Top Metal Magazine “Acta Materialia”: Fatigue Crack Growth Behavior of Shape Memory Alloys

Ligas com memória de forma (SMAs) têm uma resposta de deformação característica a estímulos termomecânicos. Os estímulos termomecânicos originam-se de alta temperatura, deslocamento, transformação sólido-para-sólido, etc. (a fase de alta temperatura de alta ordem é chamada de austenita, e a fase de baixa temperatura de baixa ordem é chamada de martensita). As transições de fase cíclicas repetidas levam a um aumento gradual nos deslocamentos, de modo que as áreas não transformadas reduzirão a funcionalidade do SMA (chamado de fadiga funcional) e produzirão microfissuras, que eventualmente levarão à falha física quando o número for grande o suficiente. Obviamente, compreender o comportamento da vida à fadiga dessas ligas, resolver o problema de resíduos de componentes caros e reduzir o desenvolvimento de material e o ciclo de projeto do produto, tudo isso vai gerar uma enorme pressão econômica.

A fadiga termomecânica ainda não foi explorada em larga escala, especialmente a falta de pesquisas sobre a propagação de trincas por fadiga em ciclos termo-mecânicos. No início da implementação do SMA em biomedicina, o foco da pesquisa sobre fadiga era a vida total de amostras “livres de defeitos” sob cargas mecânicas cíclicas. Em aplicações com geometria SMA pequena, o crescimento de trincas por fadiga tem pouco efeito sobre a vida, então a pesquisa se concentra na prevenção do início de trincas em vez de controlar seu crescimento; em aplicações de condução, redução de vibração e absorção de energia, é necessário obter potência rapidamente. Os componentes do SMA são geralmente grandes o suficiente para manter a propagação significativa de trincas antes da falha. Portanto, para atender aos requisitos de confiabilidade e segurança necessários, é necessário compreender e quantificar totalmente o comportamento do crescimento da trinca por fadiga por meio do método de tolerância a danos. A aplicação de métodos de tolerância a danos que se baseiam no conceito de mecânica da fratura no SMA não é simples. Em comparação com os metais estruturais tradicionais, a existência de transição de fase reversível e acoplamento termo-mecânico apresenta novos desafios para descrever com eficácia a fadiga e a fratura por sobrecarga do SMA.

Pesquisadores da Texas A&M University nos Estados Unidos conduziram experimentos puramente mecânicos e direcionados de crescimento de trinca por fadiga na superliga Ni50.3Ti29.7Hf20 pela primeira vez e propuseram uma expressão da lei de potência do tipo Paris baseada na integração que pode ser usada para Ajustar à fadiga taxa de crescimento de fissuras sob um único parâmetro. Infere-se a partir disso que a relação empírica com a taxa de crescimento de trinca pode ser ajustada entre diferentes condições de carregamento e configurações geométricas, que podem ser usadas como um descritor unificado potencial de crescimento de trinca de deformação em SMAs. O artigo relacionado foi publicado na Acta Materialia com o título “Uma descrição unificada do crescimento de trincas por fadiga mecânica e de atuação em ligas com memória de forma”.

Link do papel:

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

O estudo descobriu que quando a liga Ni50.3Ti29.7Hf20 é submetida ao teste de tração uniaxial a 180 ℃, a austenita é principalmente elasticamente deformada sob baixo nível de tensão durante o processo de carregamento e o módulo de Young é de cerca de 90 GPa. Quando a tensão atinge cerca de 300 MPa No início da transformação de fase positiva, a austenita se transforma em martensita induzida por tensão; ao descarregar, a martensita induzida por estresse sofre principalmente deformação elástica, com um módulo de Young de cerca de 60 GPa, e então se transforma novamente em austenita. Por meio da integração, a taxa de crescimento de trincas por fadiga de materiais estruturais foi ajustada à expressão da lei de potência do tipo de Paris.
Fig.1 Imagem BSE de liga de memória de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 e distribuição de tamanho de partículas de óxido
Figura 2 Imagem TEM de liga de memória de forma de alta temperatura Ni50.3Ti29.7Hf20 após tratamento térmico a 550 ℃ × 3h
Fig. 3 A relação entre J e da / dN do crescimento de trinca por fadiga mecânica do espécime NiTiHf DCT a 180 ℃

Nos experimentos deste artigo, é provado que esta fórmula pode se ajustar aos dados de taxa de crescimento de trinca por fadiga de todos os experimentos e pode usar o mesmo conjunto de parâmetros. O expoente da lei de potência m é cerca de 2,2. A análise da fratura por fadiga mostra que tanto a propagação mecânica da trinca quanto a propagação da trinca são fraturas de quase clivagem e a presença frequente de óxido de háfnio na superfície agravou a resistência à propagação da trinca. Os resultados obtidos mostram que uma única expressão empírica da lei de potência pode atingir a similaridade necessária em uma ampla gama de condições de carregamento e configurações geométricas, fornecendo assim uma descrição unificada da fadiga termo-mecânica de ligas com memória de forma, estimando assim a força motriz.
Fig. 4 Imagem SEM da fratura do espécime NiTiHf DCT após experimento de crescimento de trinca por fadiga mecânica 180 ℃
Figura 5 Imagem SEM de fratura do espécime NiTiHf DCT após conduzir o experimento de crescimento de trinca por fadiga sob carga de polarização constante de 250 N

Em resumo, este artigo conduz experimentos puramente mecânicos e direcionadores de crescimento de trincas por fadiga em ligas com memória de forma de alta temperatura de NiTiHf ricas em níquel pela primeira vez. Com base na integração cíclica, uma expressão de crescimento de trinca de lei de potência do tipo Paris é proposta para ajustar a taxa de crescimento de trinca por fadiga de cada experimento sob um único parâmetro


Horário da postagem: Set-07-2021