As aliaxes con memoria de forma (SMA) teñen unha resposta de deformación característica aos estímulos termomecánicos. Os estímulos termomecánicos orixínanse da alta temperatura, o desprazamento, a transformación de sólido a sólido, etc. (a fase de orde alta de alta temperatura chámase austenita e a fase de orde baixa de baixa temperatura chámase martensita). As transicións de fase cíclicas repetidas conducen a un aumento gradual das luxacións, polo que as áreas non transformadas reducirán a funcionalidade do SMA (chamada fatiga funcional) e producirán microfisuras, que eventualmente provocarán fallos físicos cando o número sexa suficientemente grande. Obviamente, comprender o comportamento da vida á fatiga destas aliaxes, resolver o problema da chatarra de compoñentes caros e reducir o desenvolvemento do material e o ciclo de deseño do produto xerará unha enorme presión económica.
A fatiga termomecánica non foi explorada en gran medida, especialmente a falta de investigación sobre a propagación de gretas por fatiga baixo ciclos termomecánicos. Na primeira implementación da SMA na biomedicina, o foco da investigación da fatiga foi a vida total das mostras "sen defectos" baixo cargas mecánicas cíclicas. En aplicacións con xeometría SMA pequena, o crecemento da greta por fatiga ten pouco efecto sobre a vida, polo que a investigación céntrase en previr o inicio da greta en lugar de controlar o seu crecemento; en aplicacións de condución, redución de vibracións e absorción de enerxía, é necesario obter enerxía rapidamente. Os compoñentes SMA adoitan ser o suficientemente grandes como para manter unha propagación significativa da greta antes do fallo. Polo tanto, para cumprir os requisitos de fiabilidade e seguridade necesarios, é necesario comprender e cuantificar completamente o comportamento do crecemento da greta por fatiga mediante o método de tolerancia ao dano. A aplicación de métodos de tolerancia ao dano que se basean no concepto de mecánica de fractura en SMA non é sinxela. En comparación cos metais estruturais tradicionais, a existencia de transición de fase reversible e acoplamento termo-mecánico supón novos retos para describir eficazmente a fractura por fatiga e sobrecarga do SMA.
Investigadores da Texas A&M University dos Estados Unidos realizaron por primeira vez experimentos de crecemento de fendas por fatiga mecánica e impulsada en superaliaxe Ni50.3Ti29.7Hf20 e propuxeron unha expresión da lei de potencia de tipo París baseada integral que se pode usar para Fit the fatigue. taxa de crecemento de fisuras baixo un único parámetro. Dedúcese disto que a relación empírica coa taxa de crecemento das fisuras pódese encaixar entre diferentes condicións de carga e configuracións xeométricas, o que pode usarse como un descritor unificado potencial do crecemento das fisuras por deformación nos SMA. O artigo relacionado publicouse en Acta Materialia co título "A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys".
Ligazón en papel:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
O estudo descubriu que cando a aliaxe Ni50.3Ti29.7Hf20 se somete a proba de tracción uniaxial a 180 ℃, a austenita defórmase principalmente elásticamente baixo un baixo nivel de tensión durante o proceso de carga e o módulo de Young é duns 90 GPa. Cando a tensión alcanza uns 300 MPa Ao comezo da transformación en fase positiva, a austenita transfórmase en martensita inducida polo estrés; ao descargar, a martensita inducida polo estrés sofre principalmente deformación elástica, cun módulo de Young duns 60 GPa, e despois volve transformarse en austenita. A través da integración, a taxa de crecemento da fenda por fatiga dos materiais estruturais axustouse á expresión da lei de potencia de tipo París.
Fig.1 Imaxe BSE da aliaxe con memoria de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 e distribución de tamaño das partículas de óxido
Figura 2 Imaxe TEM da aliaxe de memoria de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 despois do tratamento térmico a 550 ℃ × 3 h
Fig. 3 A relación entre J e da/dN do crecemento de fendas por fatiga mecánica do exemplar de NiTiHf DCT a 180 ℃
Nos experimentos deste artigo, está demostrado que esta fórmula pode axustarse aos datos da taxa de crecemento da fenda por fatiga de todos os experimentos e pode usar o mesmo conxunto de parámetros. O expoñente da lei de potencias m é de aproximadamente 2,2. A análise da fractura por fatiga mostra que tanto a propagación de fendas mecánicas como a propagación de fendas condutoras son fracturas de cuasi escisión, e a presenza frecuente de óxido de hafnio en superficie agravou a resistencia á propagación da greta. Os resultados obtidos mostran que unha única expresión da lei de potencia empírica pode acadar a semellanza necesaria nunha ampla gama de condicións de carga e configuracións xeométricas, proporcionando así unha descrición unificada da fatiga termomecánica das aliaxes con memoria de forma, estimando así a forza motriz.
Fig. 4 Imaxe SEM da fractura da mostra de NiTiHf DCT despois do experimento de crecemento de fendas por fatiga mecánica a 180 ℃
Figura 5 Imaxe SEM de fractura da mostra de NiTiHf DCT despois de conducir o experimento de crecemento de fisuras por fatiga baixo unha carga de polarización constante de 250 N
En resumo, este artigo realiza por primeira vez experimentos de crecemento de fendas por fatiga mecánica pura e de condución en aliaxes de memoria de forma de alta temperatura NiTiHf ricas en níquel. Baseándose na integración cíclica, proponse unha expresión de crecemento de fisuras da lei de potencia de tipo París para axustar a taxa de crecemento da fisuras por fatiga de cada experimento baixo un único parámetro.
Hora de publicación: 07-09-2021