Zliatiny s tvarovou pamäťou (SMA) majú charakteristickú deformačnú odozvu na termomechanické podnety. Termomechanické podnety pochádzajú z vysokej teploty, premiestnenia, premeny pevnej látky na pevnú látku atď. (vysokoteplotná fáza vysokého rádu sa nazýva austenit a fáza nízkeho rádu pri nízkej teplote sa nazýva martenzit). Opakované cyklické fázové prechody vedú k postupnému zvyšovaniu dislokácií, takže netransformované oblasti znížia funkčnosť SMA (nazývaná funkčná únava) a vytvoria mikrotrhlinky, ktoré nakoniec povedú k fyzickému zlyhaniu, keď je počet dostatočne veľký. Pochopenie únavového správania týchto zliatin, vyriešenie problému drahého šrotu komponentov a zníženie cyklu vývoja materiálu a dizajnu produktu, to všetko bude očividne vytvárať obrovský ekonomický tlak.
Termomechanická únava nebola do značnej miery preskúmaná, najmä nedostatok výskumu šírenia únavových trhlín pri termomechanických cykloch. V ranej implementácii SMA v biomedicíne sa výskum únavy zameriaval na celkovú životnosť „bezdefektných“ vzoriek pri cyklickom mechanickom zaťažení. V aplikáciách s malou geometriou SMA má rast únavovej trhliny malý vplyv na životnosť, takže výskum sa zameriava skôr na prevenciu iniciácie trhliny ako na kontrolu jej rastu; v aplikáciách jazdy, zníženia vibrácií a absorpcie energie je potrebné rýchlo získať výkon. Komponenty SMA sú zvyčajne dostatočne veľké na to, aby udržali značné šírenie trhliny pred poruchou. Preto, aby sa splnili potrebné požiadavky na spoľahlivosť a bezpečnosť, je potrebné plne pochopiť a kvantifikovať správanie pri raste únavových trhlín prostredníctvom metódy tolerancie poškodenia. Aplikácia metód tolerancie poškodenia, ktoré sa opierajú o koncept lomovej mechaniky v SMA, nie je jednoduchá. V porovnaní s tradičnými konštrukčnými kovmi predstavuje existencia reverzibilného fázového prechodu a termomechanickej väzby nové výzvy na efektívne opísanie únavového a preťaženého lomu SMA.
Výskumníci z Texaskej univerzity A&M v Spojených štátoch po prvýkrát vykonali čisto mechanické a riadené experimenty s rastom únavových trhlín v superzliatine Ni50.3Ti29.7Hf20 a navrhli integrálny výraz parížskeho zákona o výkone, ktorý možno použiť na prispôsobenie únavy. rýchlosť rastu trhlín pod jedným parametrom. Z toho vyplýva, že empirický vzťah s rýchlosťou rastu trhlín možno prispôsobiť rôznym podmienkam zaťaženia a geometrickým konfiguráciám, ktoré možno použiť ako potenciálny jednotný deskriptor rastu deformačných trhlín v SMA. Súvisiaci článok bol publikovaný v Acta Materialia s názvom „Jednotný popis rastu mechanickej a aktivačnej únavovej trhliny v zliatinách s tvarovou pamäťou“.
Odkaz na papier:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Štúdia zistila, že keď je zliatina Ni50.3Ti29.7Hf20 podrobená jednoosovej skúške ťahom pri 180 °C, austenit je hlavne elasticky deformovaný pri nízkej úrovni napätia počas procesu zaťaženia a Youngov modul je približne 90 GPa. Keď napätie dosiahne asi 300 MPa Na začiatku pozitívnej fázovej transformácie sa austenit premení na stresom indukovaný martenzit; pri odľahčení martenzit vyvolaný napätím podlieha hlavne elastickej deformácii s Youngovým modulom približne 60 GPa a potom sa premení späť na austenit. Prostredníctvom integrácie bola rýchlosť rastu únavových trhlín konštrukčných materiálov prispôsobená výrazu mocninného zákona parížskeho typu.
Obr.1 BSE snímka vysokoteplotnej zliatiny s tvarovou pamäťou Ni50.3Ti29.7Hf20 a distribúcia veľkosti častíc oxidu
Obrázok 2 TEM obrázok vysokoteplotnej zliatiny s tvarovou pamäťou Ni50.3Ti29.7Hf20 po tepelnom spracovaní pri 550 ℃ × 3 h
Obr. 3 Vzťah medzi J a da/dN rastu mechanickej únavovej trhliny vzorky NiTiHf DCT pri 180 °C
V experimentoch v tomto článku sa dokázalo, že tento vzorec môže zodpovedať údajom o rýchlosti rastu únavových trhlín zo všetkých experimentov a môže používať rovnakú sadu parametrov. Mocninný exponent m je približne 2,2. Analýza únavových lomov ukazuje, že mechanické šírenie trhliny aj jej šírenie sú kvázi štiepne zlomeniny a častá prítomnosť povrchového oxidu hafnia zhoršila odolnosť voči šíreniu trhliny. Získané výsledky ukazujú, že jediné vyjadrenie empirického mocninového zákona môže dosiahnuť požadovanú podobnosť v širokom rozsahu zaťažovacích podmienok a geometrických konfigurácií, čím poskytuje jednotný popis termomechanickej únavy zliatin s tvarovou pamäťou a tým aj odhad hnacej sily.
Obr. 4 SEM snímka lomu vzorky NiTiHf DCT po experimente s rastom mechanickej únavovej trhliny 180 °C
Obrázok 5 Obrázok 5 SEM lomu vzorky NiTiHf DCT po riadení experimentu s rastom únavovej trhliny pri konštantnom zaťažení vychýlením 250 N
Stručne povedané, tento článok prvýkrát vykonáva experimenty s rastom čistých mechanických a hnacích únavových trhlín na zliatinách s tvarovou pamäťou s vysokou teplotou NiTiHf bohatých na nikel. Na základe cyklickej integrácie sa navrhuje vyjadrenie rastu trhlín parížskeho typu, aby vyhovovalo rýchlosti rastu únavových trhlín každého experimentu pod jedným parametrom
Čas odoslania: 07.09.2021