Las aleaciones con memoria de forma (SMA) tienen una respuesta de deformación característica a los estímulos termomecánicos. Los estímulos termomecánicos se originan a partir de alta temperatura, desplazamiento, transformación de sólido a sólido, etc. (la fase de alto orden a alta temperatura se llama austenita y la fase de bajo orden a baja temperatura se llama martensita). Las transiciones de fase cíclica repetidas conducen a un aumento gradual de las dislocaciones, por lo que las áreas no transformadas reducirán la funcionalidad de la SMA (llamada fatiga funcional) y producirán microfisuras, que eventualmente conducirán a fallas físicas cuando el número sea lo suficientemente grande. Obviamente, comprender el comportamiento de la vida útil a la fatiga de estas aleaciones, resolver el problema del costoso desperdicio de componentes y reducir el ciclo de desarrollo del material y diseño del producto generará una enorme presión económica.
La fatiga termomecánica no se ha explorado en gran medida, especialmente la falta de investigación sobre la propagación de grietas por fatiga bajo ciclos termomecánicos. En la implementación temprana de SMA en biomedicina, el foco de la investigación de fatiga era la vida total de las muestras "libres de defectos" bajo cargas mecánicas cíclicas. En aplicaciones con geometría SMA pequeña, el crecimiento de grietas por fatiga tiene poco efecto sobre la vida, por lo que la investigación se centra en prevenir la iniciación de grietas en lugar de controlar su crecimiento; en aplicaciones de conducción, reducción de vibraciones y absorción de energía, es necesario obtener energía rápidamente. Los componentes de SMA suelen ser lo suficientemente grandes como para mantener una propagación significativa de grietas antes de fallar. Por lo tanto, para cumplir con los requisitos de confiabilidad y seguridad necesarios, es necesario comprender y cuantificar completamente el comportamiento del crecimiento de grietas por fatiga a través del método de tolerancia al daño. La aplicación de métodos de tolerancia al daño que se basan en el concepto de mecánica de fracturas en SMA no es simple. En comparación con los metales estructurales tradicionales, la existencia de transición de fase reversible y acoplamiento termomecánico plantea nuevos desafíos para describir eficazmente la fractura por fatiga y sobrecarga de SMA.
Investigadores de la Universidad de Texas A&M en los Estados Unidos llevaron a cabo experimentos de crecimiento de grietas por fatiga puramente mecánicos y conducidos en la superaleación Ni50.3Ti29.7Hf20 por primera vez, y propusieron una expresión de la ley de potencia de tipo París basada en la integral que se puede utilizar para ajustar la fatiga. tasa de crecimiento de grietas bajo un solo parámetro. De esto se infiere que la relación empírica con la tasa de crecimiento de grietas puede ajustarse entre diferentes condiciones de carga y configuraciones geométricas, lo que puede usarse como un descriptor unificado potencial del crecimiento de grietas por deformación en SMA. El artículo relacionado se publicó en Acta Materialia con el título "Una descripción unificada del crecimiento de grietas por fatiga mecánica y de actuación en aleaciones con memoria de forma".
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
El estudio encontró que cuando la aleación Ni50.3Ti29.7Hf20 se somete a una prueba de tracción uniaxial a 180 ℃, la austenita se deforma principalmente elásticamente bajo un bajo nivel de tensión durante el proceso de carga, y el módulo de Young es de aproximadamente 90 GPa. Cuando la tensión alcanza aproximadamente 300MPa Al comienzo de la transformación de fase positiva, la austenita se transforma en martensita inducida por tensión; cuando se descarga, la martensita inducida por tensión sufre principalmente una deformación elástica, con un módulo de Young de aproximadamente 60 GPa, y luego se transforma nuevamente en austenita. A través de la integración, la tasa de crecimiento de grietas por fatiga de los materiales estructurales se ha ajustado a la expresión de la ley de potencia tipo Paris.
Fig.1 Imagen de EEB de la aleación de memoria de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 y distribución de tamaño de partículas de óxido
Figura 2 Imagen TEM de aleación de memoria de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 después del tratamiento térmico a 550 ℃ × 3h
Fig.3 La relación entre J y da / dN del crecimiento de grietas por fatiga mecánica de la muestra de NiTiHf DCT a 180 ℃
En los experimentos de este artículo, se demuestra que esta fórmula puede ajustarse a los datos de tasa de crecimiento de grietas por fatiga de todos los experimentos y puede usar el mismo conjunto de parámetros. El exponente de la ley de potencias m es aproximadamente 2.2. El análisis de la fractura por fatiga muestra que tanto la propagación mecánica de la fisura como la propagación de la fisura motriz son fracturas de cuasi escisión, y la presencia frecuente de óxido de hafnio en la superficie ha agravado la resistencia a la propagación de la fisura. Los resultados obtenidos muestran que una sola expresión empírica de la ley de potencia puede lograr la similitud requerida en una amplia gama de condiciones de carga y configuraciones geométricas, proporcionando así una descripción unificada de la fatiga termomecánica de las aleaciones con memoria de forma, estimando así la fuerza motriz.
Fig.4 Imagen SEM de la fractura de la muestra de NiTiHf DCT después del experimento de crecimiento de grietas por fatiga mecánica de 180 ℃
Figura 5 Imagen SEM de fractura de una muestra de NiTiHf DCT después de conducir el experimento de crecimiento de grietas por fatiga bajo una carga de polarización constante de 250 N
En resumen, este documento lleva a cabo por primera vez experimentos puramente mecánicos y de crecimiento de grietas por fatiga de conducción en aleaciones con memoria de forma de alta temperatura NiTiHf ricas en níquel. Sobre la base de la integración cíclica, se propone una expresión de crecimiento de grietas según la ley de potencias de tipo Paris para ajustar la tasa de crecimiento de grietas por fatiga de cada experimento bajo un solo parámetro
Hora de publicación: Sep-07-2021