टॉप मेटल मॅगझिन "अॅक्टा मटेरिआलिया": थकवा क्रॅक ग्रोथ बिहेवियर ऑफ शेप मेमरी अलॉय

शेप मेमरी अलॉय (SMAs) मध्ये थर्मोमेकॅनिकल उत्तेजनांना वैशिष्ट्यपूर्ण विकृती प्रतिसाद असतो. थर्मोमेकॅनिकल उत्तेजना उच्च तापमान, विस्थापन, घन-ते-घन परिवर्तन इत्यादींपासून उद्भवतात (उच्च-तापमान उच्च-ऑर्डर टप्प्याला ऑस्टेनाइट म्हणतात, आणि कमी-तापमान कमी-ऑर्डर टप्प्याला मार्टेन्साइट म्हणतात). पुनरावृत्ती झालेल्या चक्रीय फेज संक्रमणांमुळे हळूहळू विस्थापनांमध्ये वाढ होते, त्यामुळे अपरिवर्तित क्षेत्रे SMA ची कार्यक्षमता कमी करतात (ज्याला फंक्शनल थकवा म्हणतात) आणि मायक्रोक्रॅक तयार करतात, जे शेवटी शारीरिक अपयशास कारणीभूत ठरतील जेव्हा संख्या पुरेसे असते. साहजिकच, या मिश्रधातूंचे थकवा जीवनाचे वर्तन समजून घेणे, महागड्या घटकांच्या स्क्रॅपची समस्या सोडवणे आणि भौतिक विकास आणि उत्पादनाची रचना चक्र कमी करणे या सर्वांमुळे मोठा आर्थिक दबाव निर्माण होईल.

थर्मो-मेकॅनिकल थकवा मोठ्या प्रमाणात शोधला गेला नाही, विशेषत: थर्मो-मेकॅनिकल चक्रांतर्गत थकवा क्रॅकच्या प्रसारावर संशोधनाचा अभाव. बायोमेडिसिनमध्ये SMA च्या सुरुवातीच्या अंमलबजावणीमध्ये, थकवा संशोधनाचा फोकस चक्रीय यांत्रिक भारांखालील "दोष-मुक्त" नमुन्यांच्या एकूण आयुष्यावर होता. लहान SMA भूमिती असलेल्या ऍप्लिकेशन्समध्ये, थकवा क्रॅकच्या वाढीचा जीवनावर फारसा प्रभाव पडत नाही, म्हणून संशोधन क्रॅकच्या वाढीवर नियंत्रण ठेवण्याऐवजी प्रतिबंध करण्यावर लक्ष केंद्रित करते; ड्रायव्हिंग, कंपन कमी करणे आणि ऊर्जा शोषण अनुप्रयोगांमध्ये, त्वरीत शक्ती प्राप्त करणे आवश्यक आहे. SMA घटक सामान्यत: अपयशी होण्यापूर्वी लक्षणीय क्रॅक प्रसार राखण्यासाठी पुरेसे मोठे असतात. म्हणून, आवश्यक विश्वासार्हता आणि सुरक्षितता आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, नुकसान सहन करण्याच्या पद्धतीद्वारे थकवा क्रॅक वाढीचे वर्तन पूर्णपणे समजून घेणे आणि त्याचे प्रमाण निश्चित करणे आवश्यक आहे. SMA मधील फ्रॅक्चर मेकॅनिक्सच्या संकल्पनेवर अवलंबून असलेल्या नुकसान सहनशीलतेच्या पद्धती वापरणे सोपे नाही. पारंपारिक स्ट्रक्चरल धातूंच्या तुलनेत, रिव्हर्सिबल फेज ट्रान्झिशन आणि थर्मो-मेकॅनिकल कपलिंगचे अस्तित्व SMA च्या थकवा आणि ओव्हरलोड फ्रॅक्चरचे प्रभावीपणे वर्णन करण्यासाठी नवीन आव्हाने उभी करते.

युनायटेड स्टेट्समधील टेक्सास A&M विद्यापीठातील संशोधकांनी प्रथमच Ni50.3Ti29.7Hf20 सुपरअॅलॉयमध्ये शुद्ध यांत्रिक आणि चालित थकवा क्रॅक वाढीचे प्रयोग केले आणि एक अविभाज्य-आधारित पॅरिस-प्रकार पॉवर लॉ अभिव्यक्ती प्रस्तावित केली जी थकवा फिट करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते. एका पॅरामीटर अंतर्गत क्रॅक वाढीचा दर. यावरून असे अनुमान काढले जाते की क्रॅक वाढीच्या दराशी अनुभवजन्य संबंध भिन्न लोडिंग परिस्थिती आणि भौमितिक कॉन्फिगरेशनमध्ये बसवले जाऊ शकतात, ज्याचा वापर SMAs मध्ये विकृती क्रॅक वाढीचे संभाव्य युनिफाइड वर्णनकर्ता म्हणून केला जाऊ शकतो. संबंधित पेपर Acta Materialia मध्ये "A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys" या शीर्षकासह प्रकाशित झाला.

