Hợp kim bộ nhớ hình dạng (SMA) có phản ứng biến dạng đặc trưng đối với các kích thích cơ nhiệt. Các kích thích cơ nhiệt bắt nguồn từ nhiệt độ cao, sự chuyển dời, chuyển thể rắn sang thể rắn, ... (pha bậc cao ở nhiệt độ cao gọi là Austenit, và pha bậc thấp nhiệt độ thấp gọi là mactenxit). Sự chuyển pha lặp đi lặp lại theo chu kỳ dẫn đến sự gia tăng dần độ lệch, do đó các vùng không được biến đổi sẽ làm giảm chức năng của SMA (gọi là sự mỏi chức năng) và tạo ra các vết nứt nhỏ, cuối cùng sẽ dẫn đến hỏng hóc vật lý khi số lượng đủ lớn. Rõ ràng, việc hiểu rõ đặc tính tuổi thọ mỏi của các hợp kim này, giải quyết vấn đề phế liệu thành phần đắt tiền, và giảm chu kỳ phát triển vật liệu và thiết kế sản phẩm sẽ tạo ra áp lực kinh tế rất lớn.
Hiện tượng mỏi cơ nhiệt chưa được khám phá rộng rãi, đặc biệt là thiếu các nghiên cứu về sự lan truyền vết nứt do mỏi theo các chu trình cơ nhiệt. Trong giai đoạn đầu triển khai SMA trong y sinh học, trọng tâm của nghiên cứu về độ bền là tổng tuổi thọ của các mẫu “không có khuyết tật” dưới tải trọng cơ học theo chu kỳ. Trong các ứng dụng có dạng hình học SMA nhỏ, sự phát triển vết nứt do mỏi ít ảnh hưởng đến tuổi thọ, vì vậy nghiên cứu tập trung vào việc ngăn chặn sự hình thành vết nứt hơn là kiểm soát sự phát triển của nó; trong các ứng dụng truyền động, giảm rung và hấp thụ năng lượng, cần phải nhanh chóng lấy được công suất. Các thành phần SMA thường đủ lớn để duy trì sự lan truyền vết nứt đáng kể trước khi bị hỏng. Do đó, để đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy và an toàn cần thiết, cần phải hiểu đầy đủ và định lượng hành vi phát triển vết nứt mỏi thông qua phương pháp chịu thiệt hại. Việc áp dụng các phương pháp chịu thiệt hại dựa trên khái niệm cơ học đứt gãy trong SMA không đơn giản. So với các kim loại kết cấu truyền thống, sự tồn tại của quá trình chuyển pha thuận nghịch và khớp nối cơ nhiệt đặt ra những thách thức mới để mô tả hiệu quả sự đứt gãy do mỏi và quá tải của SMA.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas A&M ở Hoa Kỳ đã tiến hành các thí nghiệm tăng trưởng vết nứt do mỏi cơ học và điều khiển thuần túy trong siêu hợp kim Ni50.3Ti29.7Hf20 lần đầu tiên và đề xuất một biểu thức định luật công suất kiểu Paris dựa trên tích phân có thể được sử dụng để điều chỉnh độ mỏi tốc độ phát triển vết nứt dưới một tham số duy nhất. Từ đó suy ra rằng mối quan hệ thực nghiệm với tốc độ phát triển vết nứt có thể được phù hợp giữa các điều kiện tải trọng và cấu hình hình học khác nhau, có thể được sử dụng như một mô tả thống nhất tiềm năng về sự tăng trưởng vết nứt biến dạng trong SMA. Bài báo liên quan đã được xuất bản trên Acta Materialia với tiêu đề “Mô tả thống nhất về sự phát triển vết nứt do mỏi cơ học và truyền động trong các hợp kim nhớ hình dạng”.
Liên kết giấy:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Nghiên cứu phát hiện ra rằng khi hợp kim Ni50.3Ti29.7Hf20 chịu thử nghiệm kéo một trục ở 180 ℃, Austenit chủ yếu bị biến dạng đàn hồi dưới mức ứng suất thấp trong quá trình tải và mô đun Young là khoảng 90GPa. Khi ứng suất đạt khoảng 300MPa Tại thời điểm bắt đầu chuyển pha dương, austenit chuyển thành mactenxit cảm ứng suất; khi dỡ tải, mactenxit sinh ra ứng suất chủ yếu trải qua biến dạng đàn hồi, với môđun Young khoảng 60 GPa, và sau đó biến đổi trở lại Austenit. Thông qua tích hợp, tốc độ phát triển vết nứt mỏi của vật liệu kết cấu đã được phù hợp với biểu thức định luật công suất kiểu Paris.
Hình 1 Hình ảnh BSE của hợp kim bộ nhớ hình dạng nhiệt độ cao Ni50.3Ti29.7Hf20 và sự phân bố kích thước của các hạt oxit
Hình 2 Hình ảnh TEM của hợp kim bộ nhớ hình dạng nhiệt độ cao Ni50.3Ti29.7Hf20 sau khi xử lý nhiệt ở 550 ℃ × 3h
Hình 3 Mối quan hệ giữa J và da / dN của sự phát triển vết nứt do mỏi cơ học của mẫu NiTiHf DCT ở 180 ℃
Trong các thí nghiệm trong bài báo này, người ta chứng minh rằng công thức này có thể phù hợp với dữ liệu tốc độ phát triển vết nứt mỏi từ tất cả các thí nghiệm và có thể sử dụng cùng một bộ thông số. Luật lũy thừa m là khoảng 2,2. Phân tích vết nứt do mỏi cho thấy rằng cả sự lan truyền vết nứt cơ học và sự lan truyền vết nứt do động lực đều là đứt gãy phân cắt, và sự xuất hiện thường xuyên của ôxít hafni trên bề mặt đã làm tăng khả năng chống truyền vết nứt. Các kết quả thu được cho thấy rằng một biểu thức định luật công suất thực nghiệm có thể đạt được sự tương tự cần thiết trong một loạt các điều kiện tải và cấu hình hình học, do đó cung cấp một mô tả thống nhất về độ mỏi cơ nhiệt của các hợp kim nhớ hình dạng, từ đó ước tính động lực.
Hình 4 Hình ảnh SEM về sự đứt gãy của mẫu NiTiHf DCT sau thí nghiệm phát triển vết nứt do mỏi cơ học 180 ℃
Hình 5 Hình ảnh SEM đứt gãy của mẫu NiTiHf DCT sau khi thử nghiệm tăng trưởng vết nứt do mỏi lái xe dưới tải trọng thiên vị không đổi 250 N
Tóm lại, bài báo này lần đầu tiên tiến hành các thí nghiệm tăng trưởng vết nứt do mỏi cơ học và mỏi lái trên các hợp kim nhớ hình dạng nhiệt độ cao NiTiHf giàu niken. Dựa trên tích phân theo chu kỳ, biểu thức tăng trưởng vết nứt theo luật công suất kiểu Paris được đề xuất để phù hợp với tốc độ phát triển vết nứt mỏi của mỗi thí nghiệm dưới một tham số duy nhất
Thời gian đăng: 09-07-2021