Aliajele cu memorie de formă (SMA) au un răspuns caracteristic de deformare la stimulii termomecanici. Stimulii termomecanici provin din temperatură ridicată, deplasare, transformare solid în solid etc. (faza de ordin înalt la temperatură înaltă se numește austenită, iar faza de ordin inferioară la temperatură joasă se numește martensită). Tranzițiile repetate de fază ciclică duc la o creștere treptată a luxațiilor, astfel încât zonele netransformate vor reduce funcționalitatea SMA (numită oboseală funcțională) și vor produce microfisuri, care vor duce în cele din urmă la defecțiuni fizice atunci când numărul este suficient de mare. În mod evident, înțelegerea comportamentului de viață la oboseală al acestor aliaje, rezolvarea problemei deșeurilor de componente scumpe și reducerea ciclului de dezvoltare a materialelor și de proiectare a produsului vor genera o presiune economică uriașă.
Oboseala termo-mecanica nu a fost explorata in mare masura, in special lipsa cercetarii privind propagarea fisurilor de oboseala in cicluri termo-mecanice. În implementarea timpurie a SMA în biomedicină, centrul cercetării oboselii a fost durata de viață totală a probelor „fără defecte” sub sarcini mecanice ciclice. În aplicațiile cu geometrie SMA mică, creșterea fisurilor prin oboseală are un efect redus asupra vieții, așa că cercetarea se concentrează mai degrabă pe prevenirea inițierii fisurilor decât pe controlul creșterii acesteia; în aplicații de conducere, de reducere a vibrațiilor și de absorbție a energiei, este necesar să obțineți rapid puterea. Componentele SMA sunt de obicei suficient de mari pentru a menține o propagare semnificativă a fisurilor înainte de defectare. Prin urmare, pentru a îndeplini cerințele necesare de fiabilitate și siguranță, este necesar să se înțeleagă pe deplin și să se cuantifice comportamentul de creștere a fisurilor de oboseală prin metoda toleranței la deteriorare. Aplicarea metodelor de toleranță la deteriorare care se bazează pe conceptul de mecanică a fracturii în SMA nu este simplă. În comparație cu metalele structurale tradiționale, existența tranziției de fază reversibilă și a cuplării termo-mecanice ridică noi provocări pentru a descrie eficient fractura prin oboseală și suprasarcină a SMA.
Cercetătorii de la Universitatea Texas A&M din Statele Unite au efectuat experimente de creștere a fisurilor de oboseală mecanică pură și condusă în superaliaj Ni50.3Ti29.7Hf20 pentru prima dată și au propus o expresie integrală a legii puterii de tip Paris care poate fi utilizată pentru Fit the fatigue. rata de creștere a fisurilor sub un singur parametru. Se deduce din aceasta că relația empirică cu rata de creștere a fisurilor poate fi adaptată între diferite condiții de încărcare și configurații geometrice, care pot fi utilizate ca un potențial descriptor unificat al creșterii fisurilor prin deformare în SMA. Lucrarea aferentă a fost publicată în Acta Materialia cu titlul „A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys”.
Link de hârtie:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Studiul a constatat că, atunci când aliajul Ni50.3Ti29.7Hf20 este supus unui test de tracțiune uniaxial la 180℃, austenita este în principal deformată elastic la un nivel scăzut de efort în timpul procesului de încărcare, iar modulul Young este de aproximativ 90GPa. Când stresul atinge aproximativ 300MPa La începutul transformării în fază pozitivă, austenita se transformă în martensită indusă de stres; la descărcare, martensita indusă de stres suferă în principal deformare elastică, cu un modul Young de aproximativ 60 GPa, și apoi se transformă înapoi în austenită. Prin integrare, rata de creștere a fisurilor la oboseală a materialelor structurale a fost adaptată expresiei legii puterii de tip Paris.
Fig.1 Imaginea BSE a aliajului cu memorie de formă la temperatură ridicată Ni50.3Ti29.7Hf20 și distribuția dimensiunii particulelor de oxid
Figura 2 Imaginea TEM a aliajului Ni50.3Ti29.7Hf20 cu memorie de formă la temperatură înaltă după tratamentul termic la 550℃×3h
Fig. 3 Relația dintre J și da/dN a creșterii fisurilor de oboseală mecanică a specimenului DCT NiTiHf la 180℃
În experimentele din acest articol, s-a dovedit că această formulă se poate potrivi cu datele privind rata de creștere a fisurilor la oboseală din toate experimentele și poate folosi același set de parametri. Exponentul legii puterii m este de aproximativ 2,2. Analiza fracturilor de oboseală arată că atât propagarea fisurilor mecanice, cât și propagarea fisurilor de antrenare sunt fracturi de cvasi-clivaj, iar prezența frecventă a oxidului de hafniu de suprafață a agravat rezistența la propagarea fisurilor. Rezultatele obținute arată că o singură expresie empirică a legii puterii poate atinge similaritatea necesară într-o gamă largă de condiții de încărcare și configurații geometrice, oferind astfel o descriere unificată a oboselii termo-mecanice a aliajelor cu memorie de formă, estimând astfel forța motrice.
Fig. 4 Imagine SEM a fracturii specimenului de NiTiHf DCT după experimentul de creștere a fisurilor de oboseală mecanică la 180℃
Figura 5 Imaginea SEM a fracturii a specimenului DCT NiTiHf după ce a condus experimentul de creștere a fisurilor de oboseală sub sarcină constantă de polarizare de 250 N
În rezumat, această lucrare realizează pentru prima dată experimente de creștere a fisurilor de oboseală mecanică pură și de antrenare pe aliaje NiTiHf bogate în nichel cu memorie de formă la temperaturi înalte. Pe baza integrării ciclice, este propusă o expresie de creștere a fisurilor prin legea puterii de tip Paris pentru a se potrivi cu rata de creștere a fisurilor la oboseală a fiecărui experiment sub un singur parametru.
Ora postării: 07-sept-2021