Сплави з пам’яттю форми (СМА) мають характерну деформаційну реакцію на термомеханічні подразники. Термомеханічні подразники походять від високої температури, зміщення, перетворення твердого тіла в тверде тощо (високотемпературна фаза високого порядку називається аустенітом, а низькотемпературна фаза низького порядку — мартенситом). Повторювані циклічні фазові переходи призводять до поступового збільшення дислокацій, тому нетрансформовані ділянки знижують функціональність SMA (так звана функціональна втома) і утворять мікротріщини, які в кінцевому підсумку призведуть до фізичного збою, коли їх кількість стане достатньо великою. Очевидно, що розуміння втомної довговічності цих сплавів, вирішення проблеми брухту дорогих компонентів і скорочення циклу розробки матеріалів і проектування продукції створять величезний економічний тиск.
Термомеханічна втома не досліджена в значній мірі, особливо відсутність досліджень поширення втомних тріщин під час термомеханічних циклів. На початку впровадження SMA в біомедицину в центрі уваги дослідження втоми був загальний термін служби «бездефектних» зразків при циклічних механічних навантаженнях. У застосуваннях з невеликою геометрією SMA зростання втомних тріщин мало впливає на термін служби, тому дослідження зосереджено на запобіганні виникнення тріщини, а не на контролі її зростання; при водінні, зниженні вібрації та поглинанні енергії необхідно швидко отримати потужність. Компоненти SMA зазвичай достатньо великі, щоб підтримувати значне поширення тріщини до руйнування. Тому, щоб задовольнити необхідні вимоги до надійності та безпеки, необхідно повністю зрозуміти та кількісно визначити поведінку росту втомних тріщин за допомогою методу допуску пошкоджень. Застосування методів стійкості до пошкоджень, які спираються на концепцію механіки руйнування в SMA, не є простим. У порівнянні з традиційними конструкційними металами, існування оборотного фазового переходу та термомеханічного зв’язку ставить нові проблеми для ефективного опису втомного та перевантажувального руйнування SMA.
Дослідники з Техаського університету A&M у Сполучених Штатах вперше провели експерименти з ростом тріщин під впливом механічної втоми в суперсплаві Ni50.3Ti29.7Hf20 і запропонували інтегральний вираз степеневого закону Парізького типу, який можна використовувати для визначення втоми. швидкість росту тріщини за одним параметром. Звідси можна зробити висновок, що емпіричний зв’язок зі швидкістю росту тріщини може бути встановлений між різними умовами навантаження та геометричними конфігураціями, які можна використовувати як потенційний уніфікований дескриптор росту деформаційних тріщин у SMA. Відповідна стаття була опублікована в Acta Materialia під назвою «Уніфікований опис росту тріщин від механічної та втомної спрацьовування в сплавах із пам’яттю форми».
Паперове посилання:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Дослідження показало, що коли сплав Ni50.3Ti29.7Hf20 піддається випробуванню на одновісний розтяг при 180 ℃, аустеніт в основному пружно деформується при низькому рівні напружень під час процесу навантаження, а модуль Юнга становить близько 90 ГПа. Коли напруження досягає приблизно 300 МПа. На початку позитивного фазового перетворення аустеніт перетворюється на спричинений напруженням мартенсит; при розвантаженні мартенсит, викликаний напругою, в основному зазнає пружної деформації з модулем Юнга близько 60 ГПа, а потім знову перетворюється в аустеніт. Завдяки інтеграції швидкість росту втомних тріщин конструкційних матеріалів була підібрана до виразу степеневого закону типу Паріса.
Рис.1 Зображення BSE високотемпературного сплаву Ni50.3Ti29.7Hf20 з пам'яттю форми та розподілу частинок оксиду за розмірами
Малюнок 2 Зображення ТЕМ сплаву Ni50.3Ti29.7Hf20 з високотемпературною пам’яттю форми після термічної обробки при 550℃×3год.
Рис. 3 Зв'язок між J та da/dN зростання тріщини механічної втоми у зразку NiTiHf DCT при 180 ℃
У експериментах у цій статті доведено, що ця формула може відповідати даним швидкості росту втомної тріщини з усіх експериментів і може використовувати один і той же набір параметрів. Показник степеневого закону m дорівнює приблизно 2,2. Аналіз втомного руйнування показує, що як механічне поширення тріщини, так і рушійне поширення тріщини є квазізломами, а часта присутність поверхневого оксиду гафнію посилює опір поширенню тріщини. Отримані результати показують, що єдиний емпіричний степеневий вираз може досягти необхідної подібності в широкому діапазоні умов навантаження та геометричних конфігурацій, забезпечуючи тим самим уніфікований опис термомеханічної втоми сплавів із пам’яттю форми, тим самим оцінюючи рушійну силу.
Рис. 4 SEM-зображення руйнування зразка NiTiHf DCT після експерименту з ростом механічної втомної тріщини при 180℃
Рисунок 5 Зображення SEM руйнування зразка NiTiHf DCT після проведення експерименту з ростом втомної тріщини при постійному зсувному навантаженні 250 Н
Підсумовуючи, у цій роботі вперше проводяться чисті механічні та керуючі експерименти із зростанням втомних тріщин на багатих нікелем високотемпературних сплавах NiTiHf з пам’яттю форми. На основі циклічної інтеграції запропоновано степеневий вираз росту тріщини Парізького типу, щоб відповідати швидкості росту втомної тріщини кожного експерименту за одним параметром.
Час розміщення: 07.09.2021