पेपर लिंक:

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

अभ्यासात असे आढळून आले की जेव्हा Ni50.3Ti29.7Hf20 मिश्रधातूची 180℃ वर एकअक्षीय तन्य चाचणी केली जाते, तेव्हा लोडिंग प्रक्रियेदरम्यान ऑस्टेनाइट मुख्यत्वे कमी तणावाच्या पातळीत लवचिकपणे विकृत होते आणि यंगचे मॉड्यूलस सुमारे 90GPa असते. जेव्हा तणाव सुमारे 300MPa पर्यंत पोहोचतो तेव्हा सकारात्मक टप्प्यातील परिवर्तनाच्या सुरूवातीस, ऑस्टेनाइट तणाव-प्रेरित मार्टेन्साइटमध्ये बदलते; अनलोड करताना, ताण-प्रेरित मार्टेन्साईट मुख्यत्वे लवचिक विकृतीतून जातो, यंग्स मोड्यूलस सुमारे 60 GPa सह, आणि नंतर ऑस्टेनाइटमध्ये रूपांतरित होतो. एकीकरणाद्वारे, स्ट्रक्चरल सामग्रीचा थकवा क्रॅक वाढीचा दर पॅरिस-प्रकारच्या पॉवर लॉ अभिव्यक्तीमध्ये बसविला गेला आहे.
Fig.1 Ni50.3Ti29.7Hf20 उच्च तापमान आकार मेमरी मिश्रधातूची BSE प्रतिमा आणि ऑक्साईड कणांचे आकारमान वितरण
आकृती 2 Ni50.3Ti29.7Hf20 उच्च तापमान आकार मेमरी मिश्रधातूची TEM प्रतिमा 550℃×3h वर उष्णता उपचारानंतर
अंजीर. 180℃ वर NiTiHf DCT नमुन्याच्या यांत्रिक थकवा क्रॅक वाढीचा J आणि da/dN मधील संबंध

या लेखातील प्रयोगांमध्ये, हे सिद्ध झाले आहे की हे सूत्र सर्व प्रयोगांमधील थकवा क्रॅक वाढीच्या डेटामध्ये बसू शकते आणि पॅरामीटर्सचा समान संच वापरू शकतो. पॉवर लॉ घातांक m सुमारे 2.2 आहे. थकवा फ्रॅक्चर विश्लेषण दर्शविते की यांत्रिक क्रॅक प्रसार आणि ड्रायव्हिंग क्रॅक प्रसार दोन्ही अर्ध-क्लीवेज फ्रॅक्चर आहेत आणि पृष्ठभागावरील हॅफनियम ऑक्साईडच्या वारंवार उपस्थितीमुळे क्रॅक प्रसार प्रतिकार वाढला आहे. प्राप्त परिणाम दर्शविते की एक एकल अनुभवजन्य शक्ती कायदा अभिव्यक्ती लोडिंग परिस्थिती आणि भौमितिक कॉन्फिगरेशनच्या विस्तृत श्रेणीमध्ये आवश्यक समानता प्राप्त करू शकते, ज्यामुळे आकार मेमरी मिश्र धातुंच्या थर्मो-मेकॅनिकल थकवाचे एक एकीकृत वर्णन प्रदान केले जाते, ज्यामुळे प्रेरक शक्तीचा अंदाज येतो.
अंजीर. 180℃ यांत्रिक थकवा क्रॅक वाढ प्रयोगानंतर NiTiHf DCT नमुन्याच्या फ्रॅक्चरची SEM प्रतिमा
आकृती 5 फ्रॅक्चर SEM NiTiHf DCT नमुन्याची प्रतिमा 250 N च्या स्थिर पूर्वाग्रह लोड अंतर्गत थकवा क्रॅक वाढीचा प्रयोग चालविल्यानंतर

सारांश, हा पेपर प्रथमच निकेल-समृद्ध NiTiHf उच्च तापमान आकाराच्या मेमरी मिश्र धातुंवर शुद्ध यांत्रिक आणि ड्रायव्हिंग थकवा क्रॅक वाढीचे प्रयोग करतो. चक्रीय समाकलनावर आधारित, पॅरिस-प्रकारचे पॉवर-लॉ क्रॅक ग्रोथ एक्सप्रेशन प्रत्येक प्रयोगाच्या थकवा क्रॅक वाढीचा दर एका पॅरामीटर अंतर्गत बसवण्यासाठी प्रस्तावित आहे.