Vrhunski časopis o metalu “Acta Materialia”: Ponašanje rasta pukotina zbog zamora legura sa memorijom oblika

Legure sa memorijom oblika (SMA) imaju karakterističan odgovor deformacije na termomehaničke podražaje.Termomehanički stimulansi potiču od visoke temperature, pomaka, transformacije čvrstog u čvrsto, itd. (visokotemperaturna faza visokog reda naziva se austenit, a niskotemperaturna faza niskog reda se naziva martenzit).Ponavljani ciklični fazni prijelazi dovode do postepenog povećanja dislokacija, tako da će netransformirana područja smanjiti funkcionalnost SMA (nazvan funkcionalni zamor) i proizvesti mikropukotine, koje će na kraju dovesti do fizičkog kvara kada je broj dovoljno velik.Očigledno, razumijevanje životnog vijeka ovih legura na zamor, rješavanje problema skupog otpada komponenti i smanjenje ciklusa razvoja materijala i dizajna proizvoda će stvoriti ogroman ekonomski pritisak.

Termomehanički zamor nije u velikoj mjeri istražen, posebno nedostatak istraživanja o širenju zamorne prsline u termomehaničkim ciklusima.U ranoj implementaciji SMA u biomedicinu, fokus istraživanja zamora bio je ukupan vijek trajanja uzoraka „bez defekata“ pod cikličnim mehaničkim opterećenjima.U aplikacijama sa malom SMA geometrijom, rast pukotine od zamora ima mali uticaj na životni vek, tako da se istraživanje fokusira na sprečavanje nastanka pukotine, a ne na kontrolu njenog rasta;u aplikacijama za vožnju, smanjenje vibracija i apsorpciju energije, potrebno je brzo dobiti snagu.SMA komponente su obično dovoljno velike da održe značajno širenje pukotine prije loma.Stoga, kako bi se ispunili potrebni zahtjevi za pouzdanost i sigurnost, potrebno je u potpunosti razumjeti i kvantificirati ponašanje rasta zamorne pukotine putem metode tolerancije oštećenja.Primjena metoda tolerancije oštećenja koje se oslanjaju na koncept mehanike loma u SMA nije jednostavna.U poređenju sa tradicionalnim konstrukcijskim metalima, postojanje reverzibilnog faznog prelaza i termomehaničkog spajanja postavlja nove izazove za efikasno opisivanje loma SMA zbog zamora i preopterećenja.

Istraživači sa Teksaškog A&M univerziteta u Sjedinjenim Državama izveli su po prvi put čiste mehaničke i vođene eksperimente rasta pukotina od zamora u superleguri Ni50.3Ti29.7Hf20 i predložili integralno baziran izraz stepena pariškog tipa koji se može koristiti za prilagođavanje zamora stopa rasta pukotine pod jednim parametrom.Iz ovoga se zaključuje da se empirijski odnos sa brzinom rasta prsline može uklopiti između različitih uvjeta opterećenja i geometrijskih konfiguracija, koji se mogu koristiti kao potencijalni unificirani deskriptor rasta deformacijskih prslina u SMA.Srodni rad je objavljen u Acta Materialia pod naslovom „Jedinstveni opis rasta prslina od mehaničkog i pokretačkog zamora u legurama sa pamćenjem oblika“.

Link za papir:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155

Studija je pokazala da kada se legura Ni50.3Ti29.7Hf20 podvrgne jednoosnom testu istezanja na 180℃, austenit se uglavnom elastično deformiše pod niskim nivoom naprezanja tokom procesa opterećenja, a Youngov modul je oko 90 GPa.Kada napon dostigne oko 300MPa Na početku pozitivne fazne transformacije, austenit se pretvara u martenzit izazvan stresom;prilikom rasterećenja, martenzit izazvan naprezanjem uglavnom prolazi kroz elastičnu deformaciju, sa Youngovim modulom od oko 60 GPa, a zatim se ponovo transformiše u austenit.Kroz integraciju, stopa rasta pukotine od zamora strukturalnih materijala je prilagođena izrazu stepena zakona Pariskog tipa.
Slika 1 BSE slika Ni50.3Ti29.7Hf20 legure sa memorijom oblika visoke temperature i distribucije čestica oksida po veličini
Slika 2 TEM slika Ni50.3Ti29.7Hf20 legure sa memorijom oblika visoke temperature nakon termičke obrade na 550℃×3h
Slika 3 Odnos između J i da/dN rasta prsline od mehaničkog zamora NiTiHf DCT uzorka na 180℃

U eksperimentima u ovom članku dokazano je da ova formula može odgovarati podacima o brzini rasta prsline zamora iz svih eksperimenata i može koristiti isti skup parametara.Eksponent zakona stepena m je oko 2,2.Analiza loma od zamora pokazuje da su i mehaničko širenje pukotine i širenje pukotine kvazi lomovi, a česta prisutnost površinskog hafnijevog oksida pogoršala je otpor širenja prsline.Dobiveni rezultati pokazuju da se jednim empirijskim izrazom stepena može postići tražena sličnost u širokom rasponu uvjeta opterećenja i geometrijskih konfiguracija, čime se obezbjeđuje jedinstven opis termomehaničkog zamora legura sa memorijom oblika, čime se procjenjuje pokretačka sila.
Slika 4 SEM slika loma NiTiHf DCT uzorka nakon eksperimenta rasta prsline od mehaničkog zamora od 180℃
Slika 5 SEM slika loma NiTiHf DCT uzorka nakon pokretanja eksperimenta rasta prsline od zamora pod konstantnim opterećenjem od 250 N

Ukratko, ovaj rad po prvi put provodi čiste mehaničke eksperimente i eksperimente rasta prslina usled zamora na niklom bogatim NiTiHf legurama visoke temperature sa memorijom oblika.Zasnovano na cikličkoj integraciji, predlaže se izraz rasta prsline po stepenu Pariskog tipa kako bi odgovarao stopi rasta prsline zamora svakog eksperimenta pod jednim parametrom


Vrijeme objave: Sep-07-2021