รูปร่างของหน่วยความจำอัลลอยด์ (SMAs) มีลักษณะเฉพาะตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางความร้อน ตัวกระตุ้นทางความร้อนจากเครื่องกลเกิดขึ้นจากอุณหภูมิสูง การเคลื่อนตัว การเปลี่ยนสถานะของแข็งเป็นของแข็ง เป็นต้น (เฟสที่มีลำดับสูงที่อุณหภูมิสูงเรียกว่าออสเทนไนต์ และเฟสลำดับต่ำที่อุณหภูมิต่ำเรียกว่ามาร์เทนไซต์) การเปลี่ยนเฟสเป็นวัฏจักรซ้ำๆ นำไปสู่การเพิ่มขึ้นทีละน้อยในความคลาดเคลื่อน ดังนั้นพื้นที่ที่ไม่เปลี่ยนรูปจะลดการทำงานของ SMA (เรียกว่าความล้าเชิงฟังก์ชัน) และทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็ก ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่ความล้มเหลวทางกายภาพเมื่อจำนวนที่มากพอ เห็นได้ชัดว่า การเข้าใจพฤติกรรมความล้าของโลหะผสมเหล่านี้ การแก้ปัญหาเศษชิ้นส่วนที่มีราคาแพง การลดการพัฒนาวัสดุและวงจรการออกแบบผลิตภัณฑ์ ล้วนสร้างแรงกดดันทางเศรษฐกิจมหาศาล
ยังไม่มีการสำรวจความล้าทางกลทางความร้อนในวงกว้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขาดการวิจัยเกี่ยวกับการขยายพันธุ์ของรอยแตกเมื่อยล้าภายใต้วัฏจักรเทอร์โม-กลศาสตร์ ในการนำ SMA ไปใช้ในชีวการแพทย์ในระยะแรก จุดเน้นของการวิจัยความล้าคืออายุการใช้งานทั้งหมดของตัวอย่างที่ "ปราศจากข้อบกพร่อง" ภายใต้ภาระทางกลแบบวนรอบ ในการใช้งานที่มีรูปทรง SMA ขนาดเล็ก การเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้ามีผลเพียงเล็กน้อยต่อชีวิต ดังนั้นการวิจัยจึงมุ่งเน้นไปที่การป้องกันการเริ่มต้นของรอยแตกมากกว่าการควบคุมการเจริญเติบโต ในการขับขี่ การลดการสั่นสะเทือน และการดูดซับพลังงาน จำเป็นต้องได้รับพลังงานอย่างรวดเร็ว ส่วนประกอบ SMA มักจะมีขนาดใหญ่พอที่จะรักษาการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมีนัยสำคัญก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว ดังนั้น เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยที่จำเป็น จึงจำเป็นต้องทำความเข้าใจและวัดปริมาณพฤติกรรมการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าอย่างครบถ้วนด้วยวิธีความทนทานต่อความเสียหาย การใช้วิธีการทนต่อความเสียหายที่อาศัยแนวคิดของกลไกการแตกหักใน SMA นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เมื่อเทียบกับโลหะโครงสร้างแบบดั้งเดิม การมีอยู่ของการเปลี่ยนเฟสแบบผันกลับได้และการมีเพศสัมพันธ์ทางความร้อนและเชิงกลทำให้เกิดความท้าทายใหม่ในการอธิบายความล้าและการแตกหักเกินพิกัดของ SMA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Texas A&M ในสหรัฐอเมริกาได้ทำการทดลองการเจริญเติบโตของรอยแตกที่เกิดจากความล้าทางกลและการขับเคลื่อนโดยแท้จริงในซูเปอร์อัลลอย Ni50.3Ti29.7Hf20 เป็นครั้งแรก และได้เสนอนิพจน์กฎกำลังแบบปารีสที่มีพื้นฐานมาจากอินทิกรัล ที่สามารถนำมาใช้สำหรับ Fit the fatigue อัตราการเติบโตของรอยแตกภายใต้พารามิเตอร์เดียว จากสิ่งนี้สรุปได้ว่าความสัมพันธ์เชิงประจักษ์กับอัตราการเติบโตของรอยแตกสามารถติดตั้งได้ระหว่างเงื่อนไขการโหลดที่แตกต่างกันและการกำหนดค่าทางเรขาคณิต ซึ่งสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้แบบรวมที่เป็นไปได้ของการเติบโตของรอยแตกที่ผิดรูปใน SMA บทความที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Acta Materialia โดยมีชื่อว่า "A unified description of mechanical and actuation trauma crack growth in shape memory alloys"
