Τα κράματα μνήμης σχήματος (SMAs) έχουν χαρακτηριστική απόκριση παραμόρφωσης σε θερμομηχανικά ερεθίσματα. Τα θερμομηχανικά ερεθίσματα προέρχονται από υψηλή θερμοκρασία, μετατόπιση, μετασχηματισμό στερεού σε στερεό κ.λπ. (η φάση υψηλής θερμοκρασίας ονομάζεται ωστενίτης και η χαμηλής θερμοκρασίας φάση χαμηλής τάξης ονομάζεται μαρτενσίτης). Οι επαναλαμβανόμενες μεταβάσεις κυκλικής φάσης οδηγούν σε σταδιακή αύξηση των εξαρθρώσεων, έτσι οι μη μετασχηματισμένες περιοχές θα μειώσουν τη λειτουργικότητα του SMA (που ονομάζεται λειτουργική κόπωση) και θα δημιουργήσουν μικρορωγμές, οι οποίες τελικά θα οδηγήσουν σε φυσική αστοχία όταν ο αριθμός είναι αρκετά μεγάλος. Προφανώς, η κατανόηση της συμπεριφοράς ζωής κόπωσης αυτών των κραμάτων, η επίλυση του προβλήματος του ακριβού σκραπ εξαρτημάτων και η μείωση του κύκλου ανάπτυξης υλικών και σχεδίασης προϊόντων θα δημιουργήσουν τεράστια οικονομική πίεση.
Η θερμομηχανική κόπωση δεν έχει διερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό, ειδικά η έλλειψη έρευνας για τη διάδοση των ρωγμών κόπωσης κάτω από θερμομηχανικούς κύκλους. Στην πρώιμη εφαρμογή του SMA στη βιοϊατρική, το επίκεντρο της έρευνας για την κόπωση ήταν η συνολική διάρκεια ζωής των δειγμάτων «χωρίς ελαττώματα» υπό κυκλικά μηχανικά φορτία. Σε εφαρμογές με μικρή γεωμετρία SMA, η ανάπτυξη ρωγμών κόπωσης έχει μικρή επίδραση στη ζωή, επομένως η έρευνα επικεντρώνεται στην πρόληψη της έναρξης της ρωγμής αντί στον έλεγχο της ανάπτυξής της. σε εφαρμογές οδήγησης, μείωσης κραδασμών και απορρόφησης ενέργειας, είναι απαραίτητο να αποκτήσετε γρήγορα ισχύ. Τα εξαρτήματα SMA είναι συνήθως αρκετά μεγάλα ώστε να διατηρούν σημαντική διάδοση ρωγμών πριν από την αστοχία. Επομένως, για να πληρούνται οι απαραίτητες απαιτήσεις αξιοπιστίας και ασφάλειας, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πλήρως και να ποσοτικοποιήσουμε τη συμπεριφορά ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης μέσω της μεθόδου ανοχής ζημιών. Η εφαρμογή μεθόδων ανοχής βλαβών που βασίζονται στην έννοια της μηχανικής θραύσης στο SMA δεν είναι απλή. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά δομικά μέταλλα, η ύπαρξη αναστρέψιμης μετάπτωσης φάσης και θερμομηχανικής σύζευξης θέτει νέες προκλήσεις για την αποτελεσματική περιγραφή της θραύσης κόπωσης και υπερφόρτωσης του SMA.
Ερευνητές από το πανεπιστήμιο Texas A&M στις Ηνωμένες Πολιτείες διεξήγαγαν για πρώτη φορά αμιγώς μηχανικά πειράματα ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης σε υπερκράμα Ni50.3Ti29.7Hf20 και πρότειναν μια έκφραση νόμου ισχύος τύπου Παρισιού ενσωματωμένου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το Fit the fatigue ρυθμός ανάπτυξης ρωγμών κάτω από μία μόνο παράμετρο. Από αυτό συνάγεται ότι η εμπειρική σχέση με τον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμών μπορεί να προσαρμοστεί μεταξύ διαφορετικών συνθηκών φόρτωσης και γεωμετρικών διαμορφώσεων, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ένας πιθανός ενοποιημένος περιγραφέας της ανάπτυξης ρωγμών παραμόρφωσης σε SMAs. Η σχετική εργασία δημοσιεύτηκε στο Acta Materialia με τίτλο «A Unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys».
