Top Metal Magazine "Acta Materialia": Comportamento di crescita delle crepe da fatica delle leghe a memoria di forma

Le leghe a memoria di forma (SMA) hanno una caratteristica risposta di deformazione agli stimoli termomeccanici. Gli stimoli termomeccanici provengono da alta temperatura, spostamento, trasformazione da solido a solido, ecc. (la fase di ordine elevato ad alta temperatura è chiamata austenite e la fase di ordine basso a bassa temperatura è chiamata martensite). Le transizioni di fase cicliche ripetute portano ad un graduale aumento delle dislocazioni, quindi le aree non trasformate ridurranno la funzionalità della SMA (chiamata fatica funzionale) e produrranno microcricche, che alla fine porteranno a guasti fisici quando il numero è abbastanza grande. Ovviamente, comprendere il comportamento a fatica di queste leghe, risolvere il problema dei costosi scarti di componenti e ridurre lo sviluppo del materiale e il ciclo di progettazione del prodotto genererà un'enorme pressione economica.

La fatica termomeccanica non è stata esplorata in larga misura, in particolare la mancanza di ricerca sulla propagazione delle cricche da fatica in cicli termomeccanici. Nella prima implementazione della SMA in biomedicina, l'obiettivo della ricerca sulla fatica era la durata totale dei campioni "privi di difetti" sottoposti a carichi meccanici ciclici. Nelle applicazioni con piccole geometrie SMA, la crescita delle cricche da fatica ha scarso effetto sulla vita, quindi la ricerca si concentra sulla prevenzione dell'inizio della cricca piuttosto che sul controllo della sua crescita; nelle applicazioni di guida, riduzione delle vibrazioni e assorbimento di energia, è necessario ottenere potenza rapidamente. I componenti SMA sono generalmente abbastanza grandi da mantenere una significativa propagazione della cricca prima del guasto. Pertanto, per soddisfare i necessari requisiti di affidabilità e sicurezza, è necessario comprendere e quantificare appieno il comportamento di crescita delle cricche da fatica attraverso il metodo della tolleranza al danno. L'applicazione di metodi di tolleranza al danno che si basano sul concetto di meccanica della frattura in SMA non è semplice. Rispetto ai metalli strutturali tradizionali, l'esistenza della transizione di fase reversibile e dell'accoppiamento termomeccanico pone nuove sfide per descrivere efficacemente la frattura da fatica e da sovraccarico della SMA.

I ricercatori della Texas A&M University negli Stati Uniti hanno condotto per la prima volta esperimenti di crescita di cricche per fatica meccanica e guidata in superlega Ni50.3Ti29.7Hf20 e hanno proposto un'espressione della legge di potenza di tipo Paris basata sull'integrale che può essere utilizzata per Adattare la fatica tasso di crescita delle cricche sotto un unico parametro. Da ciò si deduce che la relazione empirica con il tasso di crescita delle cricche può essere adattata tra diverse condizioni di carico e configurazioni geometriche, che possono essere utilizzate come potenziale descrittore unificato della crescita delle cricche da deformazione nelle SMA. Il documento correlato è stato pubblicato su Acta Materialia con il titolo "Una descrizione unificata della crescita delle cricche per fatica meccanica e di attuazione nelle leghe a memoria di forma".

Collegamento cartaceo:

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

Lo studio ha rilevato che quando la lega Ni50.3Ti29.7Hf20 viene sottoposta a prova di trazione uniassiale a 180 , l'austenite viene principalmente deformata elasticamente a basso livello di stress durante il processo di caricamento e il modulo di Young è di circa 90 GPa. Quando lo stress raggiunge circa 300MPa All'inizio della trasformazione di fase positiva, l'austenite si trasforma in martensite indotta dallo stress; in fase di scarico, la martensite indotta da stress subisce principalmente una deformazione elastica, con un modulo di Young di circa 60 GPa, per poi ritrasformarsi in austenite. Attraverso l'integrazione, il tasso di crescita delle cricche da fatica dei materiali strutturali è stato adattato all'espressione della legge di potenza di tipo Paris.
Fig.1 Immagine BSE della lega a memoria di forma ad alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 e distribuzione dimensionale delle particelle di ossido
Figura 2 Immagine TEM della lega a memoria di forma ad alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 dopo il trattamento termico a 550 ℃ × 3 h
Fig. 3 La relazione tra J e da/dN della crescita della cricca da fatica meccanica del campione NiTiHf DCT a 180℃

Negli esperimenti in questo articolo, è stato dimostrato che questa formula può adattarsi ai dati sul tasso di crescita delle cricche da fatica di tutti gli esperimenti e può utilizzare lo stesso insieme di parametri. L'esponente m della legge di potenza è circa 2.2. L'analisi della frattura per fatica mostra che sia la propagazione della cricca meccanica che la propagazione della cricca di guida sono fratture di quasi-scissione e la frequente presenza di ossido di afnio superficiale ha aggravato la resistenza alla propagazione della cricca. I risultati ottenuti mostrano che una singola espressione empirica della legge di potenza può ottenere la somiglianza richiesta in un'ampia gamma di condizioni di carico e configurazioni geometriche, fornendo così una descrizione unificata della fatica termomeccanica delle leghe a memoria di forma, stimando così la forza motrice.
Fig. 4 Immagine SEM della frattura del campione DCT NiTiHf dopo 180℃ esperimento di crescita della cricca per fatica meccanica
Figura 5 Immagine SEM di frattura del campione DCT NiTiHf dopo aver condotto un esperimento di crescita di cricche da fatica sotto carico di polarizzazione costante di 250 N

In sintesi, questo documento conduce per la prima volta esperimenti puramente meccanici e di crescita di cricche per fatica su leghe a memoria di forma ad alta temperatura NiTiHf ricche di nichel. Sulla base dell'integrazione ciclica, viene proposta un'espressione di crescita della cricca a legge di potenza di tipo Paris per adattare il tasso di crescita della cricca da fatica di ciascun esperimento sotto un singolo parametro


Tempo di posta: 07-set-2021