형상기억합금(SMA)은 열역학적 자극에 대한 특징적인 변형 반응을 보입니다. 열기계적 자극은 고온, 변위, 고체에서 고체로의 변태 등으로부터 발생합니다(고온의 고차상은 오스테나이트, 저온의 저차상은 마르텐사이트). 반복적인 주기적 상전이는 전위의 점진적인 증가로 이어지므로 변형되지 않은 영역은 SMA의 기능을 감소시키고(기능적 피로라고 함) 미세 균열을 생성하며, 이는 숫자가 충분히 클 때 결국 물리적 실패로 이어질 것입니다. 분명히 이러한 합금의 피로 수명 거동을 이해하고 값비싼 부품 스크랩 문제를 해결하며 재료 개발 및 제품 설계 주기를 줄이는 것은 모두 엄청난 경제적 압박을 야기할 것입니다.
열-기계적 피로, 특히 열-기계적 사이클에서 피로 균열 전파에 대한 연구가 부족합니다. 생물 의학에서 SMA의 초기 구현에서 피로 연구의 초점은 주기적인 기계적 부하에서 "결함이 없는" 샘플의 전체 수명이었습니다. SMA 형상이 작은 응용 분야에서 피로 균열 성장은 수명에 거의 영향을 미치지 않으므로 연구는 균열 성장을 제어하기보다는 균열 시작을 방지하는 데 중점을 둡니다. 운전, 진동 감소 및 에너지 흡수 응용 분야에서 신속하게 동력을 얻는 것이 필요합니다. SMA 구성 요소는 일반적으로 파손 전에 상당한 균열 전파를 유지할 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 따라서 필요한 신뢰성과 안전성 요구사항을 충족시키기 위해서는 손상공차법을 통한 피로균열성장거동을 완전히 이해하고 정량화할 필요가 있다. SMA에서 파괴 역학의 개념에 의존하는 손상 내성 방법의 적용은 간단하지 않습니다. 전통적인 구조용 금속과 비교하여 가역적인 상전이 및 열-기계적 결합의 존재는 SMA의 피로 및 과부하 파괴를 효과적으로 설명하는 데 새로운 과제를 제기합니다.
미국 텍사스 A&M 대학의 연구원들이 Ni50.3Ti29.7Hf20 초합금에 대해 순수 기계적 및 유도 피로 균열 성장 실험을 처음으로 수행하여 Fit 피로에 사용할 수 있는 적분 기반 파리형 멱법칙 표현식을 제안했습니다. 단일 매개변수에서 균열 성장 속도. 이로부터 균열 성장 속도와의 경험적 관계는 SMA에서 변형 균열 성장의 잠재적인 통합 설명자로 사용될 수 있는 다양한 하중 조건과 기하학적 구성 사이에 적합할 수 있다고 추론됩니다. 관련 논문은 "형상 기억 합금의 기계적 및 작동 피로 균열 성장에 대한 통합 설명"이라는 제목으로 Acta Materialia에 게재되었습니다.
종이 링크:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
연구에 따르면 Ni50.3Ti29.7Hf20 합금이 180℃에서 일축 인장 시험을 받을 때 오스테나이트는 하중 과정에서 낮은 응력 수준에서 주로 탄성 변형되며 영률은 약 90GPa입니다. 응력이 약 300MPa에 도달하면 양의 상 변태가 시작될 때 오스테나이트가 응력 유도 마르텐사이트로 변합니다. 하중을 가할 때 응력 유발 마르텐사이트는 주로 약 60GPa의 영률로 탄성 변형을 겪은 다음 다시 오스테나이트로 변형됩니다. 적분을 통해 구조재의 피로균열성장율을 파리형 멱법칙식에 맞추었다.
Fig.1 Ni50.3Ti29.7Hf20 고온형상기억합금의 BSE 이미지와 산화물 입자의 크기 분포
그림 2 550℃×3h 열처리 후 Ni50.3Ti29.7Hf20 고온 형상기억합금의 TEM 이미지
그림 3 180℃에서 NiTiHf DCT 시편의 기계적 피로균열성장 J와 da/dN의 관계
이 기사의 실험에서 이 공식이 모든 실험의 피로 균열 성장 속도 데이터에 적합하고 동일한 매개변수 집합을 사용할 수 있음이 입증되었습니다. 멱법칙 지수 m은 약 2.2입니다. 피로파괴분석 결과 기계적 균열전파와 구동균열전파는 모두 준벽열파괴이며, 표면하프늄산화물의 빈번한 존재는 균열전파저항을 악화시키는 것으로 나타났다. 얻어진 결과는 단일 경험적 거듭제곱 법칙 표현식이 광범위한 하중 조건 및 기하학적 구성에서 요구되는 유사성을 달성할 수 있음을 보여줌으로써 형상 기억 합금의 열-기계적 피로에 대한 통일된 설명을 제공하여 추진력을 추정할 수 있음을 보여줍니다.
그림 4 180℃ 기계적 피로균열 성장 실험 후 NiTiHf DCT 시편의 파단 SEM 사진
그림 5 250N의 일정한 바이어스 하중에서 피로 균열 성장 실험을 구동한 후 NiTiHf DCT 시편의 파괴 SEM 이미지
요약하면, 이 논문은 처음으로 니켈이 풍부한 NiTiHf 고온 형상 기억 합금에 대한 순수 기계적 및 구동 피로 균열 성장 실험을 수행합니다. 순환 적분을 기반으로 하나의 매개변수에서 각 실험의 피로균열 성장속도를 맞추기 위해 파리식 멱법칙 균열성장식을 제안한다.
게시 시간: 2021년 9월 7일