టాప్ మెటల్ మ్యాగజైన్ “ఆక్టా మెటీరియాలియా”: షేప్ మెమరీ అల్లాయ్‌ల అలసట క్రాక్ గ్రోత్ బిహేవియర్

షేప్ మెమరీ అల్లాయ్‌లు (SMAలు) థర్మోమెకానికల్ ఉద్దీపనలకు లక్షణమైన వైకల్య ప్రతిస్పందనను కలిగి ఉంటాయి. థర్మోమెకానికల్ ఉద్దీపనలు అధిక ఉష్ణోగ్రత, స్థానభ్రంశం, ఘన-నుండి-ఘన పరివర్తన మొదలైన వాటి నుండి ఉద్భవించాయి (అధిక-ఉష్ణోగ్రత హై-ఆర్డర్ దశను ఆస్టెనైట్ అని పిలుస్తారు మరియు తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత తక్కువ-క్రమం దశను మార్టెన్‌సైట్ అంటారు). పునరావృతమయ్యే చక్రీయ దశ పరివర్తనాలు స్థానభ్రంశంలో క్రమంగా పెరుగుదలకు దారితీస్తాయి, కాబట్టి రూపాంతరం చెందని ప్రాంతాలు SMA (ఫంక్షనల్ ఫెటీగ్ అని పిలుస్తారు) యొక్క కార్యాచరణను తగ్గిస్తాయి మరియు మైక్రోక్రాక్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, ఇది సంఖ్య తగినంతగా ఉన్నప్పుడు చివరికి భౌతిక వైఫల్యానికి దారి తీస్తుంది. సహజంగానే, ఈ మిశ్రమాల అలసట జీవిత ప్రవర్తనను అర్థం చేసుకోవడం, ఖరీదైన కాంపోనెంట్ స్క్రాప్ సమస్యను పరిష్కరించడం మరియు మెటీరియల్ డెవలప్‌మెంట్ మరియు ఉత్పత్తి రూపకల్పన చక్రం తగ్గించడం ఇవన్నీ భారీ ఆర్థిక ఒత్తిడిని సృష్టిస్తాయి.

థర్మో-మెకానికల్ అలసట చాలా వరకు అన్వేషించబడలేదు, ముఖ్యంగా థర్మో-మెకానికల్ సైకిల్స్ కింద అలసట క్రాక్ ప్రచారంపై పరిశోధన లేకపోవడం. బయోమెడిసిన్‌లో SMA యొక్క ప్రారంభ అమలులో, అలసట పరిశోధన యొక్క దృష్టి చక్రీయ మెకానికల్ లోడ్‌ల క్రింద "లోపం లేని" నమూనాల మొత్తం జీవితం. చిన్న SMA జ్యామితితో కూడిన అప్లికేషన్‌లలో, అలసట పగుళ్ల పెరుగుదల జీవితంపై తక్కువ ప్రభావాన్ని చూపుతుంది, కాబట్టి పరిశోధన దాని పెరుగుదలను నియంత్రించడం కంటే పగుళ్లు ప్రారంభించడాన్ని నిరోధించడంపై దృష్టి పెడుతుంది; డ్రైవింగ్, వైబ్రేషన్ తగ్గింపు మరియు శక్తి శోషణ అనువర్తనాల్లో, త్వరగా శక్తిని పొందడం అవసరం. SMA భాగాలు సాధారణంగా వైఫల్యానికి ముందు గణనీయమైన క్రాక్ ప్రచారం నిర్వహించడానికి తగినంత పెద్దవిగా ఉంటాయి. అందువల్ల, అవసరమైన విశ్వసనీయత మరియు భద్రతా అవసరాలను తీర్చడానికి, డ్యామేజ్ టాలరెన్స్ పద్ధతి ద్వారా అలసట పగుళ్ల పెరుగుదల ప్రవర్తనను పూర్తిగా అర్థం చేసుకోవడం మరియు లెక్కించడం అవసరం. SMAలో ఫ్రాక్చర్ మెకానిక్స్ కాన్సెప్ట్‌పై ఆధారపడే డ్యామేజ్ టాలరెన్స్ మెథడ్స్ అప్లికేషన్ సులభం కాదు. సాంప్రదాయ నిర్మాణ లోహాలతో పోలిస్తే, రివర్సిబుల్ ఫేజ్ ట్రాన్సిషన్ మరియు థర్మో-మెకానికల్ కప్లింగ్ ఉనికి SMA యొక్క అలసట మరియు ఓవర్‌లోడ్ ఫ్రాక్చర్‌ను సమర్థవంతంగా వివరించడానికి కొత్త సవాళ్లను కలిగిస్తుంది.

యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లోని టెక్సాస్ A&M యూనివర్శిటీకి చెందిన పరిశోధకులు మొదటిసారిగా Ni50.3Ti29.7Hf20 సూపర్‌లాయ్‌లో స్వచ్ఛమైన మెకానికల్ మరియు నడిచే ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ గ్రోత్ ప్రయోగాలను నిర్వహించారు మరియు ఫిట్ ది ఫెటీగ్ కోసం ఉపయోగించగల సమగ్ర-ఆధారిత పారిస్-రకం పవర్ లా ఎక్స్‌ప్రెషన్‌ను ప్రతిపాదించారు. ఒకే పరామితి కింద వృద్ధి రేటును క్రాక్ చేస్తుంది. క్రాక్ గ్రోత్ రేట్‌తో అనుభావిక సంబంధాన్ని వేర్వేరు లోడింగ్ పరిస్థితులు మరియు రేఖాగణిత కాన్ఫిగరేషన్‌ల మధ్య అమర్చవచ్చని దీని నుండి ఊహించబడింది, ఇది SMA లలో డిఫార్మేషన్ క్రాక్ గ్రోత్ యొక్క సంభావ్య ఏకీకృత వివరణగా ఉపయోగించబడుతుంది. సంబంధిత పత్రం "ఆకార మెమరీ మిశ్రమాలలో మెకానికల్ మరియు యాక్చుయేషన్ ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ యొక్క ఏకీకృత వివరణ" శీర్షికతో Acta Materialiaలో ప్రచురించబడింది.

