Zlitine s spominom na obliko (SMA) imajo značilen deformacijski odziv na termomehanske dražljaje. Termomehanski dražljaji izvirajo iz visoke temperature, premika, preoblikovanja trdnega v trdno itd. (visokotemperaturna faza visokega reda se imenuje avstenit, nizkotemperaturna faza nizkega reda pa martenzit). Ponavljajoči se ciklični fazni prehodi vodijo do postopnega povečanja dislokacij, zato bodo netransformirana področja zmanjšala funkcionalnost SMA (imenovana funkcionalna utrujenost) in povzročila mikrorazpoke, ki bodo sčasoma privedle do fizične okvare, ko bo število dovolj veliko. Očitno bo razumevanje življenjske dobe teh zlitin zaradi utrujenosti, reševanje problema dragih odpadkov komponent in zmanjšanje cikla razvoja materiala in oblikovanja izdelkov povzročilo velik gospodarski pritisk.
Termomehanska utrujenost ni bila v veliki meri raziskana, zlasti pomanjkanje raziskav o širjenju utrujenih razpok pri termomehanskih ciklih. V zgodnji uvedbi SMA v biomedicino je bila v središču raziskav utrujenosti celotna življenjska doba vzorcev »brez napak« pri cikličnih mehanskih obremenitvah. Pri aplikacijah z majhno geometrijo SMA rast razpok zaradi utrujenosti malo vpliva na življenjsko dobo, zato se raziskave osredotočajo na preprečevanje nastanka razpok in ne na nadzor njene rasti; pri vožnji, zmanjševanju tresljajev in absorpciji energije je potrebno hitro pridobiti moč. Komponente SMA so običajno dovolj velike, da ohranijo znatno širjenje razpok pred okvaro. Zato je za izpolnjevanje potrebnih zahtev glede zanesljivosti in varnosti potrebno v celoti razumeti in količinsko opredeliti obnašanje rasti utrujenostnih razpok z metodo tolerance poškodb. Uporaba metod tolerance poškodb, ki se zanašajo na koncept mehanike loma v SMA, ni enostavna. V primerjavi s tradicionalnimi konstrukcijskimi kovinami obstoj reverzibilnega faznega prehoda in termomehanske sklopke predstavlja nove izzive za učinkovito opisovanje utrujenosti in preobremenitvenega zloma SMA.
Raziskovalci z Univerze Texas A&M v Združenih državah so prvič izvedli poskuse rasti razpok zaradi mehanične in poganjane utrujenosti v superzlitini Ni50.3Ti29.7Hf20 in predlagali integralni izraz moči pariškega tipa, ki ga je mogoče uporabiti za Fit the utrujenost. hitrost rasti razpok pod enim samim parametrom. Iz tega sklepamo, da je empirično razmerje s hitrostjo rasti razpok mogoče prilagoditi med različnimi pogoji obremenitve in geometrijskimi konfiguracijami, ki jih je mogoče uporabiti kot potencialni enoten deskriptor rasti deformacijskih razpok v SMA. Sorodni članek je bil objavljen v Acta Materialia z naslovom "Enoten opis rasti mehanskih in sprožilnih utrujenih razpok v zlitinah s spominom na obliko".
Povezava na papir:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Študija je pokazala, da je avstenit, ko je zlitina Ni50.3Ti29.7Hf20 podvržena enoosnemu nateznemu preskusu pri 180 ℃, v glavnem elastično deformiran pod nizko stopnjo napetosti med procesom obremenitve, Youngov modul pa je približno 90 GPa. Ko napetost doseže približno 300MPa. Na začetku pozitivne fazne transformacije se avstenit spremeni v stresno povzročen martenzit; pri razkladanju se martenzit, ki ga povzroča napetost, večinoma elastično deformira, z Youngovim modulom približno 60 GPa, nato pa se preoblikuje nazaj v avstenit. Z integracijo je bila stopnja rasti razpok zaradi utrujenosti konstrukcijskih materialov prilagojena izrazu potenzivnega zakona pariškega tipa.
Slika 1 BSE slika Ni50.3Ti29.7Hf20 visokotemperaturne zlitine s spominom oblike in porazdelitev velikosti oksidnih delcev
Slika 2 TEM slika Ni50.3Ti29.7Hf20 visokotemperaturne zlitine s spominom oblike po toplotni obdelavi pri 550℃×3h
Slika 3 Razmerje med J in da/dN rasti razpok zaradi mehanske utrujenosti vzorca NiTiHf DCT pri 180 ℃
V poskusih v tem članku je dokazano, da ta formula lahko ustreza podatkom o stopnji rasti utrujenostne razpoke iz vseh poskusov in lahko uporablja isti nabor parametrov. Potenčni eksponent m je približno 2,2. Analiza utrujenega loma kaže, da sta tako mehansko širjenje razpok kot tudi širjenje razpok navidezni razcepni zlomi, pogosta prisotnost površinskega hafnijevega oksida pa je poslabšala odpornost na širjenje razpok. Dobljeni rezultati kažejo, da lahko z enim samim empiričnim izrazom moči dosežemo zahtevano podobnost v širokem razponu obremenitvenih pogojev in geometrijskih konfiguracij, s čimer zagotovimo enoten opis termomehanske utrujenosti zlitin s spominom oblike in s tem ocenimo gonilno silo.
Slika 4 SEM slika zloma vzorca NiTiHf DCT po poskusu rasti razpok pri mehanski utrujenosti 180 ℃
Slika 5 SEM slika zloma vzorca NiTiHf DCT po poskusu rasti utrujenih razpok pri konstantni prednapetosti 250 N
Če povzamemo, ta prispevek prvič izvaja čiste mehanske in pogonske poskuse rasti razpok zaradi utrujenosti na visokotemperaturnih zlitinah NiTiHf, bogatih z nikljem. Na podlagi ciklične integracije je predlagan izraz rasti razpok po potehničnem zakonu tipa Paris, ki ustreza hitrosti rasti utrujenostne razpoke vsakega poskusa pod enim samim parametrom
Čas objave: 07.09.2021