Vormgeheugenlegeringen (SMA's) hebben een karakteristieke vervormingsreactie op thermomechanische stimuli. Thermomechanische stimuli zijn afkomstig van hoge temperatuur, verplaatsing, transformatie van vast naar vast, enz. (hoge-temperatuurfase van hoge orde wordt austeniet genoemd en fase van lage temperatuur van lage orde wordt martensiet genoemd). Herhaalde cyclische faseovergangen leiden tot een geleidelijke toename van dislocaties, dus de niet-getransformeerde gebieden zullen de functionaliteit van de SMA verminderen (functionele vermoeidheid genoemd) en microscheuren produceren, die uiteindelijk tot fysiek falen zullen leiden als het aantal groot genoeg is. Het is duidelijk dat het begrijpen van het vermoeiingsgedrag van deze legeringen, het oplossen van het probleem van duur afval van componenten en het verminderen van de materiaalontwikkeling en productontwerpcyclus allemaal een enorme economische druk zullen veroorzaken.
Thermomechanische vermoeidheid is nog niet in grote mate onderzocht, vooral het gebrek aan onderzoek naar de voortplanting van vermoeiingsscheuren onder thermomechanische cycli. In de vroege implementatie van SMA in de biogeneeskunde lag de focus van vermoeidheidsonderzoek op de totale levensduur van "defectvrije" monsters onder cyclische mechanische belastingen. In toepassingen met een kleine SMA-geometrie heeft de groei van vermoeiingsscheuren weinig effect op de levensduur, dus het onderzoek is gericht op het voorkomen van scheurinitiatie in plaats van op het beheersen van de groei; bij toepassingen op het gebied van rijden, trillingsreductie en energieabsorptie is het noodzakelijk om snel vermogen te verkrijgen. SMA-componenten zijn meestal groot genoeg om aanzienlijke scheurvoortplanting te behouden voordat ze defect raken. Om aan de noodzakelijke betrouwbaarheids- en veiligheidseisen te voldoen, is het daarom noodzakelijk om het groeigedrag van vermoeiingsscheuren volledig te begrijpen en te kwantificeren door middel van de schadetolerantiemethode. De toepassing van schadetolerantiemethoden die gebaseerd zijn op het concept van breukmechanica in SMA is niet eenvoudig. Vergeleken met traditionele structurele metalen, stelt het bestaan van omkeerbare faseovergang en thermomechanische koppeling nieuwe uitdagingen om de vermoeidheids- en overbelastingsbreuk van SMA effectief te beschrijven.
Onderzoekers van de Texas A&M University in de Verenigde Staten voerden voor de eerste keer puur mechanische en gedreven groei-experimenten van vermoeiingsscheuren uit in Ni50.3Ti29.7Hf20-superlegeringen, en stelden een integraal-gebaseerde Parijs-type machtswet-expressie voor die kan worden gebruikt voor Fit the vermoeidheid scheurgroeisnelheid onder een enkele parameter. Hieruit wordt afgeleid dat de empirische relatie met scheurgroeisnelheid kan worden aangepast tussen verschillende belastingscondities en geometrische configuraties, die kunnen worden gebruikt als een potentiële uniforme descriptor van vervormingsscheurgroei in SMA's. Het gerelateerde artikel is gepubliceerd in Acta Materialia met de titel "A unified description of mechanical and actuation vermoeidheidsscheurgroei in vormgeheugenlegeringen".
Papieren link:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Uit de studie bleek dat wanneer de Ni50.3Ti29.7Hf20-legering wordt onderworpen aan een eenassige trekproef bij 180℃, de austeniet voornamelijk elastisch wordt vervormd bij een laag spanningsniveau tijdens het laadproces, en de Young's modulus ongeveer 90 GPa is. Wanneer de spanning ongeveer 300 MPa bereikt. Aan het begin van de positieve fasetransformatie, verandert austeniet in door spanning geïnduceerd martensiet; bij het lossen ondergaat stress-geïnduceerd martensiet voornamelijk elastische vervorming, met een Young's modulus van ongeveer 60 GPa, en transformeert vervolgens terug naar austeniet. Door integratie is de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren van structurele materialen aangepast aan de uitdrukking van de machtswet van het Parijse type.
Fig.1 BSE-beeld van Ni50.3Ti29.7Hf20-legering met vormgeheugen op hoge temperatuur en grootteverdeling van oxidedeeltjes
Figuur 2 TEM-beeld van Ni50.3Ti29.7Hf20-legering met vormgeheugen op hoge temperatuur na warmtebehandeling bij 550℃×3h
Fig. 3 De relatie tussen J en da/dN van mechanische vermoeiingsscheurgroei van NiTiHf DCT-specimen bij 180℃
In de experimenten in dit artikel is bewezen dat deze formule past bij de gegevens over de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren van alle experimenten en dezelfde set parameters kan gebruiken. De machtswet exponent m is ongeveer 2,2. Vermoeidheidsbreukanalyse toont aan dat zowel mechanische scheurvoortplanting als drijvende scheurvoortplanting quasi-splitsingsbreuken zijn, en de frequente aanwezigheid van hafniumoxide aan het oppervlak heeft de weerstand tegen scheurvoortplanting verergerd. De verkregen resultaten laten zien dat een enkele empirische uitdrukking van de machtswet de vereiste overeenkomst kan bereiken in een breed scala van belastingscondities en geometrische configuraties, waardoor een uniforme beschrijving wordt gegeven van de thermomechanische vermoeiing van legeringen met vormgeheugen, waardoor de drijvende kracht wordt geschat.
Fig. 4 SEM-beeld van de breuk van NiTiHf DCT-monster na 180℃ mechanisch vermoeiingsscheurgroei-experiment
Figuur 5 Fractuur-SEM-beeld van NiTiHf DCT-monster na het aansturen van een experiment met vermoeiingsscheurgroei onder constante biasbelasting van 250 N
Samenvattend, dit artikel voert voor het eerst puur mechanische en drijvende vermoeiingsscheurgroei-experimenten uit op nikkelrijke NiTiHf-legeringen met vormgeheugen op hoge temperatuur. Op basis van cyclische integratie wordt een Parijs-type power-law scheurgroei-expressie voorgesteld om de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren van elk experiment onder een enkele parameter te passen
Posttijd: sep-07-2021