Formminnelegeringer (SMA) har en karakteristisk deformasjonsrespons på termomekaniske stimuli. Termomekaniske stimuli stammer fra høy temperatur, forskyvning, fast-til-solid-transformasjon, etc. (høytemperatur høyordensfase kalles austenitt, og lavtemperatur lavordensfase kalles martensitt). Gjentatte sykliske faseoverganger fører til en gradvis økning i dislokasjoner, så de utransformerte områdene vil redusere funksjonaliteten til SMA (kalt funksjonell utmattelse) og produsere mikrosprekker, som til slutt vil føre til fysisk svikt når antallet er stort nok. Å forstå utmattelseslevetiden til disse legeringene, løse problemet med dyrt komponentskrot og redusere materialutviklingen og produktdesignsyklusen vil selvsagt generere et enormt økonomisk press.
Termomekanisk tretthet har ikke blitt utforsket i stor grad, spesielt mangelen på forskning på utmattelsessprekkerforplantning under termomekaniske sykluser. I den tidlige implementeringen av SMA i biomedisin var fokuset for tretthetsforskning den totale levetiden til "defektfrie" prøver under sykliske mekaniske belastninger. I applikasjoner med liten SMA-geometri har tretthetssprekkevekst liten effekt på livet, så forskningen fokuserer på å forhindre sprekkinitiering i stedet for å kontrollere veksten; ved kjøring, vibrasjonsreduksjon og energiabsorbering er det nødvendig å få kraft raskt. SMA-komponenter er vanligvis store nok til å opprettholde betydelig sprekkforplantning før svikt. Derfor, for å oppfylle de nødvendige kravene til pålitelighet og sikkerhet, er det nødvendig å fullt ut forstå og kvantifisere tretthetssprekkens oppførsel gjennom skadetoleransemetoden. Anvendelsen av skadetoleransemetoder som er avhengige av konseptet bruddmekanikk i SMA er ikke enkel. Sammenlignet med tradisjonelle strukturelle metaller, utgjør eksistensen av reversibel faseovergang og termomekanisk kobling nye utfordringer for effektivt å beskrive utmattelses- og overbelastningsbruddet til SMA.
Forskere fra Texas A&M University i USA gjennomførte for første gang rene mekaniske og drevne utmattelsessprekker-veksteksperimenter i Ni50.3Ti29.7Hf20-superlegering, og foreslo et integrert-basert kraftlovuttrykk av Paris-typen som kan brukes til Fit the fatigue sprekkveksthastighet under en enkelt parameter. Det utledes fra dette at det empiriske forholdet med sprekkveksthastighet kan tilpasses mellom forskjellige belastningsforhold og geometriske konfigurasjoner, som kan brukes som en potensiell enhetlig deskriptor av deformasjonssprekkevekst i SMA-er. Den relaterte artikkelen ble publisert i Acta Materialia med tittelen "En enhetlig beskrivelse av mekanisk og aktiveringstretthetssprekkevekst i formminnelegeringer".
Papirlink:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Studien fant at når Ni50.3Ti29.7Hf20-legering utsettes for enakset strekktest ved 180 ℃, blir austenitten hovedsakelig elastisk deformert under lavt spenningsnivå under lasteprosessen, og Youngs modul er omtrent 90GPa. Når spenningen når ca. 300MPa Ved begynnelsen av den positive fasetransformasjonen, forvandles austenitt til stressindusert martensitt; ved lossing gjennomgår stressindusert martensitt hovedsakelig elastisk deformasjon, med en Youngs modul på ca. 60 GPa, og transformeres deretter tilbake til austenitt. Gjennom integrering har tretthetssprekkerveksthastigheten til strukturelle materialer blitt tilpasset kraftlovens uttrykk av Paris-typen.
Fig. 1 BSE-bilde av Ni50.3Ti29.7Hf20 høytemperatur formminnelegering og størrelsesfordeling av oksidpartikler
Figur 2 TEM-bilde av Ni50.3Ti29.7Hf20 høytemperatur formminnelegering etter varmebehandling ved 550℃×3t
Fig. 3 Forholdet mellom J og da/dN for mekanisk utmattingssprekkevekst av NiTiHf DCT-prøve ved 180 ℃
I eksperimentene i denne artikkelen er det bevist at denne formelen kan passe til veksthastigheten for utmattelsessprekker fra alle eksperimenter og kan bruke det samme settet med parametere. Potensloveksponenten m er omtrent 2,2. Utmattelsesbruddanalyse viser at både mekanisk sprekkforplantning og drivende sprekkforplantning er kvasi-spaltningsbrudd, og den hyppige tilstedeværelsen av overflate hafniumoksid har forverret motstanden mot sprekkforplantning. De oppnådde resultatene viser at et enkelt empirisk kraftlovuttrykk kan oppnå den nødvendige likheten i et bredt spekter av belastningsforhold og geometriske konfigurasjoner, og derved gi en enhetlig beskrivelse av den termomekaniske utmattelsen til formminnelegeringer, og dermed estimere drivkraften.
Fig. 4 SEM-bilde av bruddet til NiTiHf DCT-prøven etter 180 ℃ mekanisk tretthetssprekkeveksteksperiment
Figur 5 Brudd SEM-bilde av NiTiHf DCT-prøve etter kjøring av tretthetssprekkeveksteksperiment under konstant forspenningsbelastning på 250 N
Oppsummert gjennomfører denne artikkelen rene mekaniske og drivende tretthetssprekkerveksteksperimenter på nikkelrike NiTiHf høytemperatur formminnelegeringer for første gang. Basert på syklisk integrasjon, foreslås et kraftlov-sprekkevekstuttrykk av Paris-typen for å tilpasse tretthetssprekkeveksthastigheten til hvert eksperiment under en enkelt parameter
Innleggstid: Sep-07-2021