形狀記憶合金(SMAs)對熱機(jī)械刺激具有特征變形響應(yīng)，熱機(jī)械刺激源于高溫、位移、固體到固體轉(zhuǎn)變等(高溫高階相稱為奧氏體，低溫低階相稱為馬氏體)。重復(fù)的循環(huán)相變導(dǎo)致位錯(cuò)逐漸增多，因此未轉(zhuǎn)化的區(qū)域會(huì)降低SMA的功能性(稱為功能疲勞)并產(chǎn)生微裂紋，在數(shù)量足夠多后最終導(dǎo)致物理失效。顯然，要了解這些合金的疲勞壽命行為、解決昂貴的部件報(bào)廢問題以及縮減材料開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，均會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。

熱機(jī)械疲勞在很大程度上尚未得到探索，特別是缺乏對熱機(jī)械循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展的研究。在SMA應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的早期實(shí)施中，疲勞研究的重點(diǎn)是循環(huán)機(jī)械載荷下“無缺陷”樣品的總壽命。在SMA幾何尺寸較小的應(yīng)用中，疲勞裂紋擴(kuò)展對壽命影響較小，因此研究重點(diǎn)放在防止裂紋萌生而不是控制其擴(kuò)展上；在驅(qū)動(dòng)、減振和能量吸收應(yīng)用中，需要迅速獲得動(dòng)力，SMA組件通常足夠大，可以在失效前維持明顯的裂紋擴(kuò)展。因此滿足必要的可靠性和安全性要求需要通過損傷容限方法全面了解和量化疲勞裂紋擴(kuò)展行為。依賴于斷裂力學(xué)概念的損傷容限方法在SMA中的應(yīng)用并不簡單。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)金屬相比，可逆相變和熱機(jī)械耦合的存在對有效描述SMA的疲勞和過載斷裂提出了新的挑戰(zhàn)。

美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員首次在含Ni的Ni50.3Ti29.7Hf20高溫合金中進(jìn)行了純機(jī)械和驅(qū)動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于積分的Paris型冪律表達(dá)式，可用于擬合單參數(shù)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。由此推測，和裂紋擴(kuò)展速率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以在不同的加載條件和幾何構(gòu)型之間實(shí)現(xiàn)擬合，從而可以作為SMAs中形變裂紋擴(kuò)展的潛在統(tǒng)一描述符。相關(guān)論文以題為“A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155

研究發(fā)現(xiàn)，Ni50.3Ti29.7Hf20合金在180℃進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)時(shí)，加載過程中奧氏體在低應(yīng)力水平下主要為彈性變形，楊氏模量約為90GPa，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到約300MPa時(shí)，正向相變開始，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力誘發(fā)馬氏體；卸載時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體主要發(fā)生彈性變形，楊氏模量約為60GPa，然后轉(zhuǎn)變回奧氏體。通過積分已實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率擬合至Paris型冪律表達(dá)式中。

圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布

圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進(jìn)行550℃×3h熱處理后的TEM圖

圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時(shí)機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展的?J與da/dN關(guān)系圖

在本文實(shí)驗(yàn)中證實(shí)該式可擬合來自所有實(shí)驗(yàn)的疲勞裂紋擴(kuò)展率數(shù)據(jù)并可使用同一組參數(shù)，冪律指數(shù)m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機(jī)械裂紋擴(kuò)展和驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展均為準(zhǔn)解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴(kuò)展抗力產(chǎn)生了惡化作用。所獲得的結(jié)果表明，單一的經(jīng)驗(yàn)冪律表達(dá)式可以在廣泛的加載條件和幾何構(gòu)型中實(shí)現(xiàn)所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機(jī)械疲勞的統(tǒng)一描述，從而估算驅(qū)動(dòng)力。

圖4180℃機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像

圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅(qū)動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)后的斷口SEM圖像

總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進(jìn)行了純機(jī)械和驅(qū)動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。基于循環(huán)積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴(kuò)展表達(dá)式，用于擬合各實(shí)驗(yàn)單參數(shù)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。本文為形狀記憶合金的設(shè)計(jì)和疲勞預(yù)測提供了理論依據(jù)。