Formhukommelseslegeringer (SMA'er) har en karakteristisk deformationsreaktion på termomekaniske stimuli. Termomekaniske stimuli stammer fra høj temperatur, forskydning, faststof-til-faststof transformation osv. (højtemperatur højordensfase kaldes austenit, og lavtemperatur lavordensfase kaldes martensit). Gentagne cykliske faseovergange fører til en gradvis stigning i dislokationer, så de utransformerede områder vil reducere funktionaliteten af SMA (kaldet funktionel træthed) og producere mikrorevner, som i sidste ende vil føre til fysisk svigt, når antallet er stort nok. Det er klart, at forståelsen af disse legerings udmattelseslevetid, løsning af problemet med dyrt komponentskrot og reduktion af materialeudviklingen og produktdesigncyklussen alt sammen vil generere et enormt økonomisk pres.
Termomekanisk træthed er ikke blevet undersøgt i stort omfang, især manglen på forskning i udmattelsesrevneudbredelse under termomekaniske cyklusser. I den tidlige implementering af SMA i biomedicin var fokus for træthedsforskning den samlede levetid for "defektfrie" prøver under cykliske mekaniske belastninger. I applikationer med lille SMA-geometri har træthedsrevnevækst ringe effekt på livet, så forskningen fokuserer på at forhindre revneinitiering i stedet for at kontrollere dens vækst; ved kørsel, vibrationsreduktion og energiabsorbering er det nødvendigt at opnå kraft hurtigt. SMA-komponenter er normalt store nok til at opretholde betydelig revneudbredelse før fejl. For at opfylde de nødvendige pålideligheds- og sikkerhedskrav er det derfor nødvendigt fuldt ud at forstå og kvantificere træthedsrevnens vækstadfærd gennem skadestolerancemetoden. Anvendelsen af skadestolerancemetoder, der bygger på begrebet brudmekanik i SMA, er ikke enkel. Sammenlignet med traditionelle strukturelle metaller udgør eksistensen af reversibel faseovergang og termomekanisk kobling nye udfordringer for effektivt at beskrive træthed og overbelastningsbrud af SMA.
Forskere fra Texas A&M University i USA udførte rene mekaniske og drevne træthedsrevneeksperimenter i Ni50.3Ti29.7Hf20 superlegering for første gang og foreslog et integralbaseret kraftlovudtryk af Paris-typen, der kan bruges til Fit the fatigue revnevæksthastighed under en enkelt parameter. Det udledes af dette, at det empiriske forhold med revnevæksthastighed kan tilpasses mellem forskellige belastningsforhold og geometriske konfigurationer, som kan bruges som en potentiel samlet deskriptor af deformationsrevnevækst i SMA'er. Det relaterede papir blev offentliggjort i Acta Materialia med titlen "En samlet beskrivelse af mekanisk og aktiveringstræthedsrevnevækst i formhukommelseslegeringer".
Papirlink:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Undersøgelsen fandt, at når Ni50.3Ti29.7Hf20-legering udsættes for enakset trækprøve ved 180 ℃, bliver austenitten hovedsageligt elastisk deformeret under lavt spændingsniveau under belastningsprocessen, og Youngs modul er omkring 90GPa. Når spændingen når omkring 300 MPa Ved begyndelsen af den positive fasetransformation omdannes austenit til spændingsinduceret martensit; ved aflæsning gennemgår stress-induceret martensit hovedsageligt elastisk deformation med et Young's modul på omkring 60 GPa og omdannes derefter tilbage til austenit. Gennem integration er træthedsrevnevæksthastigheden af strukturelle materialer blevet tilpasset til Paris-typens magtlovsudtryk.
Fig. 1 BSE-billede af Ni50.3Ti29.7Hf20 højtemperatur formhukommelseslegering og størrelsesfordeling af oxidpartikler
Figur 2 TEM-billede af Ni50.3Ti29.7Hf20 højtemperatur formhukommelseslegering efter varmebehandling ved 550 ℃ × 3 timer
Fig. 3 Forholdet mellem J og da/dN af mekanisk træthedsrevnevækst af NiTiHf DCT-prøve ved 180 ℃
I eksperimenterne i denne artikel er det bevist, at denne formel kan passe til træthedsrevnevækstdataene fra alle eksperimenter og kan bruge det samme sæt parametre. Potensloveksponenten m er omkring 2,2. Analyse af træthedsbrud viser, at både mekanisk revneudbredelse og drivende revneudbredelse er kvasi-spaltningsbrud, og den hyppige tilstedeværelse af overflade hafniumoxid har forværret modstanden mod sprækkeudbredelse. De opnåede resultater viser, at et enkelt empirisk kraftlovsudtryk kan opnå den nødvendige lighed i en bred vifte af belastningsforhold og geometriske konfigurationer, og derved give en samlet beskrivelse af den termomekaniske træthed af formhukommelseslegeringer og derved estimere drivkraften.
Fig. 4 SEM-billede af bruddet af NiTiHf DCT-prøve efter 180℃ mekanisk træthedsrevnevæksteksperiment
Figur 5 Brud-SEM-billede af NiTiHf DCT-prøve efter kørsel af træthedsrevnevæksteksperiment under konstant biasbelastning på 250 N
Sammenfattende udfører dette papir rene mekaniske og drivende træthedsrevneeksperimenter på nikkelrige NiTiHf højtemperatur formhukommelseslegeringer for første gang. Baseret på cyklisk integration foreslås et kraftlovs-revnevækstudtryk af Paris-typen for at passe til træthedsrevnevæksthastigheden for hvert eksperiment under en enkelt parameter
Posttid: 07-07-2021