Temperature-dependance evalutation on deformation processes in the Alloy 718 using high-resolution digital image correlation

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One-step deposition of nano-to-micron-scalable, high-quality digital image correlation patterns for high-strain in-situ multi-microscopy testing

Digital Image Correlation (DIC) is of vital importance in the field of experimental mechanics, yet, producing suitable DIC patterns for demanding in-situ mechanical tests remains challenging, especially for ultra-fine patterns, despite the large number of patterning techniques in the literature. Therefore, we propose a simple, flexible, one-step technique (only requiring a conventional deposition machine) to obtain scalable, high-quality, robust DIC patterns, suitable for a range of microscopic techniques, by deposition of a low melting temperature solder alloy in so-called 'island growth' mode, without elevating the substrate temperature. Proof of principle is shown by (near-)room-temperature deposition of InSn patterns, yielding highly dense, homogeneous DIC patterns over large areas with a feature size that can be tuned from as small as 10nm to 2um and with control over the feature shape and density by changing the deposition parameters. Pattern optimization, in terms of feature size, density, and contrast, is demonstrated for imaging with atomic force microscopy, scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy and profilometry. Moreover, the performance of the InSn DIC patterns and their robustness to large deformations is validated in two challenging case studies of in-situ micro-mechanical testing: (i) self-adaptive isogeometric digital height correlation of optical surface height profiles of a coarse, bimodal InSn pattern providing microscopic 3D deformation fields (illustrated for delamination of aluminum interconnects on a polyimide substrate) and (ii) DIC on SEM images of a much finer InSn pattern allowing quantification of high strains near fracture locations (illustrated for rupture of a Fe foil). As such, the high controllability, performance and scalability of the DIC patterns offers a promising step towards more routine DIC-based in-situ micro-mechanical testing.Comment: Accepted for publication in Strai

Out-of-plane magnetic patterning on austenitic stainless steels using plasma nitriding

This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and the American Institute of Physics.A correlation between the grain orientation and the out-of-plane magnetic properties of nitrogen-enriched polycrystalline austenitic stainless steel surface is performed. Due to the competition between the magnetocrystalline anisotropy, the exchange and dipolar interactions, and the residual stresses induced by nitriding, the resulting effective magnetic easy-axis can lay along unusual directions. It is also demonstrated that, by choosing an appropriate stainless steel texturing, arrays of ferromagnetic structures with out-of-plane magnetization, embedded in a paramagnetic matrix, can be produced by local plasma nitriding through shadow masks

The effects of grain size, dendritic structure and crystallographic orientation on fatigue crack propagation in IN713C nickel-based superalloy

The polycrystalline IN713C produced via investment casting is one of the widely-used nickel-based superalloy in automotive and aerospace industries. This alloy, however, has an apparent inhomogeneous microstructure generated during casting and contains dendritic structure that gives rise to strain localisation during loading. Yet, the effect of dendritic structure, grain size and shape as well as crystallographic orientation, which directly influence fatigue property and deformation micromechanism in the components, is rarely studied. In the present study, IN713C cast bars are tailored with three different grain structures, i.e., transition, equiaxed and columnar, with substantial grain size variations. The produced bars were tested under strain controlled LCF (Low Cycle Fatigue) and stress controlled HCF (High Cycle Fatigue) conditions at 650 °C. The results showed that most of fatigue cracks initiated from casting pores and fatigue life extended in the microstructure with a small grain size during both HCF and LCF loadings. It is also demonstrated that fatigue striations were mainly observed within dendritic areas during crack propagation, whereas the higher GND (Geometrically Necessary Dislocation) density were predominantly observed in the interdendritic areas. Here, we propose a concept of ‘Crack Propagation Unit (CPU)’ for better description of deformation mechanism at local scale during fatigue loading by combining fracture surface characteristic methodology and dislocation distribution analyses within the dendritic structural unit. Furthermore, this model to understand the deformation micromechanism can provide a new perspective on the interpretation of Hall-Petch relationship in casting materials that contain dendritic structure. This is further demonstrated via direct correlation of the high crack propagation resistance with the crack path divergence instead of the dislocation pile-up at the grain boundary or in-between the γ/γ′ channels. Moreover, by utilising serial sectioning method followed by layered EBSD scanning, quasi-3-D grain orientation mappings were obtained, and crystallographic texture information were directly correlated with the fracture surface observations. This allowed an investigation of the influence of orientation of individual grains and micro/macro texture on crack propagation rate. The critical stage of crack propagation in fatigue life and its correlations with microstructural features is established, offering potential practical applications by controlling the investment casting process parameters