ลิงค์กระดาษ:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
ผลการศึกษาพบว่าเมื่อโลหะผสม Ni50.3Ti29.7Hf20 อยู่ภายใต้การทดสอบแรงดึงแกนเดียวที่ 180 ℃ ออสเทนไนต์ส่วนใหญ่จะเปลี่ยนรูปอย่างยืดหยุ่นภายใต้ระดับความเค้นต่ำในระหว่างกระบวนการโหลด และโมดูลัสของ Young อยู่ที่ประมาณ 90GPa เมื่อความเครียดสูงถึง 300MPa ในช่วงเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงเฟสเชิงบวก ออสเทนไนต์จะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ที่เกิดจากความเครียด เมื่อขนถ่าย มาร์เทนไซต์ที่เกิดจากความเครียดส่วนใหญ่จะผ่านการเสียรูปแบบยืดหยุ่น โดยมีค่าโมดูลัสของ Young ที่ประมาณ 60 GPa แล้วแปลงกลับเป็นออสเทนไนต์ อัตราการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าของวัสดุโครงสร้างได้รับการปรับให้เข้ากับนิพจน์กฎหมายกำลังแบบปารีส
รูปที่ 1 ภาพ BSE ของ Ni50.3Ti29.7Hf20 โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างอุณหภูมิสูงและการกระจายขนาดของอนุภาคออกไซด์
รูปที่ 2 ภาพ TEM ของ Ni50.3Ti29.7Hf20 โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างอุณหภูมิสูงหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 550 ℃× 3 ชั่วโมง
รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่าง J และ da/dN ของการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าเชิงกลของชิ้นงานทดสอบ NiTiHf DCT ที่ 180 ℃
ในการทดลองในบทความนี้ มีการพิสูจน์แล้วว่าสูตรนี้สามารถใส่ข้อมูลอัตราการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าจากการทดลองทั้งหมด และสามารถใช้พารามิเตอร์ชุดเดียวกันได้ เลขชี้กำลังกฎกำลัง m คือประมาณ 2.2 การวิเคราะห์การแตกหักเมื่อยล้าแสดงให้เห็นว่าทั้งการขยายพันธุ์ของรอยแตกทางกลและการขยายพันธุ์ของรอยแตกแบบขับเคลื่อนเป็นการแตกหักแบบกึ่งความแตกแยก และการปรากฏตัวของแฮฟเนียมออกไซด์ที่พื้นผิวบ่อยครั้งทำให้ความต้านทานการขยายพันธุ์ของรอยแตกรุนแรงขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นว่านิพจน์กฎกำลังเชิงประจักษ์เดี่ยวสามารถบรรลุความคล้ายคลึงกันที่จำเป็นในสภาวะโหลดที่หลากหลายและการกำหนดค่าทางเรขาคณิต ดังนั้นจึงให้คำอธิบายแบบรวมของความล้าทางความร้อนเชิงกลของโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง ดังนั้นจึงเป็นการประมาณแรงขับเคลื่อน
รูปที่ 4 ภาพ SEM ของการแตกหักของชิ้นงานทดสอบ NiTiHf DCT หลังจาก 180 ℃ การทดลองการเจริญเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าเชิงกล
รูปที่ 5 ภาพ SEM การแตกหักของชิ้นงานทดสอบ NiTiHf DCT หลังจากทดสอบการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าภายใต้โหลดอคติคงที่ 250 นิวตัน
โดยสรุป เอกสารนี้ดำเนินการทดลองการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าจากความล้าทางกลและเมื่อยล้าบนโลหะผสมหน่วยความจำรูปทรงอุณหภูมิสูง NiTiHf ที่อุดมด้วยนิกเกิลเป็นครั้งแรก จากการบูรณาการแบบวัฏจักร นิพจน์การเจริญเติบโตของรอยแตกไฟแบบปารีสถูกเสนอให้เหมาะสมกับอัตราการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าของการทดลองแต่ละครั้งภายใต้พารามิเตอร์เดียว
เวลาที่โพสต์: ก.ย.-07-2021