مجله فلزی برتر "Acta Materialia": رفتار رشد ترک خستگی آلیاژهای حافظه شکل

آلیاژهای حافظه دار شکل (SMAs) یک پاسخ تغییر شکل مشخصه به محرک های ترمومکانیکی دارند. محرک های ترمومکانیکی از دمای بالا، جابجایی، تبدیل جامد به جامد و غیره منشا می گیرند (فاز درجه حرارت بالا آستنیت و فاز درجه پایین درجه حرارت پایین مارتنزیت نامیده می شود). انتقال مکرر فاز چرخه‌ای منجر به افزایش تدریجی دررفتگی‌ها می‌شود، بنابراین نواحی تغییر شکل نیافته عملکرد SMA (به نام خستگی عملکردی) را کاهش می‌دهند و ریزترک‌هایی ایجاد می‌کنند که در نهایت منجر به شکست فیزیکی زمانی می‌شود که تعداد به اندازه کافی بزرگ باشد. بدیهی است که درک رفتار عمر خستگی این آلیاژها، حل مشکل ضایعات قطعات گران قیمت و کاهش چرخه توسعه مواد و طراحی محصول، همگی فشار اقتصادی زیادی ایجاد خواهند کرد.

خستگی حرارتی مکانیکی تا حد زیادی مورد بررسی قرار نگرفته است، به ویژه عدم تحقیق در مورد انتشار ترک خستگی تحت چرخه های ترمو مکانیکی. در اجرای اولیه SMA در زیست پزشکی، تمرکز تحقیقات خستگی کل عمر نمونه‌های "بدون نقص" تحت بارهای مکانیکی چرخه‌ای بود. در کاربردهایی با هندسه SMA کوچک، رشد ترک خستگی تأثیر کمی بر زندگی دارد، بنابراین تحقیقات به جای کنترل رشد آن، بر جلوگیری از شروع ترک تمرکز دارد. در کاربردهای رانندگی، کاهش ارتعاش و جذب انرژی، لازم است که به سرعت نیرو به دست آید. اجزای SMA معمولاً به اندازه کافی بزرگ هستند تا قبل از شکست، انتشار ترک قابل توجهی را حفظ کنند. بنابراین، برای برآوردن الزامات اطمینان و ایمنی لازم، لازم است رفتار رشد ترک خستگی از طریق روش تحمل آسیب به طور کامل درک و کمیت شود. استفاده از روش های تحمل آسیب که بر مفهوم مکانیک شکست در SMA تکیه دارند، ساده نیست. در مقایسه با فلزات ساختاری سنتی، وجود انتقال فاز برگشت‌پذیر و جفت مکانیکی حرارتی چالش‌های جدیدی را برای توصیف موثر شکستگی خستگی و اضافه بار SMA ایجاد می‌کند.

محققان دانشگاه A&M تگزاس در ایالات متحده برای اولین بار آزمایش‌های مکانیکی خالص و رشد ترک خستگی ناشی از سوپرآلیاژ Ni50.3Ti29.7Hf20 را انجام دادند و یک بیان قانون قدرت از نوع پاریس مبتنی بر انتگرال را پیشنهاد کردند که می‌تواند برای تناسب خستگی استفاده شود. نرخ رشد ترک تحت یک پارامتر واحد از این نتیجه استنباط می‌شود که رابطه تجربی با نرخ رشد ترک را می‌توان بین شرایط بارگذاری مختلف و پیکربندی‌های هندسی برازش داد، که می‌تواند به عنوان یک توصیفگر یکپارچه بالقوه رشد ترک تغییر شکل در SMAs استفاده شود. مقاله مرتبط در Acta Materialia با عنوان "توضیح یکپارچه رشد ترک خستگی مکانیکی و تحریکی در آلیاژهای حافظه شکل" منتشر شد.

پیوند کاغذی:

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

این مطالعه نشان داد که هنگامی که آلیاژ Ni50.3Ti29.7Hf20 تحت آزمایش کشش تک محوری در دمای 180 درجه سانتیگراد قرار می گیرد، آستنیت عمدتاً تحت فشار کم در طول فرآیند بارگذاری به طور الاستیک تغییر شکل می دهد و مدول یانگ حدود 90 گیگا پاسکال است. هنگامی که تنش به حدود 300 مگاپاسکال می رسد در ابتدای تبدیل فاز مثبت، آستنیت به مارتنزیت ناشی از استرس تبدیل می شود. هنگام تخلیه، مارتنزیت ناشی از استرس عمدتاً دچار تغییر شکل الاستیک با مدول یانگ در حدود 60 گیگا پاسکال می‌شود و سپس به آستنیت تبدیل می‌شود. از طریق یکپارچه سازی، نرخ رشد ترک خستگی مواد ساختاری به بیان قانون قدرت نوع پاریس برازش داده شده است.
شکل 1 تصویر BSE از Ni50.3Ti29.7Hf20 آلیاژ حافظه شکل با دمای بالا و توزیع اندازه ذرات اکسید
شکل 2 تصویر TEM از آلیاژ حافظه شکل با دمای بالا Ni50.3Ti29.7Hf20 پس از عملیات حرارتی در 550℃×3h
شکل 3 رابطه بین J و da/dN رشد ترک خستگی مکانیکی نمونه NiTiHf DCT در دمای 180 درجه سانتیگراد

در آزمایش‌های این مقاله ثابت شده است که این فرمول می‌تواند داده‌های نرخ رشد ترک خستگی را از همه آزمایش‌ها مطابقت دهد و از مجموعه پارامترهای یکسانی استفاده کند. نما قانون توان m حدود 2.2 است. تجزیه و تحلیل شکست خستگی نشان می دهد که هم انتشار ترک مکانیکی و هم انتشار ترک محرک شکستگی های شبه شکافی هستند و حضور مکرر اکسید هافنیوم سطحی مقاومت در برابر انتشار ترک را تشدید کرده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که بیان قانون توان تجربی منفرد می‌تواند شباهت مورد نیاز را در طیف گسترده‌ای از شرایط بارگذاری و پیکربندی‌های هندسی به دست آورد، در نتیجه یک توصیف یکپارچه از خستگی حرارتی-مکانیکی آلیاژهای حافظه شکل ارائه می‌کند و در نتیجه نیروی محرکه را تخمین می‌زند.
شکل 4 تصویر SEM از شکستگی نمونه NiTiHf DCT پس از آزمایش رشد ترک خستگی مکانیکی 180 درجه سانتیگراد
شکل 5 شکستگی تصویر SEM نمونه NiTiHf DCT پس از رانندگی آزمایش رشد ترک خستگی تحت بار بایاس ثابت 250 نیوتن

به طور خلاصه، این مقاله برای اولین بار آزمایش‌های رشد ترک خستگی محرک مکانیکی و محرکی را بر روی آلیاژهای حافظه دار با دمای بالا NiTiHf غنی از نیکل انجام می‌دهد. بر اساس ادغام چرخه‌ای، یک بیان رشد ترک با قانون قدرت از نوع پاریس برای برازش نرخ رشد ترک خستگی هر آزمایش تحت یک پارامتر پیشنهاد شده است.