పేపర్ లింక్:

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

Ni50.3Ti29.7Hf20 మిశ్రమం 180℃ వద్ద యూనియాక్సియల్ టెన్సైల్ పరీక్షకు గురైనప్పుడు, లోడింగ్ ప్రక్రియలో ఆస్టెనైట్ ప్రధానంగా సాగే విధంగా తక్కువ ఒత్తిడి స్థాయిలో వైకల్యం చెందుతుందని మరియు యంగ్ మాడ్యులస్ 90GPa ఉంటుందని అధ్యయనం కనుగొంది. ఒత్తిడి 300MPaకి చేరుకున్నప్పుడు సానుకూల దశ పరివర్తన ప్రారంభంలో, ఆస్టెనైట్ ఒత్తిడి-ప్రేరిత మార్టెన్‌సైట్‌గా మారుతుంది; అన్‌లోడ్ చేస్తున్నప్పుడు, ఒత్తిడి-ప్రేరిత మార్టెన్‌సైట్ ప్రధానంగా సాగే వైకల్యానికి లోనవుతుంది, యంగ్ మాడ్యులస్ 60 GPaతో ఉంటుంది, ఆపై తిరిగి ఆస్టినైట్‌గా మారుతుంది. ఇంటిగ్రేషన్ ద్వారా, ప్యారిస్-రకం పవర్ లా ఎక్స్‌ప్రెషన్‌కు స్ట్రక్చరల్ మెటీరియల్స్ యొక్క ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ రేట్ అమర్చబడింది.
Fig.1 Ni50.3Ti29.7Hf20 యొక్క BSE చిత్రం అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆకృతి మెమరీ మిశ్రమం మరియు ఆక్సైడ్ కణాల పరిమాణం పంపిణీ
550℃×3h వద్ద హీట్ ట్రీట్‌మెంట్ తర్వాత Ni50.3Ti29.7Hf20 అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆకృతి మెమరీ మిశ్రమం యొక్క చిత్రం 2 TEM చిత్రం
Fig. 3 180℃ వద్ద NiTiHf DCT నమూనా యొక్క మెకానికల్ ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ యొక్క J మరియు da/dN మధ్య సంబంధం

ఈ వ్యాసంలోని ప్రయోగాలలో, ఈ ఫార్ములా అన్ని ప్రయోగాల నుండి ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ రేట్ డేటాకు సరిపోతుందని మరియు అదే పారామితులను ఉపయోగించగలదని నిరూపించబడింది. పవర్ లా ఎక్స్పోనెంట్ m సుమారు 2.2. అలసట ఫ్రాక్చర్ విశ్లేషణ మెకానికల్ క్రాక్ ప్రచారం మరియు డ్రైవింగ్ క్రాక్ ప్రచారం రెండూ పాక్షిక-క్లీవేజ్ ఫ్రాక్చర్‌లు అని చూపిస్తుంది మరియు ఉపరితల హాఫ్నియం ఆక్సైడ్ తరచుగా ఉండటం వల్ల క్రాక్ వ్యాప్తి నిరోధకతను తీవ్రతరం చేస్తుంది. పొందిన ఫలితాలు ఒకే అనుభావిక శక్తి చట్ట వ్యక్తీకరణ విస్తృత శ్రేణి లోడింగ్ పరిస్థితులు మరియు రేఖాగణిత కాన్ఫిగరేషన్‌లలో అవసరమైన సారూప్యతను సాధించగలదని చూపిస్తుంది, తద్వారా ఆకృతి మెమరీ మిశ్రమాల యొక్క థర్మో-మెకానికల్ అలసట యొక్క ఏకీకృత వివరణను అందిస్తుంది, తద్వారా చోదక శక్తిని అంచనా వేస్తుంది.
Fig. 180℃ మెకానికల్ ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ ప్రయోగం తర్వాత NiTiHf DCT నమూనా యొక్క ఫ్రాక్చర్ యొక్క SEM చిత్రం
250 N స్థిరమైన బయాస్ లోడ్ కింద అలసట క్రాక్ పెరుగుదల ప్రయోగం డ్రైవింగ్ తర్వాత NiTiHf DCT నమూనా యొక్క మూర్తి 5 ఫ్రాక్చర్ SEM చిత్రం

సారాంశంలో, ఈ కాగితం మొదటిసారిగా నికెల్-రిచ్ NiTiHf అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆకృతి మెమరీ మిశ్రమాలపై స్వచ్ఛమైన మెకానికల్ మరియు డ్రైవింగ్ ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ ప్రయోగాలను నిర్వహిస్తుంది. సైక్లిక్ ఇంటిగ్రేషన్ ఆధారంగా, ప్యారిస్-రకం పవర్-లా క్రాక్ గ్రోత్ ఎక్స్‌ప్రెషన్ ప్రతి ప్రయోగం యొక్క ఫెటీగ్ క్రాక్ గ్రోత్ రేట్‌కి ఒకే పరామితి క్రింద సరిపోయేలా ప్రతిపాదించబడింది.