Журнал Top Metal «Acta Materialia»: Поведение усталостных трещин у сплавов с памятью формы

Сплавы с памятью формы (СПП) имеют характерный деформационный отклик на термомеханические воздействия. Термомеханические стимулы возникают в результате высокой температуры, смещения, превращения твердого тела в твердое и т. Д. (Высокотемпературная фаза высокого порядка называется аустенитом, а низкотемпературная фаза низкого порядка называется мартенситом). Повторяющиеся циклические фазовые переходы приводят к постепенному увеличению дислокаций, поэтому непреобразованные области уменьшат функциональность SMA (так называемую функциональную усталость) и вызовут микротрещины, которые в конечном итоге приведут к физическому отказу, когда их количество будет достаточно большим. Очевидно, что понимание поведения этих сплавов при усталостной долговечности, решение проблемы дорогостоящего лома компонентов и сокращение цикла разработки материалов и проектирования продукта - все это создаст огромное экономическое давление.

Термомеханическая усталость не была изучена в значительной степени, особенно отсутствие исследований распространения усталостных трещин при термомеханических циклах. На раннем этапе внедрения SMA в биомедицину в центре внимания исследований усталости был общий срок службы «бездефектных» образцов при циклических механических нагрузках. В приложениях с малой геометрией SMA рост усталостной трещины мало влияет на срок службы, поэтому исследования сосредоточены на предотвращении зарождения трещины, а не на контроле ее роста; При вождении, снижении вибрации и поглощении энергии необходимо быстро получать мощность. Компоненты SMA обычно достаточно велики, чтобы обеспечить значительное распространение трещин до разрушения. Следовательно, чтобы соответствовать необходимым требованиям надежности и безопасности, необходимо полностью понимать и количественно определять характер роста усталостных трещин с помощью метода устойчивости к повреждениям. Применение методов устойчивости к повреждениям, основанных на концепции механики разрушения в SMA, непросто. По сравнению с традиционными конструкционными металлами, наличие обратимого фазового перехода и термомеханической связи ставит новые задачи для эффективного описания усталостного и перегрузочного разрушения SMA.

Исследователи из Техасского университета A&M в США впервые провели эксперименты с чисто механическими и управляемыми усталостными трещинами в суперсплаве Ni50,3Ti29,7Hf20 и предложили выражение для степенного закона парижского типа на интегральной основе, которое можно использовать для определения усталости. скорость роста трещины при одном параметре. Из этого следует, что эмпирическая взаимосвязь со скоростью роста трещины может быть адаптирована между различными условиями нагружения и геометрическими конфигурациями, которые могут использоваться в качестве потенциального унифицированного дескриптора роста деформационной трещины в SMA. Соответствующая статья была опубликована в Acta Materialia под названием «Единое описание роста механических и усталостных трещин в сплавах с памятью формы».

Ссылка на статью:

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

Исследование показало, что когда сплав Ni50.3Ti29.7Hf20 подвергается испытанию на одноосное растяжение при 180 ℃, аустенит в основном упруго деформируется при низком уровне напряжения во время процесса нагружения, а модуль Юнга составляет около 90 ГПа. Когда напряжение достигает около 300 МПа. В начале положительного фазового превращения аустенит превращается в вызванный напряжением мартенсит; при разгрузке мартенсит, вызванный напряжением, в основном подвергается упругой деформации с модулем Юнга около 60 ГПа, а затем снова превращается в аустенит. Благодаря интеграции скорость роста усталостных трещин конструкционных материалов была согласована с выражением степенного закона парижского типа.
Рис.1 Изображение BSE высокотемпературного сплава Ni50.3Ti29.7Hf20 с памятью формы и распределение оксидных частиц по размерам
Рис. 2 ПЭМ-изображение высокотемпературного сплава Ni50.3Ti29.7Hf20 с памятью формы после термообработки при 550 ℃ × 3 ч.
Рис. 3 Зависимость между J и da / dN роста механической усталостной трещины образца NiTiHf DCT при 180 ℃

В экспериментах в этой статье было доказано, что эта формула может соответствовать данным о скорости роста усталостной трещины из всех экспериментов и может использовать тот же набор параметров. Показатель степени m составляет около 2,2. Анализ усталостного разрушения показывает, что как распространение механических трещин, так и распространение движущихся трещин являются трещинами квази-раскола, а частое присутствие поверхностного оксида гафния ухудшает сопротивление распространению трещин. Полученные результаты показывают, что с помощью одного эмпирического выражения степенного закона можно достичь требуемого подобия в широком диапазоне условий нагружения и геометрических конфигураций, тем самым обеспечивая единое описание термомеханической усталости сплавов с памятью формы, тем самым оценивая движущую силу.
Рис. 4 СЭМ-изображение разрушения образца NiTiHf DCT после эксперимента по росту механической усталостной трещины при 180 ℃
Рисунок 5 СЭМ-изображение разрушения образца NiTiHf DCT после проведения эксперимента по росту усталостной трещины при постоянной смещающей нагрузке 250 Н

Таким образом, в данной статье впервые проводятся чисто механические и приводные эксперименты по росту усталостных трещин на высокотемпературных сплавах с памятью формы NiTiHf, богатых никелем. На основе циклического интегрирования предлагается выражение для степенного роста трещины по типу Парижа, чтобы соответствовать скорости роста усталостной трещины в каждом эксперименте с одним параметром


Время публикации: сентябрь-07-2021