Сплавите с памет на формата (SMA) имат характерен деформационен отговор на термомеханични стимули. Термомеханичните стимули произлизат от висока температура, изместване, трансформация от твърдо в твърдо и т.н. (високотемпературната фаза от висок ред се нарича аустенит, а нискотемпературната фаза от нисък ред се нарича мартензит). Повтарящите се циклични фазови преходи водят до постепенно увеличаване на дислокациите, така че нетрансформираните зони ще намалят функционалността на SMA (наречена функционална умора) и ще произведат микропукнатини, които в крайна сметка ще доведат до физическа повреда, когато броят им е достатъчно голям. Очевидно разбирането на експлоатационния живот на тези сплави при умора, решаването на проблема със скрап от скъпи компоненти и намаляването на цикъла на разработка на материали и дизайн на продукта ще генерира огромен икономически натиск.
Термомеханичната умора не е изследвана в голяма степен, особено липсата на изследвания за разпространението на пукнатини от умора при термомеханични цикли. При ранното прилагане на SMA в биомедицината, фокусът на изследването на умората беше общият живот на пробите без дефекти при циклични механични натоварвания. В приложения с малка геометрия на SMA, растежът на пукнатината от умора има малък ефект върху живота, така че изследването се фокусира върху предотвратяването на образуването на пукнатини, а не върху контролирането на нейния растеж; при шофиране, намаляване на вибрациите и приложения за поглъщане на енергия е необходимо бързо да се получи мощност. Компонентите на SMA обикновено са достатъчно големи, за да поддържат значително разпространение на пукнатината преди повреда. Следователно, за да се изпълнят необходимите изисквания за надеждност и безопасност, е необходимо напълно да се разбере и да се определи количествено поведението на растеж на пукнатини от умора чрез метода за толерантност на повреди. Прилагането на методите за толерантност на повреди, които разчитат на концепцията за механика на счупване в SMA, не е просто. В сравнение с традиционните структурни метали, съществуването на обратим фазов преход и термомеханично свързване поставя нови предизвикателства за ефективно описване на фрактурата на умора и претоварване на SMA.
Изследователи от Тексаския университет A&M в Съединените щати проведоха експерименти с чисти механични и задвижвани пукнатини от умора в суперсплав Ni50.3Ti29.7Hf20 за първи път и предложиха интегрално базиран израз на степенен закон от Париж, който може да се използва за приспособяване на умората скорост на растеж на пукнатината при един параметър. От това се прави извод, че емпиричната връзка със скоростта на растеж на пукнатината може да бъде монтирана между различни условия на натоварване и геометрични конфигурации, които могат да бъдат използвани като потенциален унифициран дескриптор на растежа на деформационните пукнатини в SMA. Свързаната статия е публикувана в Acta Materialia със заглавие „Единно описание на растежа на пукнатини от механична и задействаща умора в сплави с памет на формата“.
Линк на хартия:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Проучването установи, че когато сплав Ni50.3Ti29.7Hf20 е подложена на едноосово изпитване на опън при 180 ℃, аустенитът се деформира главно еластично при ниско ниво на напрежение по време на процеса на натоварване, а модулът на Young е около 90 GPa. Когато напрежението достигне около 300MPa В началото на положителната фазова трансформация, аустенитът се трансформира в индуциран от напрежение мартензит; при разтоварване предизвиканият от напрежение мартензит основно претърпява еластична деформация с модул на Йънг от около 60 GPa и след това се трансформира обратно в аустенит. Чрез интегриране скоростта на нарастване на пукнатината от умора на структурните материали е съобразена с израза на степенния закон от Париж.
Фиг.1 BSE изображение на Ni50.3Ti29.7Hf20 високотемпературна сплав с памет на формата и разпределение по размер на оксидните частици
Фигура 2 TEM изображение на Ni50.3Ti29.7Hf20 високотемпературна сплав с памет на формата след термична обработка при 550℃×3h
Фиг. 3 Връзката между J и da/dN на растежа на пукнатини от механична умора на NiTiHf DCT образец при 180 ℃
В експериментите в тази статия е доказано, че тази формула може да отговаря на данните за скоростта на растеж на пукнатината от умора от всички експерименти и може да използва един и същ набор от параметри. Експонентът на степенния закон m е около 2,2. Анализът на счупване от умора показва, че както механичното разпространение на пукнатината, така и задвижващото разпространение на пукнатината са квази-счупващи счупвания и честото присъствие на повърхностен хафниев оксид е влошило устойчивостта на разпространение на пукнатината. Получените резултати показват, че един единствен емпиричен степенен закон може да постигне необходимото сходство в широк диапазон от условия на натоварване и геометрични конфигурации, като по този начин осигурява унифицирано описание на термомеханичната умора на сплавите с памет на формата, като по този начин се оценява движещата сила.
Фиг. 4 SEM изображение на фрактурата на NiTiHf DCT образец след 180℃ експеримент за растеж на пукнатини от механична умора
Фигура 5 SEM изображение на счупване на NiTiHf DCT образец след задвижване на експеримент за растеж на пукнатини от умора при постоянно натоварване на отклонение от 250 N
В обобщение, тази статия за първи път провежда чисти механични и задвижващи експерименти за растеж на пукнатини от умора върху богати на никел NiTiHf високотемпературни сплави с памет на формата. Въз основа на циклична интеграция се предлага израз на растеж на пукнатините от степенен закон от Париж, който да отговаря на скоростта на растеж на пукнатината от умора на всеки експеримент под един параметър
Време за публикуване: 07 септември 2021 г