トップメタルマガジン「ActaMaterialia」:形状記憶合金の疲労亀裂成長挙動

形状記憶合金(SMA)は、熱機械的刺激に対して特徴的な変形応答を示します。熱機械的刺激は、高温、変位、固体から固体への変態などから発生します(高温の高次相はオーステナイトと呼ばれ、低温の低次相はマルテンサイトと呼ばれます)。周期的な相転移が繰り返されると転位が徐々に増加するため、変形していない領域ではSMAの機能が低下し(機能疲労と呼ばれます)、微小亀裂が発生します。これは、数が十分に多い場合に最終的に物理的な故障につながります。明らかに、これらの合金の疲労寿命挙動を理解し、高価な部品スクラップの問題を解決し、材料開発と製品設計サイクルを短縮することはすべて、大きな経済的圧力を生み出します。

熱機械的疲労は、特に熱機械的サイクル下での疲労亀裂伝播に関する研究が不足しているため、あまり調査されていません。生物医学におけるSMAの初期の実装では、疲労研究の焦点は、周期的な機械的負荷の下での「欠陥のない」サンプルの総寿命でした。SMA形状が小さいアプリケーションでは、疲労亀裂の成長は寿命にほとんど影響を与えないため、研究は亀裂の成長を制御するのではなく、亀裂の発生を防ぐことに焦点を当てています。運転、振動低減、エネルギー吸収のアプリケーションでは、電力を迅速に取得する必要があります。SMAコンポーネントは通常、破損する前に大きな亀裂伝播を維持するのに十分な大きさです。したがって、必要な信頼性と安全性の要件を満たすには、損傷許容法によって疲労亀裂の成長挙動を完全に理解し、定量化する必要があります。SMAの破壊力学の概念に依存する損傷許容法の適用は簡単ではありません。従来の構造金属と比較して、可逆的な相転移と熱機械的結合の存在は、SMAの疲労と過負荷破壊を効果的に説明するための新しい課題を提起します。

米国のテキサスA&M大学の研究者は、Ni50.3Ti29.7Hf20超合金で初めて純粋な機械的および駆動疲労亀裂成長実験を実施し、疲労の適合に使用できる積分ベースのパリ型べき乗則式を提案しました。単一のパラメータでの亀裂成長率。このことから、亀裂成長速度との経験的関係は、さまざまな荷重条件と幾何学的構成の間に適合させることができ、SMAの変形亀裂成長の潜在的な統一記述子として使用できることが推測されます。関連する論文は、「形状記憶合金における機械的および作動疲労亀裂成長の統一された説明」というタイトルでActaMaterialiaに掲載されました。

紙のリンク:

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

研究では、Ni50.3Ti29.7Hf20合金を180℃で一軸引張試験にかけると、オーステナイトは主に荷重プロセス中に低応力レベルで弾性変形し、ヤング率は約90GPaであることがわかりました。応力が約300MPaに達したとき正相変態の開始時に、オーステナイトは応力誘起マルテンサイトに変態します。除荷すると、応力によって誘発されたマルテンサイトは主に弾性変形を起こし、ヤング率は約60 GPaになり、その後オーステナイトに戻ります。統合により、構造材料の疲労亀裂成長率がパリ型のべき法則式に適合しました。
図1Ni50.3Ti29.7Hf20高温形状記憶合金のBSE画像と酸化物粒子の粒度分布
図2550℃×3時間の熱処理後のNi50.3Ti29.7Hf20高温形状記憶合金のTEM画像
図3180℃でのNiTiHfDCT試験片の機械的疲労亀裂成長のJとda / dNの関係

この記事の実験では、この式がすべての実験の疲労亀裂成長率データに適合し、同じパラメータセットを使用できることが証明されています。べき法則の指数mは約2.2です。疲労破壊解析では、機械的亀裂伝播と駆動亀裂伝播の両方が準劈開破壊であり、表面酸化ハフニウムが頻繁に存在することで亀裂伝播抵抗が悪化していることが示されています。得られた結果は、単一の経験的べき法則式が、広範囲の荷重条件および幾何学的構成で必要な類似性を達成できることを示し、それによって形状記憶合金の熱機械的疲労の統一された記述を提供し、それによって駆動力を推定します。
図418℃の機械的疲労亀裂成長実験後のNiTiHfDCT試験片の破壊のSEM画像
図5250Nの一定バイアス荷重下で疲労亀裂成長実験を行った後のNiTiHfDCT試験片の破壊SEM画像

要約すると、この論文は、ニッケルに富むNiTiHf高温形状記憶合金の純粋な機械的および駆動疲労亀裂成長実験を初めて実施します。周期積分に基づいて、パリ型のべき乗則亀裂成長式を提案し、単一のパラメータの下で各実験の疲労亀裂成長率に適合させます。


投稿時間:Sep-07-2021