Σύνδεσμος σε χαρτί:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Η μελέτη διαπίστωσε ότι όταν το κράμα Ni50.3Ti29.7Hf20 υποβάλλεται σε μονοαξονική δοκιμή εφελκυσμού στους 180℃, ο ωστενίτης παραμορφώνεται κυρίως ελαστικά υπό χαμηλό επίπεδο τάσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτωσης και το μέτρο του Young είναι περίπου 90GPa. Όταν η τάση φτάσει περίπου τα 300 MPa Στην αρχή του μετασχηματισμού θετικής φάσης, ο ωστενίτης μετατρέπεται σε μαρτενσίτη που προκαλείται από το στρες. κατά την εκφόρτωση, ο μαρτενσίτης που προκαλείται από καταπόνηση υφίσταται κυρίως ελαστική παραμόρφωση, με συντελεστή Young περίπου 60 GPa, και στη συνέχεια μετατρέπεται ξανά σε ωστενίτη. Μέσω της ενοποίησης, ο ρυθμός αύξησης των ρωγμών κόπωσης των δομικών υλικών έχει προσαρμοστεί στην έκφραση του νόμου ισχύος τύπου Παρισιού.
Εικ. 1 εικόνα ΣΕΒ του κράματος μνήμης σχήματος Ni50.3Ti29.7Hf20 υψηλής θερμοκρασίας και κατανομή μεγέθους σωματιδίων οξειδίου
Εικόνα 2 Εικόνα TEM του κράματος μνήμης σχήματος Ni50.3Ti29.7Hf20 υψηλής θερμοκρασίας μετά από θερμική επεξεργασία σε 550℃×3h
Εικ. 3 Η σχέση μεταξύ J και da/dN της ανάπτυξης ρωγμών μηχανικής κόπωσης του δείγματος DCT NiTiHf στους 180℃
Στα πειράματα αυτού του άρθρου, αποδείχθηκε ότι αυτός ο τύπος μπορεί να χωρέσει τα δεδομένα του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης από όλα τα πειράματα και μπορεί να χρησιμοποιήσει το ίδιο σύνολο παραμέτρων. Ο εκθέτης του νόμου ισχύος m είναι περίπου 2,2. Η ανάλυση θραύσης κόπωσης δείχνει ότι τόσο η διάδοση της μηχανικής ρωγμής όσο και η διάδοση της ρωγμής είναι σχεδόν ρήγματα και η συχνή παρουσία επιφανειακού οξειδίου του αφνίου έχει επιδεινώσει την αντίσταση διάδοσης της ρωγμής. Τα ληφθέντα αποτελέσματα δείχνουν ότι μια μοναδική εμπειρική έκφραση νόμου ισχύος μπορεί να επιτύχει την απαιτούμενη ομοιότητα σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών φόρτωσης και γεωμετρικών διαμορφώσεων, παρέχοντας έτσι μια ενοποιημένη περιγραφή της θερμομηχανικής κόπωσης των κραμάτων μνήμης σχήματος, εκτιμώντας έτσι την κινητήρια δύναμη.
Εικ. 4 Εικόνα SEM του κατάγματος του δείγματος NiTiHf DCT μετά από πείραμα ανάπτυξης ρωγμών μηχανικής κόπωσης 180℃
Σχήμα 5 Εικόνα SEM θραύσης δείγματος NiTiHf DCT μετά από πείραμα ανάπτυξης ρωγμών κούρασης υπό σταθερό φορτίο πόλωσης 250 N
Συνοπτικά, αυτό το έγγραφο διεξάγει για πρώτη φορά καθαρά μηχανικά πειράματα ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης σε κράματα μνήμης υψηλής θερμοκρασίας NiTiHf πλούσια σε νικέλιο. Με βάση την κυκλική ολοκλήρωση, προτείνεται μια έκφραση ανάπτυξης ρωγμής τύπου power-law του Παρισιού για να ταιριάζει στον ρυθμό ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης κάθε πειράματος κάτω από μία μόνο παράμετρο
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-07-2021