سبائك ذاكرة الشكل (SMAs) لها استجابة تشوه مميزة للمحفزات الحرارية الميكانيكية. تنشأ المحفزات الميكانيكية الحرارية من ارتفاع درجة الحرارة ، والإزاحة ، والتحول الصلب إلى الصلب ، وما إلى ذلك. تؤدي انتقالات الطور الدوري المتكررة إلى زيادة تدريجية في الاضطرابات ، وبالتالي فإن المناطق غير المحولة ستقلل من وظائف SMA (تسمى التعب الوظيفي) وتنتج تشققات صغيرة ، والتي ستؤدي في النهاية إلى فشل جسدي عندما يكون العدد كبيرًا بدرجة كافية. من الواضح أن فهم سلوك حياة الكلال لهذه السبائك ، وحل مشكلة خردة المكونات باهظة الثمن ، وتقليل تطوير المواد ودورة تصميم المنتج ، كلها عوامل ستولد ضغطًا اقتصاديًا هائلاً.
لم يتم استكشاف التعب الميكانيكي الحراري إلى حد كبير ، لا سيما نقص البحث عن انتشار شقوق التعب في ظل الدورات الحرارية الميكانيكية. في التطبيق المبكر لـ SMA في الطب الحيوي ، كان تركيز أبحاث الإجهاد على العمر الإجمالي للعينات "الخالية من العيوب" تحت الأحمال الميكانيكية الدورية. في التطبيقات ذات هندسة SMA الصغيرة ، يكون لنمو الشقوق المرهقة تأثير ضئيل على الحياة ، لذلك يركز البحث على منع بدء الشقوق بدلاً من التحكم في نموها ؛ في تطبيقات القيادة وتقليل الاهتزازات وامتصاص الطاقة ، من الضروري الحصول على الطاقة بسرعة. عادة ما تكون مكونات SMA كبيرة بما يكفي للحفاظ على انتشار الشقوق بشكل كبير قبل الفشل. لذلك ، لتلبية متطلبات الموثوقية والسلامة اللازمة ، من الضروري أن نفهم بشكل كامل ويحدد سلوك نمو صدع التعب من خلال طريقة تحمل الضرر. إن تطبيق طرق تحمل الضرر التي تعتمد على مفهوم ميكانيكا الكسر في SMA ليس بالأمر السهل. بالمقارنة مع المعادن الإنشائية التقليدية ، فإن وجود مرحلة انتقالية عكسية واقتران حراري ميكانيكي يطرح تحديات جديدة لوصف الإجهاد والكسر الزائد في SMA بشكل فعال.
أجرى باحثون من جامعة تكساس إيه آند إم في الولايات المتحدة تجارب ميكانيكية خالصة ونمو تشققات إجهاد مدفوعة في سبيكة Ni50.3Ti29.7Hf20 الفائقة للمرة الأولى ، واقترحوا تعبيرًا متكاملًا لقانون الطاقة من النوع الباريسي يمكن استخدامه لتناسب التعب معدل نمو الكراك تحت معلمة واحدة. يُستنتج من ذلك أن العلاقة التجريبية مع معدل نمو الشقوق يمكن تركيبها بين ظروف التحميل المختلفة والتكوينات الهندسية ، والتي يمكن استخدامها كواصف موحد محتمل لنمو صدع التشوه في SMAs. تم نشر الورقة ذات الصلة في Acta Materialia بعنوان "وصف موحد لنمو الشقوق الميكانيكية والتعبية في سبائك ذاكرة الشكل".
رابط الورق:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
وجدت الدراسة أنه عندما تخضع سبيكة Ni50.3Ti29.7Hf20 لاختبار شد أحادي المحور عند 180 درجة مئوية ، يتشوه الأوستينيت بشكل أساسي تحت مستوى ضغط منخفض أثناء عملية التحميل ، ويكون معامل يونغ حوالي 90GPa. عندما يصل الضغط إلى حوالي 300 ميجا باسكال في بداية تحول المرحلة الإيجابية ، يتحول الأوستينيت إلى مارتينسيت الناجم عن الإجهاد ؛ عند التفريغ ، يخضع المارتينسيت الناجم عن الإجهاد بشكل أساسي لتشوه مرن ، بمعامل يونغ يبلغ حوالي 60 جيجا باسكال ، ثم يتحول مرة أخرى إلى الأوستينيت. من خلال التكامل ، تم تعديل معدل نمو صدع الإجهاد للمواد الإنشائية لتعبير قانون السلطة من نوع باريس.
الشكل 1 صورة جنون البقر من سبيكة ذاكرة ذات درجة حرارة عالية Ni50.3Ti29.7Hf20 وتوزيع حجم جزيئات الأكسيد
الشكل 2 صورة TEM لسبيكة ذاكرة على شكل درجة حرارة عالية Ni50.3Ti29.7Hf20 بعد المعالجة الحرارية عند 550 ℃ × 3h
الشكل 3 العلاقة بين J و da / dN لنمو شقوق التعب الميكانيكي لعينة NiTiHf DCT عند 180
في التجارب في هذه المقالة ، ثبت أن هذه الصيغة يمكن أن تناسب بيانات معدل نمو صدع التعب من جميع التجارب ويمكن أن تستخدم نفس مجموعة المعلمات. أس قانون القوة m حوالي 2.2. يُظهر تحليل كسر الكلال أن كلاً من انتشار الشق الميكانيكي وانتشار الشقوق الدافعة عبارة عن كسور شبه انقسام ، وقد أدى الوجود المتكرر لأكسيد الهافنيوم السطحي إلى تفاقم مقاومة انتشار الشقوق. تظهر النتائج التي تم الحصول عليها أن تعبيرًا واحدًا لقانون القوة التجريبية يمكن أن يحقق التشابه المطلوب في مجموعة واسعة من ظروف التحميل والتكوينات الهندسية ، وبالتالي توفير وصف موحد للتعب الميكانيكي الحراري لسبائك ذاكرة الشكل ، وبالتالي تقدير القوة الدافعة.
صورة 4 SEM لكسر عينة NiTiHf DCT بعد تجربة نمو تشققات التعب الميكانيكي 180 درجة
الشكل 5 صورة الكسر SEM لعينة NiTiHf DCT بعد قيادة تجربة نمو صدع التعب تحت حمل تحيز ثابت قدره 250 نيوتن
باختصار ، تُجري هذه الورقة تجارب نمو تشققات ميكانيكية نقية وإرهاق القيادة على سبائك ذاكرة ذات درجة حرارة عالية NiTiHf غنية بالنيكل لأول مرة. استنادًا إلى التكامل الدوري ، يُقترح تعبير نمو صدع قانون الطاقة من نوع باريس لملاءمة معدل نمو صدع التعب لكل تجربة تحت معلمة واحدة
الوقت ما بعد: سبتمبر-07-2021