Лепшы часопіс па метале «Acta Materialia»: Паводзіны росту расколін ад стомленасці сплаваў з запамінаннем формы

Сплавы з памяццю формы (СМА) маюць характэрную дэфармацыйную рэакцыю на тэрмамеханічныя раздражняльнікі. Тэрмамеханічныя раздражняльнікі ўзнікаюць у выніку высокай тэмпературы, перамяшчэння, ператварэння цвёрдага ў цвёрдае і г. д. (высокатэмпературная фаза высокага парадку называецца аўстэнітам, а нізкатэмпературная фаза нізкага парадку называецца мартэнсітам). Паўторныя цыклічныя фазавыя пераходы прыводзяць да паступовага павелічэння дыслакацый, таму нетрансфармаваныя ўчасткі будуць зніжаць функцыянальнасць SMA (так званая функцыянальнай стомленасцю) і ўтвараць мікротрэшчыны, якія ў канчатковым выніку прывядуць да фізічнага збою, калі колькасць будзе дастаткова вялікім. Відавочна, што разуменне прыналежнасці гэтых сплаваў пры стомленасці, вырашэнне праблемы лому дарагіх кампанентаў і скарачэнне цыкла распрацоўкі матэрыялаў і праектавання вырабаў створаць велізарны эканамічны ціск.

Тэрмамеханічная стомленасць не даследавана ў значнай ступені, асабліва адсутнасць даследаванняў па распаўсюджванні стомных расколін пры тэрмамеханічных цыклах. На раннім этапе ўкаранення SMA ў біямедыцыне ў цэнтры ўвагі даследаванняў стомленасці быў агульны тэрмін службы «бездэфектных» узораў пры цыклічных механічных нагрузках. У прыкладаннях з невялікай геаметрыяй SMA рост расколін ад стомленасці практычна не ўплывае на тэрмін службы, таму даследаванні сканцэнтраваны на прадухіленні ўзнікнення расколін, а не на кантролі за іх ростам; пры кіраванні, памяншэнні вібрацыі і паглынанні энергіі неабходна хутка атрымаць магутнасць. Кампаненты SMA звычайна дастаткова вялікія, каб падтрымліваць значнае распаўсюджванне расколіны да адмовы. Такім чынам, каб задаволіць неабходныя патрабаванні да надзейнасці і бяспекі, неабходна цалкам зразумець і колькасна вызначыць паводзіны росту стомных расколін з дапамогай метаду пашкоджанні. Прымяненне метадаў талерантнасці да пашкоджанняў, якія абапіраюцца на канцэпцыю механікі разбурэння ў SMA, няпростае. У параўнанні з традыцыйнымі канструкцыйнымі металамі, існаванне зварачальнага фазавага пераходу і тэрмамеханічнай сувязі стварае новыя праблемы для эфектыўнага апісання стомленасці і перагрузкі пералому SMA.

Даследчыкі з Тэхаскага універсітэта A&M у Злучаных Штатах упершыню правялі эксперыменты па росце расколін ад стомленасці ў чыстым механічным выглядзе ў суперсплаве Ni50.3Ti29.7Hf20 і прапанавалі інтэгральнае выражэнне ступеністага тыпу Парыжа, якое можна выкарыстоўваць для падганяння стомленасці. хуткасць росту расколіны пры адным параметре. З гэтага вынікае, што эмпірычная сувязь з хуткасцю росту расколіны можа быць усталявана паміж рознымі ўмовамі нагрузкі і геаметрычнымі канфігурацыямі, якія могуць быць выкарыстаны ў якасці патэнцыйнага адзінага дэскрыптара росту дэфармацыйных расколін у SMA. Адпаведны дакумент быў апублікаваны ў Acta Materialia пад назвай «Уніфікаванае апісанне росту механічных расколін і расколін ад стомленасці пры спрацоўванні ў сплавах з памяццю формы».

Папяровая спасылка:

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

Даследаванне паказала, што калі сплаў Ni50.3Ti29.7Hf20 падвяргаецца выпрабаванню на аднавосевае расцяжэнне пры 180℃, аўстэніт у асноўным пругка дэфармуецца пры нізкім узроўні напружання падчас працэсу нагрузкі, а модуль Юнга складае каля 90 ГПа. Калі напружанне дасягае каля 300 МПа. У пачатку станоўчага фазавага пераўтварэння аўстэніт ператвараецца ў мартэнсіт, выкліканы напружаннем; пры разгрузцы мартэнсіт, выкліканы напружаннем, у асноўным падвяргаецца пругкай дэфармацыі з модулем Юнга каля 60 ГПа, а затым зноў ператвараецца ў аустэніт. Дзякуючы інтэграцыі, хуткасць росту стомных расколін у канструкцыйных матэрыялах была ўзгоднена з выразам ступенінага закону тыпу Парыж.
Мал.1 Выява BSE высокатэмпературнага сплаву Ni50.3Ti29.7Hf20 з запамінаннем формы і размеркавання часціц аксіду па памерах
Малюнак 2 Выява ПЭМ сплаву Ni50.3Ti29.7Hf20 з высокай тэмпературай памяці формы пасля тэрмічнай апрацоўкі пры 550℃×3h
Мал. 3 Суадносіны паміж J і da/dN росту расколін механічнай стомленасці ўзору NiTiHf DCT пры 180 ℃

У эксперыментах, прыведзеных у гэтым артыкуле, даказана, што гэтая формула можа адпавядаць даным хуткасці росту стомных расколін з усіх эксперыментаў і можа выкарыстоўваць адзін і той жа набор параметраў. Паказчык ступені m роўны прыкладна 2,2. Аналіз стомленага разбурэння паказвае, што як механічнае распаўсюджванне расколін, так і кіруючае распаўсюджванне расколін з'яўляюцца квазі-спальнымі разломамі, і частая прысутнасць павярхоўнага аксіду гафнію пагоршыла супраціў распаўсюджванню расколін. Атрыманыя вынікі паказваюць, што адзіны эмпірычны ступеністы выраз можа дасягнуць неабходнага падабенства ў шырокім дыяпазоне ўмоў нагрузкі і геаметрычных канфігурацый, забяспечваючы тым самым уніфікаванае апісанне тэрмамеханічнай стомленасці сплаваў з памяццю формы, тым самым ацэньваючы рухаючую сілу.
Мал. 4. Выява SEM разлому ўзору NiTiHf DCT пасля эксперыменту з ростам расколін ад механічнай стомленасці 180 ℃
Малюнак 5. Выява SEM разлому ўзору NiTiHf DCT пасля правядзення эксперыменту з ростам стомленых расколін пры пастаяннай нагрузцы зрушэння 250 Н

Такім чынам, у гэтым артыкуле ўпершыню праводзяцца чыстыя механічныя эксперыменты і эксперыменты па росце расколін ад стомленасці на багатых нікелем сплавах з высокай тэмпературай памяці формы NiTiHf. На аснове цыклічнай інтэграцыі прапануецца выраз росту расколіны па ступені ў Парыжы, каб адпавядаць хуткасці росту стомленай расколіны кожнага эксперыменту ў рамках аднаго параметра


Час публікацыі: 07.09.2021