Nejlepší metalový časopis „Acta Materialia“: Chování při růstu únavových trhlin u slitin s tvarovou pamětí

Slitiny s tvarovou pamětí (SMA) mají charakteristickou deformační odezvu na termomechanické podněty. Termomechanické podněty pocházejí z vysoké teploty, přemístění, přeměny pevné látky na pevnou látku atd. (vysokoteplotní fáze vysokého řádu se nazývá austenit a nízkoteplotní fáze nízkého řádu se nazývá martenzit). Opakované cyklické fázové přechody vedou k postupnému nárůstu dislokací, takže netransformované oblasti sníží funkčnost SMA (tzv. funkční únava) a produkují mikrotrhliny, které nakonec povedou k fyzickému selhání, když je počet dostatečně velký. Pochopení chování těchto slitin při únavové životnosti, vyřešení problému zmetkovitosti drahých součástí a omezení cyklu vývoje materiálu a návrhu výrobku budou samozřejmě vytvářet obrovský ekonomický tlak.

Termomechanická únava nebyla do značné míry prozkoumána, zejména nedostatek výzkumu šíření únavových trhlin v termomechanických cyklech. V rané implementaci SMA v biomedicíně se výzkum únavy zaměřil na celkovou životnost „bezvadných“ vzorků při cyklickém mechanickém zatížení. V aplikacích s malou geometrií SMA má růst únavových trhlin malý vliv na životnost, takže se výzkum zaměřuje spíše na prevenci iniciace trhliny než na kontrolu jejího růstu; v aplikacích řízení, snižování vibrací a pohlcování energie je nutné získat výkon rychle. Komponenty SMA jsou obvykle dostatečně velké na to, aby udržely značné šíření trhlin před selháním. Pro splnění nezbytných požadavků na spolehlivost a bezpečnost je proto nutné plně pochopit a kvantifikovat chování při růstu únavových trhlin pomocí metody tolerance poškození. Aplikace metod tolerance poškození, které se opírají o koncept lomové mechaniky v SMA, není jednoduchá. Ve srovnání s tradičními konstrukčními kovy představuje existence reverzibilního fázového přechodu a termomechanické vazby nové výzvy k účinnému popisu únavového a přetíženého lomu SMA.

Výzkumníci z Texas A&M University ve Spojených státech provedli poprvé čistě mechanické a řízené experimenty s růstem únavových trhlin v superslitině Ni50.3Ti29.7Hf20 a navrhli integrální výraz mocninového zákona pařížského typu, který lze použít pro Fit the únava rychlost růstu trhliny pod jedním parametrem. Z toho lze usuzovat, že empirický vztah s rychlostí růstu trhliny lze proložit mezi různé podmínky zatížení a geometrické konfigurace, což lze použít jako potenciální jednotný deskriptor růstu deformačních trhlin v SMA. Související článek byl publikován v Acta Materialia s názvem „Jednotný popis růstu mechanických a ovládacích únavových trhlin ve slitinách s tvarovou pamětí“.

Odkaz na papír:

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

Studie zjistila, že když je slitina Ni50.3Ti29.7Hf20 podrobena jednoosé tahové zkoušce při 180℃, austenit je převážně elasticky deformován při nízké úrovni napětí během procesu zatěžování a Youngův modul je asi 90 GPa. Když napětí dosáhne asi 300 MPa Na začátku pozitivní fázové přeměny se austenit přemění na stresem indukovaný martenzit; při odlehčení podléhá napětím indukovaný martenzit především elastické deformaci s Youngovým modulem přibližně 60 GPa a poté se přemění zpět na austenit. Prostřednictvím integrace byla rychlost růstu únavových trhlin konstrukčních materiálů přizpůsobena výrazu mocninného zákona pařížského typu.
Obr.1 BSE snímek vysokoteplotní slitiny s tvarovou pamětí Ni50.3Ti29.7Hf20 a distribuce velikosti oxidových částic
Obrázek 2 TEM snímek Ni50.3Ti29.7Hf20 vysokoteplotní slitiny s tvarovou pamětí po tepelném zpracování při 550℃×3h
Obr. 3 Vztah mezi J a da/dN růstu mechanické únavové trhliny vzorku NiTiHf DCT při 180℃

V experimentech v tomto článku bylo prokázáno, že tento vzorec může vyhovovat datům rychlosti růstu únavových trhlin ze všech experimentů a může používat stejnou sadu parametrů. Mocninný exponent m je asi 2,2. Analýza únavového lomu ukazuje, že jak šíření mechanické trhliny, tak její šíření jsou kvazištěpné lomy a častá přítomnost povrchového oxidu hafnia zhoršila odolnost proti šíření trhliny. Získané výsledky ukazují, že jediným empirickým mocninným vyjádřením lze dosáhnout požadované podobnosti v širokém rozsahu zatěžovacích podmínek a geometrických konfigurací, a tím poskytnout jednotný popis termomechanické únavy slitin s tvarovou pamětí, a tím odhadnout hnací sílu.
Obr. 4 SEM snímek lomu vzorku NiTiHf DCT po experimentu s růstem trhliny při mechanické únavě 180 °C
Obrázek 5 Snímek lomu SEM vzorku NiTiHf DCT po experimentu s růstem únavové trhliny při konstantním zatížení 250 N

Stručně řečeno, tento článek poprvé provádí čistě mechanické experimenty s růstem únavových trhlin na slitinách s tvarovou pamětí bohatých na nikl NiTiHf s vysokou teplotou. Na základě cyklické integrace je navrženo vyjádření růstu trhlin podle mocninového zákona pařížského typu, aby se rychlost růstu únavových trhlin každého experimentu přizpůsobila jedinému parametru.


Čas odeslání: září-07-2021