Az alakmemória ötvözetek (SMA) jellegzetes deformációs reakciót mutatnak a termomechanikus ingerekre. A termomechanikus ingerek magas hőmérsékletből, elmozdulásból, szilárd anyagból szilárd anyaggá átalakulásból stb. származnak (a magas hőmérsékletű magas rendű fázist ausztenitnek, az alacsony hőmérsékletű alacsony rendű fázist martenzitnek nevezzük). Az ismétlődő ciklikus fázisátalakulások a diszlokációk fokozatos növekedéséhez vezetnek, így az át nem alakított területek csökkentik az SMA funkcionalitását (ún. funkcionális fáradtság), és mikrorepedéseket okoznak, amelyek végül fizikai meghibásodáshoz vezetnek, ha a szám elég nagy. Nyilvánvaló, hogy ezen ötvözetek kifáradási élettartamának megértése, a drága alkatrész-hulladék problémájának megoldása, valamint az anyagfejlesztési és terméktervezési ciklus csökkentése hatalmas gazdasági nyomást generál.
A termomechanikus kifáradást nem tárták fel nagymértékben, különösen a kifáradási repedések termomechanikus ciklusok alatti terjedésére vonatkozó kutatások hiányát. Az SMA biomedicinában való korai bevezetése során a fáradtságkutatás fókuszában a „hibamentes” minták teljes élettartama állt ciklikus mechanikai terhelés mellett. Kis SMA geometriájú alkalmazásokban a kifáradási repedések növekedése csekély hatással van az élettartamra, ezért a kutatás a repedés kialakulásának megelőzésére összpontosít, nem pedig a növekedés szabályozására; vezetési, rezgéscsökkentő és energiaelnyelő alkalmazásokban gyors teljesítményre van szükség. Az SMA alkatrészek általában elég nagyok ahhoz, hogy jelentős repedésterjedést tartsanak fenn a meghibásodás előtt. Ezért a szükséges megbízhatósági és biztonsági követelmények teljesítéséhez teljes mértékben meg kell érteni és számszerűsíteni kell a kifáradási repedések növekedési viselkedését a sérüléstűrési módszer segítségével. Az SMA-ban a törésmechanikai koncepción alapuló károsodástűrési módszerek alkalmazása nem egyszerű. A hagyományos szerkezeti fémekkel összehasonlítva a reverzibilis fázisátalakulás és a termomechanikus csatolás új kihívások elé állítja az SMA kifáradási és túlterhelési törésének hatékony leírását.
Az egyesült államokbeli Texas A&M Egyetem kutatói először végeztek tiszta mechanikai és hajtott kifáradási repedésnövekedési kísérleteket Ni50.3Ti29.7Hf20 szuperötvözetben, és javasoltak egy integrál alapú párizsi típusú erőtörvény kifejezést, amely használható a Fit the fatigue-hoz. repedésnövekedési sebesség egyetlen paraméter mellett. Ebből arra következtethetünk, hogy a repedésnövekedési sebességgel fennálló empirikus összefüggés illeszthető a különböző terhelési viszonyok és geometriai konfigurációk között, ami felhasználható az SMA-k deformációs repedésnövekedésének lehetséges egységes leírójaként. A kapcsolódó cikk az Acta Materialiában jelent meg „A mechanikai és működtetési fáradtság repedésnövekedésének egységes leírása alakmemóriás ötvözetekben” címmel.
Papír link:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
A tanulmány megállapította, hogy amikor a Ni50.3Ti29.7Hf20 ötvözetet 180 ℃-on egytengelyű szakítóvizsgálatnak vetik alá, az ausztenit főként rugalmasan deformálódik kis feszültség alatt a terhelési folyamat során, és a Young-modulus körülbelül 90 GPa. Amikor a feszültség eléri a 300 MPa körüli értéket. A pozitív fázistranszformáció kezdetén az ausztenit feszültség által kiváltott martenzitté alakul; kirakodáskor a feszültség által kiváltott martenzit főleg rugalmas deformáción megy keresztül, Young-modulusa körülbelül 60 GPa, majd visszaalakul ausztenitté. Az integráció révén a szerkezeti anyagok kifáradási repedésnövekedési sebessége illeszkedik a párizsi típusú hatványtörvény kifejezéshez.
1. ábra: Ni50.3Ti29.7Hf20 magas hőmérsékletű alakmemóriaötvözet BSE-képe és az oxidrészecskék méreteloszlása
2. ábra: Ni50.3Ti29.7Hf20 magas hőmérsékletű alakmemóriás ötvözet TEM-képe 550 ℃ × 3 órás hőkezelés után
3. ábra: A NiTiHf DCT minta mechanikai fáradásos repedésnövekedésének J és da/dN közötti kapcsolata 180 ℃-on
A cikkben szereplő kísérletek során bebizonyosodott, hogy ez a képlet illeszkedik az összes kísérletből származó kifáradási repedés növekedési sebességi adataihoz, és ugyanazt a paraméterkészletet használhatja. Az m hatványtörvény kitevője körülbelül 2,2. A kifáradásos töréselemzés azt mutatja, hogy mind a mechanikai repedésterjedés, mind a repedésterjedést okozó repedések kvázi hasadási törések, és a felületi hafnium-oxid gyakori jelenléte rontotta a repedésterjedési ellenállást. A kapott eredmények azt mutatják, hogy egyetlen empirikus hatványtörvény kifejezéssel a terhelési feltételek és geometriai konfigurációk széles skálájában elérhető a szükséges hasonlóság, ezáltal egységes leírást adva az alakmemóriás ötvözetek termomechanikai kifáradásáról, ezáltal becsülve a hajtóerőt.
4. ábra NiTiHf DCT próbadarab törésének SEM képe 180 ℃-os mechanikai kifáradásos repedésnövekedési kísérlet után
5. ábra: NiTiHf DCT minta törésének SEM képe kifáradásos repedésnövekedési kísérlet után 250 N állandó előfeszítési terhelés mellett
Összefoglalva, ez a tanulmány először végez tisztán mechanikai és kifáradási repedésnövekedési kísérleteket nikkelben gazdag NiTiHf magas hőmérsékletű alakmemóriaötvözeteken. Ciklikus integráció alapján egy párizsi típusú hatványtörvényű repedésnövekedési kifejezést javasolunk, amely az egyes kísérletek kifáradási repedésnövekedési sebességét egyetlen paraméter alá illeszti.
Feladás időpontja: 2021.07.07