Stopy z pamięcią kształtu (SMA) mają charakterystyczną reakcję odkształcenia na bodźce termomechaniczne. Bodźce termomechaniczne pochodzą z wysokiej temperatury, przemieszczenia, przemiany ciała stałego w ciało stałe itp. (faza wysokotemperaturowa wysokiego rzędu nazywana jest austenitem, a faza niskotemperaturowa niskiego rzędu nazywana jest martenzytem). Powtarzające się cykliczne przejścia fazowe prowadzą do stopniowego wzrostu dyslokacji, więc obszary nieprzekształcone zmniejszą funkcjonalność SMA (tzw. zmęczenie funkcjonalne) i wytworzą mikropęknięcia, które ostatecznie doprowadzą do fizycznej awarii, gdy liczba jest wystarczająco duża. Oczywiście, zrozumienie zachowania trwałości zmęczeniowej tych stopów, rozwiązanie problemu kosztownych złomu komponentów oraz skrócenie cyklu opracowywania materiałów i projektowania produktu będzie generować ogromną presję ekonomiczną.
Zmęczenie termomechaniczne nie zostało w dużym stopniu zbadane, zwłaszcza brak badań nad propagacją pęknięć zmęczeniowych w cyklach termomechanicznych. We wczesnym wdrażaniu SMA w biomedycynie badania zmęczeniowe skupiały się na całkowitym okresie eksploatacji „wolnych od defektów” próbek w cyklicznych obciążeniach mechanicznych. W zastosowaniach o małej geometrii SMA wzrost pęknięć zmęczeniowych ma niewielki wpływ na żywotność, dlatego badania koncentrują się na zapobieganiu powstawaniu pęknięć, a nie na kontrolowaniu ich wzrostu; w zastosowaniach związanych z napędem, redukcją drgań i pochłanianiem energii konieczne jest szybkie uzyskanie mocy. Komponenty SMA są zwykle wystarczająco duże, aby utrzymać znaczną propagację pęknięć przed awarią. Dlatego, aby spełnić niezbędne wymagania dotyczące niezawodności i bezpieczeństwa, konieczne jest pełne zrozumienie i ilościowe określenie wzrostu pęknięć zmęczeniowych za pomocą metody tolerancji uszkodzeń. Zastosowanie metod tolerancji uszkodzeń, które opierają się na koncepcji mechaniki pękania w SMA, nie jest proste. W porównaniu z tradycyjnymi metalami konstrukcyjnymi istnienie odwracalnego przejścia fazowego i sprzężenia termomechanicznego stawia nowe wyzwania w zakresie skutecznego opisu pękania zmęczeniowego i przeciążeniowego SMA.
Naukowcy z Texas A&M University w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy przeprowadzili czysto mechaniczne i napędzane eksperymenty wzrostu pęknięć zmęczeniowych w nadstopie Ni50.3Ti29.7Hf20 i zaproponowali całkowe wyrażenie prawa mocy typu paryskiego, które można wykorzystać do dopasowania zmęczenia tempo wzrostu pęknięć pod jednym parametrem. Wnioskuje się z tego, że empiryczny związek z szybkością rozwoju pęknięć można dopasować między różnymi warunkami obciążenia i konfiguracjami geometrycznymi, co może być wykorzystane jako potencjalny ujednolicony deskryptor wzrostu pęknięć odkształceniowych w SMA. Pokrewny artykuł został opublikowany w Acta Materialia pod tytułem „Ujednolicony opis wzrostu pęknięć zmęczeniowych mechanicznych i wykonawczych w stopach z pamięcią kształtu”.
Link do papieru:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Badanie wykazało, że gdy stop Ni50.3Ti29.7Hf20 jest poddawany jednoosiowemu badaniu rozciągania w temperaturze 180℃, austenit jest głównie odkształcany sprężyście przy niskim poziomie naprężeń podczas procesu obciążania, a moduł Younga wynosi około 90GPa. Gdy naprężenie osiągnie około 300MPa Na początku pozytywnej przemiany fazowej austenit przechodzi w martenzyt wywołany naprężeniem; podczas odciążania martenzyt wywołany naprężeniem ulega głównie odkształceniu sprężystemu, z modułem Younga około 60 GPa, a następnie przekształca się z powrotem w austenit. Poprzez integrację, tempo wzrostu pęknięć zmęczeniowych materiałów konstrukcyjnych zostało dopasowane do wyrażenia paryskiego prawa mocy.
Rys.1 Obraz BSE stopu Ni50.3Ti29.7Hf20 z pamięcią kształtu w wysokiej temperaturze i rozkład wielkości cząstek tlenku
Rysunek 2 Obraz TEM stopu Ni50.3Ti29.7Hf20 z pamięcią kształtu w wysokiej temperaturze po obróbce cieplnej w temperaturze 550℃×3h
Rys. 3 Zależność między J a da/dN wzrostu pęknięć zmęczeniowych mechanicznych próbki NiTiHf DCT w temperaturze 180℃
W eksperymentach przedstawionych w tym artykule udowodniono, że formuła ta pasuje do danych dotyczących szybkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych ze wszystkich eksperymentów i może wykorzystywać ten sam zestaw parametrów. Wykładnik potęgi m wynosi około 2,2. Analiza pęknięć zmęczeniowych pokazuje, że zarówno mechaniczna propagacja pęknięć, jak i napędzająca propagację pęknięć są pęknięciami quasi-łupania, a częsta obecność powierzchniowego tlenku hafnu pogorszyła odporność na propagację pęknięć. Uzyskane wyniki pokazują, że jedno wyrażenie empiryczne potęgi może osiągnąć wymagane podobieństwo w szerokim zakresie warunków obciążenia i konfiguracji geometrycznych, zapewniając w ten sposób ujednolicony opis zmęczenia cieplno-mechanicznego stopów z pamięcią kształtu, a tym samym oszacowanie siły napędowej.
Rys. 4 Obraz SEM pęknięcia próbki NiTiHf DCT po eksperymencie wzrostu mechanicznego pęknięcia zmęczeniowego w temperaturze 180℃
Rysunek 5 Obraz złamania SEM próbki NiTiHf DCT po przeprowadzeniu eksperymentu wzrostu pęknięć zmęczeniowych pod stałym obciążeniem polaryzacyjnym 250 N
Podsumowując, w niniejszym artykule po raz pierwszy przeprowadzono czysto mechaniczne i napędzające eksperymenty wzrostu pęknięć zmęczeniowych na bogatych w nikiel stopach NiTiHf z pamięcią kształtu w wysokiej temperaturze. W oparciu o cykliczną integrację zaproponowano wyrażenie siły paryskiego wzrostu pęknięć, aby dopasować tempo wzrostu pęknięć zmęczeniowych w każdym eksperymencie pod jednym parametrem
Czas publikacji: 07.09-2021