Kujumälu sulamitel (SMA) on iseloomulik deformatsioonireaktsioon termomehaanilistele stiimulitele. Termomehaanilised stiimulid tulenevad kõrgest temperatuurist, nihkest, tahkest tahkeks muundumisest jne (kõrgtemperatuurilist kõrget järku faasi nimetatakse austeniidiks ja madalatemperatuurilist madalat järku faasi nimetatakse martensiidiks). Korduvad tsüklilised faasisiirded põhjustavad dislokatsioonide järkjärgulist suurenemist, nii et transformeerimata piirkonnad vähendavad SMA funktsionaalsust (nimetatakse funktsionaalseks väsimuseks) ja tekitavad mikropragusid, mis lõpuks viivad füüsilise rikkeni, kui arv on piisavalt suur. Ilmselgelt tekitab nende sulamite väsimuse eluea mõistmine, kallite komponentide jääkide probleemi lahendamine ning materjaliarenduse ja tootedisaini tsükli vähendamine tohutu majandusliku surve.
Termomehaanilist väsimust ei ole suurel määral uuritud, eriti pole uuritud väsimuspragude levikut termomehaaniliste tsüklite ajal. SMA varajases juurutamisel biomeditsiinis oli väsimusuuringute fookuses "defektideta" proovide kogu eluiga tsükliliste mehaaniliste koormuste all. Väikese SMA geomeetriaga rakendustes on väsimuspragude kasvul elueale vähe mõju, seega keskendutakse uurimistöös pigem pragude tekke vältimisele kui selle kasvu kontrollimisele; sõidu, vibratsiooni vähendamise ja energia neeldumise rakendustes on vaja kiiresti jõudu saada. SMA komponendid on tavaliselt piisavalt suured, et säilitada märkimisväärne pragude levik enne rikkeid. Seetõttu on vajalike töökindlus- ja ohutusnõuete täitmiseks vaja täielikult mõista ja kvantifitseerida väsimuspragude kasvu käitumist kahjustuste taluvusmeetodi abil. SMA murdumismehaanika kontseptsioonile tuginevate kahjustuste taluvuse meetodite rakendamine ei ole lihtne. Võrreldes traditsiooniliste konstruktsioonimetallidega, seab pöörduva faasisiirde ja termomehaanilise sidestuse olemasolu uued väljakutsed SMA väsimus- ja ülekoormusmurde tõhusaks kirjeldamiseks.
Ameerika Ühendriikide Texase A&M ülikooli teadlased viisid esimest korda läbi puhta mehaanilise ja juhitud väsimuspragude kasvu katsed Ni50.3Ti29.7Hf20 supersulamiga ning pakkusid välja integraalipõhise Pariisi-tüüpi jõuseaduse avaldise, mida saab kasutada Fit the väsimuse jaoks. pragude kasvu kiirus ühe parameetri all. Sellest järeldatakse, et empiirilist seost pragude kasvukiirusega saab sobitada erinevate koormustingimuste ja geomeetriliste konfiguratsioonide vahel, mida saab kasutada SMA-de deformatsioonipragude kasvu potentsiaalse ühtse kirjeldajana. Seotud artikkel avaldati Acta Materialias pealkirjaga "Mehhaanilise ja käitamise väsimuspragude kasvu ühtne kirjeldus kujumälusulamites".
Paberi link:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Uuringus leiti, et kui Ni50.3Ti29.7Hf20 sulamiga tehakse üheteljelise tõmbekatse 180 ℃ juures, deformeerub austeniit laadimisprotsessi ajal madalal pingetasemel peamiselt elastselt ja Youngi moodul on umbes 90 GPa. Kui pinge jõuab umbes 300 MPa-ni Positiivse faasi muundumise alguses muutub austeniit pingest põhjustatud martensiidiks; mahalaadimisel läbib pingest põhjustatud martensiit peamiselt elastset deformatsiooni, mille Youngi moodul on umbes 60 GPa, ja muundub seejärel tagasi austeniidiks. Integreerimise kaudu on konstruktsioonimaterjalide väsimuspragude kasvukiirus kohandatud Pariisi-tüüpi jõuseaduse väljendiga.
Joonis 1 Ni50.3Ti29.7Hf20 kõrgtemperatuurse kujumälusulami BSE kujutis ja oksiidiosakeste suurusjaotus
Joonis 2 Ni50.3Ti29.7Hf20 kõrgtemperatuurilise kujumälusulami TEM-pilt pärast kuumtöötlust temperatuuril 550 ℃ × 3 h
Joonis 3 NiTiHf DCT proovi mehaanilise väsimusprao kasvu J ja da/dN vaheline seos temperatuuril 180 ℃
Käesolevas artiklis tehtud katsetes on tõestatud, et see valem sobib kõikide katsete väsimuspragude kasvukiiruse andmetega ja võib kasutada samu parameetreid. Võimuseaduse astendaja m on ligikaudu 2,2. Väsimusmurdude analüüs näitab, et nii pragude mehaaniline levimine kui ka pragude levik on kvaasi-lõhustumismurrud ning pinnapealse hafniumoksiidi sagedane esinemine on suurendanud pragude levimiskindlust. Saadud tulemused näitavad, et üksainus empiiriline võimsusseaduse avaldis võib saavutada vajaliku sarnasuse paljudes koormustingimustes ja geomeetrilistes konfiguratsioonides, andes seeläbi kujumälu sulamite termomehaanilise väsimuse ühtse kirjelduse, hinnates seeläbi liikumapanevat jõudu.
Joonis 4 NiTiHf DCT proovi SEM-pilt pärast 180 ℃ mehaanilise väsimusprao kasvu katset
Joonis 5 NiTiHf DCT proovi murdumise SEM-kujutis pärast väsimuspragude kasvu katse läbiviimist konstantsel 250 N nihkekoormusel
Kokkuvõtteks võib öelda, et käesolev artikkel viib esimest korda läbi puhtalt mehaanilised ja väsimuspragude kasvu katsed niklirikaste NiTiHf kõrgtemperatuuriliste kujumälusulamitega. Tsüklilise integratsiooni põhjal pakutakse välja Pariisi tüüpi võimsusseaduse pragude kasvu avaldis, et sobitada iga katse väsimusprao kasvukiirus ühe parameetri all.
Postitusaeg: 07.07.2021