金属顶刊《Acta Materialia》：形状记忆合金的疲劳裂纹扩展行为！
形状记忆合金(SMAs)对热机械刺激具有特征变形响应，热机械刺激源于高温、位移、固体到固体转变等(高温高阶相称为奥氏体，低温低阶相称为马氏体)。重复的循环相变导致位错逐渐增多，因此未转化的区域会降低SMA的功能性(称为功能疲劳)并产生微裂纹，在数量足够多后最终导致物理失效。显然，要了解这些合金的疲劳寿命行为、解决昂贵的部件报废问题以及缩减材料开发和产品设计周期，均会产生巨大的经济压力。
热机械疲劳在很大程度上尚未得到探索，特别是缺乏对热机械循环下疲劳裂纹扩展的研究。在SMA应用于生物医学的早期实施中，疲劳研究的重点是循环机械载荷下“无缺陷”样品的总寿命。在SMA几何尺寸较小的应用中，疲劳裂纹扩展对寿命影响较小，因此研究重点放在防止裂纹萌生而不是控制其扩展上；在驱动、减振和能量吸收应用中，需要迅速获得动力，SMA组件通常足够大，可以在失效前维持明显的裂纹扩展。因此满足必要的可靠性和安全性要求需要通过损伤容限方法全面了解和量化疲劳裂纹扩展行为。依赖于断裂力学概念的损伤容限方法在SMA中的应用并不简单。与传统结构金属相比，可逆相变和热机械耦合的存在对有效描述SMA的疲劳和过载断裂提出了新的挑战。
美国德克萨斯农工大学的研究人员首次在含Ni的Ni50.3Ti29.7Hf20高温合金中进行了纯机械和驱动疲劳裂纹扩展实验，提出了一种基于积分的Paris型幂律表达式，可用于拟合单参数下的疲劳裂纹扩展速率。由此推测，和裂纹扩展速率之间的经验关系可以在不同的加载条件和几何构型之间实现拟合，从而可以作为SMAs中形变裂纹扩展的潜在统一描述符。相关论文以题为“A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys”发表在Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
研究发现，Ni50.3Ti29.7Hf20合金在180℃进行单轴拉伸试验时，加载过程中奥氏体在低应力水平下主要为弹性变形，杨氏模量约为90GPa，当应力达到约300MPa时，正向相变开始，奥氏体转变为应力诱发马氏体；卸载时，应力诱发马氏体主要发生弹性变形，杨氏模量约为60GPa，然后转变回奥氏体。通过积分已实现将结构材料的疲劳裂纹扩展速率拟合至Paris型幂律表达式中。
图1Ni50.3Ti29.7Hf20高温形状记忆合金的BSE图像和氧化物颗粒的大小分布
图2Ni50.3Ti29.7Hf20高温形状记忆合金进行550℃×3h热处理后的TEM图
图3 NiTiHf DCT试件在180℃时机械疲劳裂纹扩展的∆J与da/dN关系图
在本文实验中证实该式可拟合来自所有实验的疲劳裂纹扩展率数据并可使用同一组参数，幂律指数m约为2.2。疲劳断口分析表明，机械裂纹扩展和驱动裂纹扩展均为准解理断裂，表面氧化铪的频繁存在对裂纹扩展抗力产生了恶化作用。所获得的结果表明，单一的经验幂律表达式可以在广泛的加载条件和几何构型中实现所需的相似性，从而提供形状记忆合金热机械疲劳的统一描述，从而估算驱动力。
图4180℃机械疲劳裂纹扩展实验后NiTiHf DCT试样断口的SEM图像
图5 NiTiHf DCT试样在250 N恒偏置载荷下驱动疲劳裂纹扩展实验后的断口SEM图像
总的来说，本文首次对富镍NiTiHf高温形状记忆合金进行了纯机械和驱动疲劳裂纹扩展实验。基于循环积分，提出了一种Paris型幂律裂纹扩展表达式，用于拟合各实验单参数下的疲劳裂纹扩展速率。本文为形状记忆合金的设计和疲劳预测提供了理论依据。（文：破风）