Top Metal aldizkaria "Acta Materialia": Nekearen pitzadura-hazkundearen portaera forma memoriako aleazioen

Forma memoriako aleazioek (SMA) estimulu termomekanikoekiko deformazio-erantzun bereizgarria dute. Estimulu termomekanikoak tenperatura altuetatik, desplazamendutik, solidotik solidorako eraldaketatik eta abarretatik sortzen dira (tenperatura altuko maila handiko faseari austenita deitzen zaio, eta tenperatura baxuko faseari martensita). Errepikaturiko fase ziklikoen trantsizioek dislokazioak pixkanaka handitzea eragiten dute, beraz, eraldatu gabeko eremuek SMAren funtzionaltasuna murriztuko dute (neke funtzionala deritzona) eta mikropitzadurak sortuko dituzte, azkenean porrot fisikoa eragingo dutenak kopurua nahikoa handia denean. Jakina, aleazio horien neke-bizitzaren portaera ulertzeak, osagai garestien txatarren arazoa konpontzeak eta materialen garapena eta produktuaren diseinu-zikloa murrizteak presio ekonomiko handia sortuko du.

Neke termo-mekanikoa ez da neurri handi batean aztertu, batez ere ziklo termo-mekanikoetan neke-pitzaduraren hedapenari buruzko ikerketarik eza. Biomedikuntzan SMAren ezarpen hasieran, nekearen ikerketaren ardatza "akatsik gabeko" laginen bizitza osoa zen karga mekaniko ziklikoen pean. SMA geometria txikia duten aplikazioetan, nekearen pitzadura-hazkundeak eragin txikia du bizitzan, beraz, ikerketak pitzadurak hastea prebenitzera bideratzen du hazkundea kontrolatzen baino; gidatzeko, bibrazioak murrizteko eta energia xurgatzeko aplikazioetan, beharrezkoa da potentzia azkar lortzea. SMA osagaiak nahikoa handiak izan ohi dira hutsegite aurretik pitzaduraren hedapen garrantzitsua mantentzeko. Hori dela eta, beharrezko fidagarritasun- eta segurtasun-baldintzak betetzeko, beharrezkoa da nekearen pitzadura-hazkundearen portaera guztiz ulertzea eta kuantifikatzea kalte-tolerantzia metodoaren bidez. SMAn hausturaren mekanika kontzeptuan oinarritzen diren kalte-tolerantzia metodoen aplikazioa ez da erraza. Egiturazko metal tradizionalekin alderatuta, fase itzulgarriaren trantsizioa eta akoplamendu termo-mekanikoa egoteak erronka berriak sortzen ditu SMAren nekea eta gainkarga haustura eraginkortasunez deskribatzeko.

Ameriketako Estatu Batuetako Texas A&M Unibertsitateko ikertzaileek lehenengo aldiz Ni50.3Ti29.7Hf20 superaleazioan neke mekaniko hutsa eta bultzatutako pitzadurak hazteko esperimentuak egin zituzten, eta nekea egokitzeko erabil daitekeen Paris motako botere-legearen adierazpen integrala proposatu zuten. pitzadura-hazkuntza-tasa parametro bakar baten azpian. Hortik ondorioztatzen da pitzadura-hazkunde-tasarekin erlazio enpirikoa karga-baldintza eta konfigurazio geometriko desberdinen artean egokitu daitekeela, SMAetan deformazio-pitzadura-hazkundearen balizko deskribatzaile bateratu gisa erabil daitekeela. Lotutako artikulua Acta Materialian argitaratu zen "A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys" izenburuarekin.

Paperezko esteka:

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

Azterketak aurkitu zuen Ni50.3Ti29.7Hf20 aleazioa 180 ℃-tan trakzio uniaxialaren proba egiten denean, austenita batez ere elastikoki deformatzen dela tentsio maila baxuan karga-prozesuan, eta Young-en modulua 90GPa ingurukoa da. Estresa 300MPa ingurura iristen denean Fase positiboaren transformazioaren hasieran, austenita estresak eragindako martensita bihurtzen da; deskargatzean, tentsioak eragindako martensak batez ere deformazio elastikoa jasaten du, 60 GPa inguruko Young-en moduluarekin, eta, ondoren, austenita bihurtzen da. Integrazioaren bidez, egiturazko materialen neke-arrailaren hazkunde-tasa Paris motako botere legearen adierazpenera egokitu da.
1. irudia Ni50.3Ti29.7Hf20 tenperatura altuko forma-memoria aleazioaren BSE irudia eta oxido partikulen tamaina-banaketa.
2. Irudia Ni50.3Ti29.7Hf20 tenperatura altuko forma-memoria aleazioaren TEM irudia 550 ℃ × 3h-tan tratamendu termikoa egin ondoren
3. Irudia J eta da/dN-ren arteko erlazioa NiTiHf DCT laginaren neke mekanikoko pitzadura-hazkundearen arteko erlazioa 180 ℃-tan

Artikulu honetako esperimentuetan, frogatu da formula honek esperimentu guztietako neke-pitzadura-tasa hazteko datuetara egokitzen dela eta parametro-multzo bera erabil dezakeela. Potentzia-legearen berretzailea 2,2 ingurukoa da. Neke-hausturaren analisiak erakusten du pitzadura mekanikoen hedapena eta pitzaduraren hedapen eragilea ia-hausturak direla, eta gainazaleko hafnio oxidoaren maiz egoteak pitzaduraren hedapenaren erresistentzia areagotu du. Lortutako emaitzek erakusten dute potentzia-lege enpirikoaren adierazpen bakar batek karga-baldintza eta konfigurazio geometriko ugaritan behar den antzekotasuna lor dezakeela, eta, horrela, forma memoriako aleazioen neke termo-mekanikoaren deskribapen bateratua emanez, indar eragilea estimatuz.
4. Irudia NiTiHf DCT laginaren hausturaren SEM irudia 180 ℃ neke mekanikoko pitzaduraren hazkuntza esperimentuaren ondoren
5. Irudia NiTiHf DCT laginaren hausturaren SEM irudia, neke-pitzadura hazteko esperimentua 250 N-ko alborapen etengabeko kargapean gidatu ondoren

Laburbilduz, lan honek lehenengo aldiz egiten ditu neke-pitzadurak hazteko esperimentu mekaniko hutsak eta gidatzeko NiTiHf tenperatura altuko forma memoriako aleazioetan. Integrazio ziklikoan oinarrituta, Paris motako potentzia-legearen pitzadura-hazkundearen adierazpena proposatzen da esperimentu bakoitzaren neke-pitzadura-hazkunde-tasa parametro bakarrean egokitzeko.


Argitalpenaren ordua: 2021-07-07