Formgedächtnislegierungen (SMAs) haben eine charakteristische Verformungsreaktion auf thermomechanische Reize. Thermomechanische Reize stammen von hoher Temperatur, Verschiebung, Fest-zu-Feststoff-Umwandlung usw. (Hochtemperaturphase höherer Ordnung wird als Austenit bezeichnet, und Niedertemperaturphase niedriger Ordnung wird als Martensit bezeichnet). Wiederholte zyklische Phasenübergänge führen zu einer allmählichen Zunahme der Versetzungen, so dass die nicht transformierten Bereiche die Funktionalität des SMA reduzieren (als funktionelle Ermüdung bezeichnet) und Mikrorisse erzeugen, die schließlich zu einem physischen Versagen führen, wenn die Anzahl groß genug ist. Das Verständnis des Ermüdungslebensverhaltens dieser Legierungen, die Lösung des Problems des teuren Komponentenausschusses und die Verkürzung des Materialentwicklungs- und Produktentwicklungszyklus werden offensichtlich einen enormen wirtschaftlichen Druck erzeugen.
Die thermomechanische Ermüdung wurde noch nicht weitgehend erforscht, insbesondere der Mangel an Forschung zur Ermüdungsrissausbreitung unter thermomechanischen Zyklen. Bei der frühen Implementierung von SMA in der Biomedizin lag der Fokus der Ermüdungsforschung auf der Gesamtlebensdauer „fehlerfreier“ Proben unter zyklischen mechanischen Belastungen. Bei Anwendungen mit kleiner SMA-Geometrie hat das Ermüdungsrisswachstum nur geringe Auswirkungen auf die Lebensdauer, daher konzentriert sich die Forschung darauf, die Rissbildung zu verhindern, anstatt ihr Wachstum zu kontrollieren; beim Fahren, bei der Schwingungsdämpfung und bei der Energieabsorption ist es notwendig, schnell Leistung zu erhalten. SMA-Komponenten sind normalerweise groß genug, um eine signifikante Rissausbreitung vor dem Versagen aufrechtzuerhalten. Um die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, ist es daher erforderlich, das Ermüdungsrisswachstumsverhalten durch die Schadenstoleranzmethode vollständig zu verstehen und zu quantifizieren. Die Anwendung von Schadenstoleranzmethoden, die auf dem Konzept der Bruchmechanik bei SMA beruhen, ist nicht einfach. Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturmetallen stellt die Existenz eines reversiblen Phasenübergangs und einer thermomechanischen Kopplung neue Herausforderungen bei der effektiven Beschreibung des Ermüdungs- und Überlastbruchs von SMA.
Forscher der Texas A&M University in den Vereinigten Staaten führten zum ersten Mal rein mechanische und angetriebene Ermüdungsrisswachstumsexperimente in der Ni50,3Ti29.7Hf20-Superlegierung durch und schlugen einen ganzzahligen Paris-artigen Potenzgesetzausdruck vor, der für die Anpassung an die Ermüdung verwendet werden kann Risswachstumsrate unter einem einzigen Parameter. Daraus wird abgeleitet, dass die empirische Beziehung zur Risswachstumsrate zwischen verschiedenen Belastungsbedingungen und geometrischen Konfigurationen angepasst werden kann, was als potenzieller einheitlicher Deskriptor des Verformungsrisswachstums in SMAs verwendet werden kann. Das dazugehörige Papier wurde in Acta Materialia mit dem Titel „Eine vereinheitlichte Beschreibung des mechanischen und Betätigungsermüdungsrisswachstums in Formgedächtnislegierungen“ veröffentlicht.
Papierlink:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Die Studie ergab, dass der Austenit während des Belastungsprozesses bei einem einachsigen Zugversuch bei 180 ° C hauptsächlich elastisch verformt wird und der Young-Modul etwa 90 GPa beträgt. Wenn die Spannung etwa 300 MPa erreicht Zu Beginn der positiven Phasenumwandlung wandelt sich Austenit in spannungsinduzierten Martensit um; Beim Entladen erfährt spannungsinduzierter Martensit hauptsächlich eine elastische Verformung mit einem Young-Modul von etwa 60 GPa und wandelt sich dann wieder in Austenit um. Durch Integration wurde die Ermüdungsrisswachstumsrate von Strukturmaterialien an den Ausdruck des Pariser Potenzgesetzes angepasst.
Abb.1 BSE-Bild einer Ni50.3Ti29.7Hf20 Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung und Größenverteilung der Oxidpartikel
Abbildung 2 TEM-Aufnahme von Ni50.3Ti29.7Hf20 Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung nach Wärmebehandlung bei 550℃×3h
Abb. 3 Die Beziehung zwischen J und da/dN des mechanischen Ermüdungsrisswachstums von NiTiHf-DCT-Proben bei 180℃
In den Experimenten in diesem Artikel wurde bewiesen, dass diese Formel den Daten der Ermüdungsrisswachstumsrate aus allen Experimenten entsprechen und denselben Parametersatz verwenden kann. Der Potenzgesetz-Exponent m beträgt etwa 2,2. Die Ermüdungsbruchanalyse zeigt, dass sowohl die mechanische Rissausbreitung als auch die treibende Rissausbreitung Quasi-Spaltungsbrüche sind, und das häufige Vorhandensein von Oberflächen-Hafniumoxid hat die Rissausbreitungsbeständigkeit erhöht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass ein einziger empirischer Potenzgesetzausdruck die erforderliche Ähnlichkeit in einem weiten Bereich von Belastungsbedingungen und geometrischen Konfigurationen erreichen kann, wodurch eine einheitliche Beschreibung der thermomechanischen Ermüdung von Formgedächtnislegierungen bereitgestellt und dadurch die treibende Kraft geschätzt wird.
Abb. 4 REM-Aufnahme des Bruchs einer NiTiHf-DCT-Probe nach einem 180℃-Experiment zum mechanischen Ermüdungsrisswachstum
Abbildung 5 REM-Bild des Bruchs einer NiTiHf-DCT-Probe nach dem Experiment zum Treiben des Ermüdungsrisswachstums unter einer konstanten Vorspannung von 250 N
Zusammenfassend führt dieser Artikel erstmals rein mechanische und treibende Ermüdungsrisswachstumsexperimente an nickelreichen NiTiHf-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen durch. Basierend auf der zyklischen Integration wird ein Risswachstumsausdruck nach Pariser Potenzgesetz vorgeschlagen, um die Ermüdungsrisswachstumsrate jedes Experiments unter einem einzigen Parameter anzupassen
Postzeit: 07.09.2021