Top Metal Magazine "Acta Materialia": Comportament de creixement de les esquerdes de fatiga dels aliatges amb memòria de forma

Els aliatges amb memòria de forma (SMA) tenen una resposta de deformació característica als estímuls termomecànics. Els estímuls termomecànics s'originen a partir d'alta temperatura, desplaçament, transformació sòlid a sòlid, etc. (la fase d'alt ordre d'alta temperatura s'anomena austenita, i la fase de baixa temperatura d'ordre baix s'anomena martensita). Les transicions de fase cíclica repetides condueixen a un augment gradual de les dislocacions, de manera que les àrees no transformades reduiran la funcionalitat de l'SMA (anomenada fatiga funcional) i produiran microesquerdes, que eventualment conduiran a una fallada física quan el nombre sigui prou gran. Òbviament, entendre el comportament de vida a fatiga d'aquests aliatges, resoldre el problema de la ferralla de components cars i reduir el cicle de desenvolupament de materials i disseny del producte generarà una gran pressió econòmica.

La fatiga termomecànica no s'ha explorat en gran mesura, especialment la manca d'investigació sobre la propagació d'esquerdes per fatiga sota cicles termomecànics. En la implementació primerenca de l'SMA en biomedicina, el focus de la investigació de la fatiga era la vida total de les mostres "sense defectes" sota càrregues mecàniques cícliques. En aplicacions amb geometria SMA petita, el creixement de les esquerdes per fatiga té poc efecte sobre la vida, de manera que la investigació se centra a prevenir l'inici de les esquerdes en lloc de controlar-ne el creixement; en aplicacions de conducció, reducció de vibracions i absorció d'energia, cal obtenir energia ràpidament. Els components SMA solen ser prou grans com per mantenir una propagació important d'esquerdes abans de fallar. Per tant, per complir amb els requisits de fiabilitat i seguretat necessaris, és necessari comprendre i quantificar completament el comportament del creixement de les esquerdes per fatiga mitjançant el mètode de tolerància al dany. L'aplicació de mètodes de tolerància al dany que es basen en el concepte de mecànica de fractura en SMA no és senzilla. En comparació amb els metalls estructurals tradicionals, l'existència de transició de fase reversible i acoblament termomecànic planteja nous reptes per descriure eficaçment la fractura per fatiga i sobrecàrrega de SMA.

Investigadors de la Texas A&M University als Estats Units van realitzar per primera vegada experiments de creixement d'esquerdes per fatiga mecànica i impulsada en superaliatge Ni50.3Ti29.7Hf20 i van proposar una expressió de llei de potència de tipus París basada en integral que es pot utilitzar per ajustar la fatiga. taxa de creixement d'esquerdes sota un únic paràmetre. D'això es dedueix que la relació empírica amb la taxa de creixement de les esquerdes es pot ajustar entre diferents condicions de càrrega i configuracions geomètriques, que es poden utilitzar com a descriptor unificat potencial del creixement de les esquerdes per deformació a les SMA. El document relacionat es va publicar a Acta Materialia amb el títol "Una descripció unificada del creixement de les esquerdes per fatiga mecànica i d'actuació en aliatges amb memòria de forma".

Enllaç de paper:

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

L'estudi va trobar que quan l'aliatge Ni50.3Ti29.7Hf20 es sotmet a una prova de tracció uniaxial a 180 ℃, l'austenita es deforma principalment elàsticament sota un nivell de tensió baix durant el procés de càrrega i el mòdul de Young és d'uns 90 GPa. Quan l'estrès arriba a uns 300MPa A l'inici de la transformació en fase positiva, l'austenita es transforma en martensita induïda per l'estrès; quan es descarrega, la martensita induïda per l'estrès pateix principalment una deformació elàstica, amb un mòdul de Young d'uns 60 GPa, i després es torna a transformar en austenita. Mitjançant la integració, la taxa de creixement de les esquerdes per fatiga dels materials estructurals s'ha ajustat a l'expressió de la llei de potència de tipus París.
Fig.1 Imatge BSE de l'aliatge de memòria de forma d'alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 i distribució de mida de les partícules d'òxid
Figura 2 Imatge TEM de l'aliatge de memòria de forma d'alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 després del tractament tèrmic a 550 ℃ × 3 h
Fig. 3 La relació entre J i da/dN del creixement de les esquerdes per fatiga mecànica de l'exemplar de NiTiHf DCT a 180 ℃

En els experiments d'aquest article, es demostra que aquesta fórmula pot ajustar-se a les dades de la taxa de creixement de les esquerdes per fatiga de tots els experiments i pot utilitzar el mateix conjunt de paràmetres. L'exponent de la llei de potències m és aproximadament 2,2. L'anàlisi de fractures per fatiga mostra que tant la propagació de les esquerdes mecàniques com la propagació de les esquerdes són fractures de quasi-escissió, i la presència freqüent d'òxid d'hafni superficial ha agreujat la resistència a la propagació de les esquerdes. Els resultats obtinguts mostren que una única expressió de llei de potència empírica pot aconseguir la similitud necessària en una àmplia gamma de condicions de càrrega i configuracions geomètriques, proporcionant així una descripció unificada de la fatiga termomecànica dels aliatges amb memòria de forma, estimant així la força motriu.
Fig. 4 Imatge SEM de la fractura de l'exemplar de NiTiHf DCT després de l'experiment de creixement d'esquerdes per fatiga mecànica a 180 ℃
Figura 5 Imatge SEM de fractura de l'exemplar de NiTiHf DCT després de conduir l'experiment de creixement d'esquerdes per fatiga sota una càrrega de polarització constant de 250 N

En resum, aquest article realitza per primera vegada experiments de creixement d'esquerdes de fatiga mecànica pura i de conducció en aliatges de memòria de forma d'alta temperatura NiTiHf rics en níquel. A partir de la integració cíclica, es proposa una expressió de creixement d'esquerdes de la llei de potència de tipus París per adaptar-se a la taxa de creixement de les esquerdes per fatiga de cada experiment sota un únic paràmetre.


Hora de publicació: Set-07-2021