מגזין המתכת המוביל "אקטה מטריאליה": התנהגות צמיחת סדק עייפות של סגסוגות זיכרון צורות

לסגסוגות זיכרון צורה (SMAs) יש תגובת דפורמציה אופיינית לגירויים תרמו-מכאניים. גירויים תרמו-מכאניים מקורם בטמפרטורה גבוהה, תזוזה, טרנספורמציה מוצק למוצק וכו' (שלב מסדר גבוה בטמפרטורה גבוהה נקרא אוסטניט, ושלב מסדר נמוך בטמפרטורה נמוכה נקרא מרטנזיט). מעברי פאזה מחזוריים חוזרים מובילים לעלייה הדרגתית בנקעים, כך שהאזורים הלא-מופנים יפחיתו את הפונקציונליות של ה-SMA (הנקראת עייפות תפקודית) וייצרו מיקרו-סדקים, אשר יובילו בסופו של דבר לכשל פיזי כאשר המספר גדול מספיק. ברור, הבנת התנהגות חיי העייפות של סגסוגות אלו, פתרון הבעיה של גרוטאות רכיבים יקרות והפחתת מחזור פיתוח החומרים ועיצוב המוצר, כל אלה ייצרו לחץ כלכלי עצום.

עייפות תרמו-מכנית לא נחקרה במידה רבה, במיוחד היעדר מחקר על התפשטות סדקי עייפות במחזורים תרמו-מכניים. ביישום מוקדם של SMA בביו-רפואה, המוקד של חקר העייפות היה אורך החיים הכולל של דגימות "נטולות פגמים" בעומסים מכניים מחזוריים. ביישומים עם גיאומטריית SMA קטנה, לצמיחת סדקי עייפות יש השפעה מועטה על החיים, ולכן המחקר מתמקד במניעת התחלת סדקים במקום בשליטה בצמיחתו; ביישומי נהיגה, הפחתת רעידות וספיגת אנרגיה, יש צורך להשיג כוח במהירות. רכיבי SMA הם בדרך כלל גדולים מספיק כדי לשמור על התפשטות סדקים משמעותית לפני כשל. לכן, כדי לעמוד בדרישות האמינות והבטיחות הדרושות, יש צורך להבין ולכמת את התנהגות צמיחת סדק העייפות במלואה באמצעות שיטת סבילות הנזק. היישום של שיטות סבילות נזק המסתמכות על הרעיון של מכניקת שברים ב-SMA אינו פשוט. בהשוואה למתכות מבניות מסורתיות, קיומו של מעבר פאזה הפיך וצימוד תרמו-מכני מציבים אתגרים חדשים לתיאור יעיל של שבר העייפות והעומס של SMA.

חוקרים מאוניברסיטת טקסס A&M בארצות הברית ערכו לראשונה ניסויי צמיחת סדקי עייפות מכניים ומונעים בסגסוגת-על Ni50.3Ti29.7Hf20, והציעו ביטוי חוק כוח מסוג פריז מבוסס אינטגרלי שניתן להשתמש בו עבור Fit the fatigue קצב צמיחת הסדק תחת פרמטר בודד. ניתן להסיק מכך שניתן להתאים את הקשר האמפירי עם קצב צמיחת הסדקים בין תנאי טעינה שונים ותצורות גיאומטריות, אשר יכולים לשמש כמתאר מאוחד פוטנציאלי של צמיחת סדק דפורמציה ב-SMAs. המאמר הקשור פורסם ב-Acta Materialia עם הכותרת "תיאור מאוחד של צמיחת סדקי עייפות מכנית והפעלה בסגסוגות של זיכרון צורה".

קישור נייר:

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

המחקר מצא שכאשר סגסוגת Ni50.3Ti29.7Hf20 נתונה למבחן מתיחה חד-צירי ב-180℃, האוסטניט מתעוות בעיקר בצורה אלסטית תחת רמת מתח נמוכה במהלך תהליך הטעינה, ומודול ה-Young הוא כ-90GPa. כאשר הלחץ מגיע לכ-300MPa בתחילת הטרנספורמציה הפאזית החיובית, האוסטניט הופך למרטנזיט המושרה במתח; בעת פריקה, מרטנזיט המושרה במתח עובר בעיקר דפורמציה אלסטית, עם מודול יאנג של כ-60 GPa, ולאחר מכן הופך בחזרה לאוסטניט. באמצעות אינטגרציה, קצב צמיחת סדקי העייפות של חומרים מבניים הותאם לביטוי חוק הכוח מסוג פריז.
איור 1 תמונת BSE של Ni50.3Ti29.7Hf20 סגסוגת זיכרון צורה בטמפרטורה גבוהה וחלוקת גודל של חלקיקי תחמוצת
איור 2 תמונת TEM של Ni50.3Ti29.7Hf20 סגסוגת זיכרון צורה בטמפרטורה גבוהה לאחר טיפול בחום ב-550℃×3h
איור 3 הקשר בין J ו-da/dN של צמיחת סדק עייפות מכני של דגימת NiTiHf DCT ב-180℃

בניסויים במאמר זה, הוכח שנוסחה זו יכולה להתאים לנתוני קצב צמיחת סדק העייפות מכל הניסויים ויכולה להשתמש באותה סט של פרמטרים. מעריך חוק הכוח m הוא בערך 2.2. ניתוח שברי עייפות מראה כי הן התפשטות הסדקים המכאנית והן התפשטות הסדקים המניעה הם שברים מעין מחשופים, והנוכחות התכופה של תחמוצת הפניום על פני השטח החמירה את ההתנגדות להתפשטות הסדקים. התוצאות שהתקבלו מראות שביטוי חוק אמפירי יחיד יכול להשיג את הדמיון הנדרש במגוון רחב של תנאי טעינה ותצורות גיאומטריות, ובכך לספק תיאור אחיד של העייפות התרמו-מכנית של סגסוגות זיכרון צורות, ובכך להעריך את הכוח המניע.
איור 4 תמונת SEM של השבר של דגימת NiTiHf DCT לאחר ניסוי צמיחת סדק עייפות מכאני של 180℃
איור 5 תמונת שבר SEM של דגימת NiTiHf DCT לאחר הפעלת ניסוי צמיחת סדק עייפות בעומס הטיה קבוע של 250 N

לסיכום, מאמר זה עורך לראשונה ניסויים מכניים טהורים וניסויי צמיחת סדקי עייפות בסגסוגות NiTiHf עשירות בניקל בטמפרטורה גבוהה. בהתבסס על אינטגרציה מחזורית, מוצע ביטוי צמיחת סדקים מסוג פריז כדי להתאים לקצב צמיחת סדקי העייפות של כל ניסוי תחת פרמטר בודד


זמן פרסום: 07-09-2021