Muotomuistiseoksilla (SMA) on tyypillinen muodonmuutosvaste termomekaanisiin ärsykkeisiin. Termomekaaniset ärsykkeet johtuvat korkeasta lämpötilasta, siirtymästä, kiinteästä kiinteäksi muutoksesta jne. (korkean lämpötilan korkean kertaluvun faasia kutsutaan austeniitiksi ja matalan lämpötilan matalan kertaluvun faasia kutsutaan martensiitiksi). Toistuvat sykliset vaihemuutokset johtavat dislokaatioiden asteittaiseen lisääntymiseen, joten muuntamattomat alueet vähentävät SMA:n toimivuutta (kutsutaan toiminnalliseksi väsymykseksi) ja tuottavat mikrohalkeamia, jotka lopulta johtavat fyysiseen epäonnistumiseen, kun määrä on tarpeeksi suuri. On selvää, että näiden metalliseosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtäminen, kalliiden komponenttiromun ongelman ratkaiseminen ja materiaalikehityksen ja tuotesuunnittelun syklin vähentäminen luovat kaikki valtavat taloudelliset paineet.
Termomekaanista väsymystä ei ole tutkittu laajasti, varsinkin väsymishalkeamien etenemistä termomekaanisissa kierroksissa koskevan tutkimuksen puute. SMA:n varhaisessa käyttöönotossa biolääketieteessä väsymystutkimuksen painopiste oli "virheettömien" näytteiden kokonaiskesto syklisissä mekaanisissa kuormiuksissa. Pienen SMA-geometrian sovelluksissa väsymishalkeamien kasvulla on vain vähän vaikutusta elinikään, joten tutkimuksessa keskitytään halkeaman alkamisen estämiseen sen kasvun hallinnan sijaan; ajo-, tärinänvaimennus- ja energianvaimennussovelluksissa on välttämätöntä saada voimaa nopeasti. SMA-komponentit ovat yleensä riittävän suuria ylläpitämään merkittävää halkeaman etenemistä ennen vikaa. Siksi tarvittavien luotettavuus- ja turvallisuusvaatimusten täyttämiseksi on välttämätöntä ymmärtää täysin ja kvantifioida väsymishalkeamien kasvukäyttäytyminen vauriotoleranssimenetelmän avulla. SMA:ssa murtumismekaniikan käsitteeseen perustuvien vauriotoleranssimenetelmien soveltaminen ei ole yksinkertaista. Perinteisiin rakennemetalleihin verrattuna käänteisen faasisiirtymän ja termomekaanisen kytkennän olemassaolo asettaa uusia haasteita SMA:n väsymis- ja ylikuormitusmurtuman kuvaamiselle.
Yhdysvaltalaisen Texas A&M -yliopiston tutkijat suorittivat ensimmäistä kertaa puhtaasti mekaanisia ja ohjattuja väsymishalkeamia kasvavia kokeita Ni50.3Ti29.7Hf20-superseoksella ja ehdottivat integraalipohjaista Paris-tyyppistä teholakilauseketta, jota voidaan käyttää Fit the fatigue -funktioon. halkeaman kasvunopeus yhdellä parametrilla. Tästä päätellään, että empiirinen suhde halkeamien kasvunopeuteen voidaan sovittaa eri kuormitusolosuhteiden ja geometristen konfiguraatioiden välille, mitä voidaan käyttää mahdollisena yhtenäisenä muodonmuutoshalkeaman kasvun kuvaajana SMA:issa. Asiaan liittyvä artikkeli julkaistiin Acta Materialiassa otsikolla "Yhteinen kuvaus mekaanisten ja toimien väsymishalkeamien kasvusta muotomuistiseoksissa".
Paperinen linkki:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Tutkimuksessa havaittiin, että kun Ni50.3Ti29.7Hf20-seokselle suoritetaan yksiakselinen vetokoe 180 ℃:ssa, austeniitti muuntuu pääasiassa elastisesti alhaisella jännitystasolla kuormitusprosessin aikana ja Youngin moduuli on noin 90 GPa. Kun jännitys saavuttaa noin 300 MPa Positiivisen faasimuutoksen alussa austeniitti muuttuu jännityksen aiheuttamaksi martensiitiksi; purkamisen aikana jännityksen aiheuttama martensiitti joutuu pääasiassa elastisen muodonmuutoksen läpi, jonka Youngin moduuli on noin 60 GPa, ja muuttuu sitten takaisin austeniitiksi. Integroinnin avulla rakennemateriaalien väsymishalkeamien kasvunopeus on sovitettu Pariisin tyyppiseen teholain lausekkeeseen.
Kuva 1 BSE-kuva Ni50.3Ti29.7Hf20 korkean lämpötilan muotomuistiseoksesta ja oksidihiukkasten kokojakaumasta
Kuva 2 TEM-kuva korkean lämpötilan muotoisesta muistiseoksesta Ni50.3Ti29.7Hf20 lämpökäsittelyn jälkeen 550 ℃ × 3 h
Kuva 3 NiTiHf DCT -näytteen mekaanisen väsymishalkeaman kasvun J:n ja da/dN:n välinen suhde 180 ℃:ssa
Tämän artikkelin kokeissa on todistettu, että tämä kaava sopii kaikkien kokeiden väsymishalkeamien kasvunopeustietoihin ja voi käyttää samaa parametrijoukkoa. Potenssilain eksponentti m on noin 2,2. Väsymismurtuman analyysi osoittaa, että sekä mekaaninen halkeamien eteneminen että halkeaman etenemisen edistäminen ovat lähes halkeamia murtumia, ja toistuva pintahafniumoksidin läsnäolo on pahentanut halkeamien etenemisvastusta. Saadut tulokset osoittavat, että yksittäinen empiirinen teholakilauseke voi saavuttaa vaaditun samankaltaisuuden useissa kuormitusolosuhteissa ja geometrisissa konfiguraatioissa, mikä antaa yhtenäisen kuvauksen muotomuistiseosten termomekaanisesta väsymyksestä ja siten arvioiden käyttövoiman.
Kuva 4 SEM-kuva NiTiHf DCT -näytteen murtumisesta 180 ℃:n mekaanisen väsymishalkeaman kasvukokeen jälkeen
Kuva 5 NiTiHf DCT -näytteen murtuma-SEM-kuva väsymishalkeaman kasvukokeen jälkeen jatkuvalla 250 N:n esijännityskuormalla
Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä artikkeli suorittaa ensimmäistä kertaa puhtaasti mekaanisia ja väsymishalkeamien kasvukokeita nikkelirikkailla NiTiHf korkean lämpötilan muotomuistiseoksilla. Sykliseen integraatioon perustuen ehdotetaan Pariisin tyyppistä potenssilain mukaista halkeaman kasvulauseketta sopimaan kunkin kokeen väsymishalkeaman kasvunopeudelle yhden parametrin alle.
Postitusaika: 7.9.2021