On the nitrogen-induced lattice expansion of a non-stainless austenitic steel, Invar 36®, under triode plasma nitriding

Chromium, as a strong nitride-forming element, is widely regarded to be an “essential” ingredient for the formation of a nitrogen-expanded lattice in thermochemical nitrogen diffusion treatments of austenitic (stainless) steels. In this article, a proprietary “chrome-free” austenitic iron-nickel alloy, Invar® 36 (Fe-36Ni, in wt pct), is characterized after triode plasma nitriding (TPN) treatments at 400 °C to 450 °C and compared with a “stainless” austenitic counterpart RA 330® (Fe-19Cr-35Ni, in wt pct) treated under equivalent nitriding conditions. Cr does indeed appear to play a pivotal role in colossal nitrogen supersaturation (and hence anisotropic lattice expansion and superior surface hardening) of austenitic steel under low-temperature (≤ 450 °C) nitrogen diffusion. Nevertheless, this work reveals that nitrogen-induced lattice expansion occurs below the nitride-containing surface layer in Invar 36 alloy after TPN treatment, implying that Cr is not a necessity for the nitrogen-interstitial induced lattice expansion phenomenon to occur, also suggesting another type of γN

Evolution des microstructures et textures locales par nitruration plasma de l'acier 316L. Répercussion sur sa durabilité en fatigue

The present study concerns the surface and mechanical properties induced by specific low temperature (~400°C) plasma nitriding of an AISI 316L austenitic stainless steel largely used for structural component in nuclear and chemical industries. It focuses especially on its influence on the fatigue durability. The great advantages of this plasma nitriding process are to produce thick nitrided layers with a high concentration of nitrogen atoms in solid solution into the material and to preserve the stainless character of the substrate. As a consequence a new phase named expanded austenite or γN phase is formed and the lattice expansion associated with the high supersaturation of interstitial nitrogen atoms results in residual compressive stresses at the surface that exceed 2GPa. The surface is then strongly modified as a result of complex effects including some crystallographic plane rotation, plasticity and damage in some grains depending on their orientation. The considerable increase of hardness and wear resistance produced by plasma nitriding of austenitic stainless steels is now well documented but there are practically no data on the influence on fatigue properties. Series of fatigue tests in air at room temperature carried out in the low cycle fatigue range show a significant improvement of the fatigue life. The results are discussed especially taking into account the compressive residual stresses induced by the nitrided layer. Keywords: 316LLes matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions et . Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait

Evolution des microstructures et textures locales par nitruration plasma de l'acier 316L (répercussion sur sa durabilité en fatigue)

Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse d introduire à température modérée (300-400C) des atomes d azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20 m). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions et . Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux dilatation normale à la surface). Il a été montré que le gonflement est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.The present study concerns the surface and mechanical properties induced by specific low temperature (~400C) plasma nitriding of an AISI 316L austenitic stainless steel largely used for structural component in nuclear and chemical industries. It focuses especially on its influence on the fatigue durability. The great advantages of this plasma nitriding process are to produce thick nitrided layers with a high concentration of nitrogen atoms in solid solution into the material and to preserve the stainless character of the substrate. As a consequence a new phase named expanded austenite or gN phase is formed and the lattice expansion associated with the high supersaturation of interstitial nitrogen atoms results in residual compressive stresses at the surface that exceed 2GPa. The surface is then strongly modified as a result of complex effects including some crystallographic plane rotation, plasticity and damage in some grains depending on their orientation. The considerable increase of hardness and wear resistance produced by plasma nitriding of austenitic stainless steels is now well documented but there are practically no data on the influence on fatigue properties. Series of fatigue tests in air at room temperature carried out in the low cycle fatigue range show a significant improvement of the fatigue life. The results are discussed especially taking into account the compressive residual stresses induced by the nitrided layer.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF