Formminneslegeringar (SMA) har ett karakteristiskt deformationssvar på termomekaniska stimuli. Termomekaniska stimuli härrör från hög temperatur, förskjutning, fast-till-fast-transformation, etc. (hög temperatur hög ordningsfas kallas austenit, och lågtemperatur lågordningsfas kallas martensit). Upprepade cykliska fasövergångar leder till en gradvis ökning av dislokationer, så de otransformerade områdena kommer att minska funktionaliteten hos SMA (kallad funktionell trötthet) och producera mikrosprickor, som så småningom kommer att leda till fysiskt fel när antalet är tillräckligt stort. Uppenbarligen kommer förståelse av utmattningslivslängden hos dessa legeringar, att lösa problemet med dyrt komponentskrot och att minska materialutvecklingen och produktdesigncykeln att skapa ett enormt ekonomiskt tryck.
Termomekanisk utmattning har inte undersökts i stor utsträckning, särskilt bristen på forskning om utmattningssprickförökning under termomekaniska cykler. I den tidiga implementeringen av SMA inom biomedicin var fokus för utmattningsforskning den totala livslängden för "defektfria" prover under cykliska mekaniska belastningar. I applikationer med liten SMA-geometri har tillväxt av utmattningssprickor liten effekt på livet, så forskningen fokuserar på att förhindra sprickinitiering snarare än att kontrollera dess tillväxt; vid körning, vibrationsreducering och energiabsorbering är det nödvändigt att snabbt få kraft. SMA-komponenter är vanligtvis tillräckligt stora för att upprätthålla betydande sprickutbredning innan fel. För att uppfylla de nödvändiga tillförlitlighets- och säkerhetskraven är det därför nödvändigt att helt förstå och kvantifiera utmattningssprickans tillväxtbeteende genom skadetoleransmetoden. Tillämpningen av skadetoleransmetoder som bygger på begreppet frakturmekanik i SMA är inte enkel. Jämfört med traditionella strukturella metaller innebär förekomsten av reversibel fasövergång och termomekanisk koppling nya utmaningar för att effektivt beskriva utmattnings- och överbelastningsbrott av SMA.
Forskare från Texas A&M University i USA genomförde rena mekaniska och drivna utmattningsspricktillväxtexperiment i Ni50.3Ti29.7Hf20 superlegering för första gången och föreslog ett integralbaserat kraftlagsuttryck av Paris-typ som kan användas för Fit the fatigue spricktillväxt under en enda parameter. Man drar slutsatsen av detta att det empiriska förhållandet med spricktillväxthastighet kan passas in mellan olika belastningsförhållanden och geometriska konfigurationer, vilket kan användas som en potentiell enhetlig deskriptor av deformationsspricktillväxt i SMA. Den relaterade artikeln publicerades i Acta Materialia med titeln "A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys".
Papperslänk:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Studien fann att när Ni50.3Ti29.7Hf20-legering utsätts för enaxlig dragtest vid 180 ℃, deformeras austeniten huvudsakligen elastiskt under låg spänningsnivå under belastningsprocessen, och Youngs modul är cirka 90GPa. När spänningen når cirka 300 MPa I början av den positiva fastransformationen omvandlas austenit till stressinducerad martensit; vid lossning genomgår stressinducerad martensit huvudsakligen elastisk deformation, med en Young's modul på cirka 60 GPa, och omvandlas sedan tillbaka till austenit. Genom integration har utmattningsspricktillväxthastigheten för strukturella material anpassats till kraftlagsuttrycket av Paris-typ.
Fig. 1 BSE-bild av Ni50.3Ti29.7Hf20 högtemperaturformminneslegering och storleksfördelning av oxidpartiklar
Figur 2 TEM-bild av Ni50.3Ti29.7Hf20 högtemperaturformminneslegering efter värmebehandling vid 550℃×3h
Fig. 3 Förhållandet mellan J och da/dN för mekanisk utmattningsspricktillväxt av NiTiHf DCT-prov vid 180 ℃
I experimenten i den här artikeln är det bevisat att denna formel kan passa data för tillväxthastigheten för utmattningssprickor från alla experiment och kan använda samma uppsättning parametrar. Potenslagsexponenten m är cirka 2,2. Analys av utmattningssprickor visar att både mekanisk sprickutbredning och drivande sprickutbredning är kvasi-klyvningssprickor, och den frekventa närvaron av yt hafniumoxid har förvärrat sprickutbredningsmotståndet. De erhållna resultaten visar att ett enda empiriskt kraftlagsuttryck kan uppnå den erforderliga likheten i ett brett spektrum av belastningsförhållanden och geometriska konfigurationer, och därigenom tillhandahålla en enhetlig beskrivning av den termomekaniska utmattningen av formminneslegeringar, och därigenom uppskatta drivkraften.
Fig. 4 SEM-bild av frakturen av NiTiHf DCT-prov efter 180 ℃ mekanisk utmattningsspricktillväxtexperiment
Figur 5 Fraktur SEM-bild av NiTiHf DCT-prov efter drivning av utmattningsspricktillväxtexperiment under konstant biasbelastning på 250 N
Sammanfattningsvis genomför denna uppsats rena mekaniska och drivande utmattningsspricktillväxtexperiment på nickelrika NiTiHf högtemperaturformminneslegeringar för första gången. Baserat på cyklisk integration föreslås ett kraftlags-spricktillväxtuttryck av Paris-typ för att passa utmattningsspricktillväxthastigheten för varje experiment under en enda parameter
Posttid: 2021-07-07