován výrazný lokální necking mezi dvěma větvemi trhliny v oblasti zářezu.
• Řízení zatížení bylo stabilní a výsledná průběhová křivka byla blízká sinusovce, což zajistilo konzistenci cyklického zatížení během snímání.

Diskuse: Použití mikro‑CT v kombinaci s řízeným cyklickým zatížením umožnilo zachytit moment iniciace trhliny vnitřně i následnou její prostorovou expanzi. Asymetrické šíření naznačuje lokální heterogenity v materiálu nebo v napěťovém poli vyvolaném geometrií zářezu. Možnost aplikovat statické předpětí přímo v CT komoře usnadnila zobrazení otevřeného hrotu trhliny a zlepšila kontrast snímků trhliny.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy tohoto přístupu pro analytickou praxi a průmyslové aplikace jsou:

• Nedestruktivní a prostorové sledování iniciace a růstu trhlin v reálném čase (time‑lapse 3D imaging).
• Schopnost aplikovat a udržet zatížení přímo v CT zařízení, což zvyšuje věrohodnost pozorování reálného stavu trhliny při provozním zatížení.
• Možnost korelace makroskopického posunutí a lokálního tvaru trhliny s mechanickými charakteristikami získanými ze S‑N křivky a statických testů.
• Užitečné pro validaci numerických modelů šíření trhlin, optimalizaci tvaru zářezů, materiálové výběry a návrhy protokolů zkoušek únavy v R&D a v QA/QC laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry dalšího rozvoje a aplikace technologie:

• Vyšší časové rozlišení in‑situ CT (rychlejší skeny) pro zachycení dynamických fází šíření trhlin mezi snímky.
• Integrace s digitálními image‑correlation (DIC) nebo dalšími optickými metodami pro souběžné měření povrchových polí deformace a přesné kvantifikace posunutí.
• Automatizované zpracování 3D dat a segmentace trhlin pomocí strojového učení pro rychlejší analýzu a kvantifikaci parametrů trhlin (délka, objem, rychlost růstu).
• Aplikace na různé materiály a víceosé zatěžovací režimy, včetně kompozitů a svařovaných spojů, s cílem generalizovat poznatky o iniciaci únavových defektů.

Závěr

Studie demonstrovala, že kombinace Air‑Servo Microfocus X‑Ray CT systému a přesného servozatěžování umožňuje efektivní, nedestruktivní sledování iniciace a prostorové propagace únavových trhlin v hliníkové slitině. Metoda poskytuje kvantitativní i kvalitativní informace o tvaru trhliny, asymetrii šíření a lokální deformaci až po finální lom, což je cenné pro průmyslové i výzkumné aplikace v oblasti životnosti materiálů.

Reference

1. Nishikawa Y., Yamamoto T., Iguchi S., Observation of Crack Propagation Process in Aluminum Alloy Specimen Using Air-Servo Microfocus X-Ray CT System, Shimadzu Application News, First Edition, July 2026.