ટોચની મેટલ મેગેઝિન "એક્ટા મટિરિયલ": આકાર મેમરી એલોયનો થાક ક્રેક વૃદ્ધિ વર્તન

શેપ મેમરી એલોય્સ (SMAs) થર્મોમેકનિકલ ઉત્તેજના માટે લાક્ષણિક વિરૂપતા પ્રતિભાવ ધરાવે છે. થર્મોમેકનિકલ ઉત્તેજના ઊંચા તાપમાન, વિસ્થાપન, ઘન-થી-ઘન પરિવર્તન, વગેરેમાંથી ઉદ્દભવે છે. પુનરાવર્તિત ચક્રીય તબક્કાના સંક્રમણો અવ્યવસ્થામાં ધીમે ધીમે વધારો તરફ દોરી જાય છે, તેથી અપરિવર્તિત વિસ્તારો SMA (જેને કાર્યાત્મક થાક કહેવાય છે) ની કાર્યક્ષમતા ઘટાડશે અને માઇક્રોક્રેક્સ ઉત્પન્ન કરશે, જે આખરે જ્યારે સંખ્યા પૂરતી મોટી હોય ત્યારે શારીરિક નિષ્ફળતા તરફ દોરી જશે. દેખીતી રીતે, આ એલોય્સના થાક જીવનના વર્તનને સમજવું, ખર્ચાળ ઘટક સ્ક્રેપની સમસ્યાનું નિરાકરણ, અને મટીરીયલ ડેવલપમેન્ટ અને પ્રોડક્ટ ડિઝાઇન સાયકલને ઘટાડવું એ બધું જ મોટું આર્થિક દબાણ પેદા કરશે.

થર્મો-મિકેનિકલ થાકનું મોટા પ્રમાણમાં સંશોધન કરવામાં આવ્યું નથી, ખાસ કરીને થર્મો-મિકેનિકલ ચક્ર હેઠળ થાક ક્રેક પ્રચાર પર સંશોધનનો અભાવ. બાયોમેડિસિન માં SMA ના પ્રારંભિક અમલીકરણમાં, થાક સંશોધનનું કેન્દ્રબિંદુ ચક્રીય યાંત્રિક લોડ હેઠળના "ખામી-મુક્ત" નમૂનાઓનું કુલ જીવન હતું. નાની SMA ભૂમિતિ સાથેના કાર્યક્રમોમાં, થાક ક્રેક વૃદ્ધિ જીવન પર ઓછી અસર કરે છે, તેથી સંશોધન તેની વૃદ્ધિને નિયંત્રિત કરવાને બદલે ક્રેકની શરૂઆતને રોકવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે; ડ્રાઇવિંગ, વાઇબ્રેશન રિડક્શન અને એનર્જી શોષણ એપ્લિકેશનમાં, ઝડપથી પાવર મેળવવો જરૂરી છે. SMA ઘટકો સામાન્ય રીતે નિષ્ફળતા પહેલા નોંધપાત્ર ક્રેક પ્રચાર જાળવવા માટે એટલા મોટા હોય છે. તેથી, જરૂરી વિશ્વસનીયતા અને સલામતીની જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવા માટે, નુકસાન સહનશીલતા પદ્ધતિ દ્વારા થાક ક્રેક વૃદ્ધિ વર્તનને સંપૂર્ણ રીતે સમજવું અને તેનું પ્રમાણ નક્કી કરવું જરૂરી છે. SMA માં અસ્થિભંગ મિકેનિક્સના ખ્યાલ પર આધાર રાખતી નુકસાન સહનશીલતા પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ સરળ નથી. પરંપરાગત માળખાકીય ધાતુઓની તુલનામાં, ઉલટાવી શકાય તેવા તબક્કાના સંક્રમણ અને થર્મો-મિકેનિકલ કપલિંગનું અસ્તિત્વ SMA ના થાક અને ઓવરલોડ અસ્થિભંગને અસરકારક રીતે વર્ણવવા માટે નવા પડકારો ઉભા કરે છે.

યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સની ટેક્સાસ A&M યુનિવર્સિટીના સંશોધકોએ પ્રથમ વખત Ni50.3Ti29.7Hf20 સુપરએલોયમાં શુદ્ધ યાંત્રિક અને સંચાલિત થાક ક્રેક વૃદ્ધિના પ્રયોગો હાથ ધર્યા હતા, અને એક અભિન્ન-આધારિત પેરિસ-પ્રકાર પાવર લો એક્સપ્રેશનનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો જેનો ઉપયોગ થાકને ફિટ કરવા માટે થઈ શકે છે. એક પરિમાણ હેઠળ ક્રેક વૃદ્ધિ દર. આના પરથી અનુમાન લગાવવામાં આવે છે કે ક્રેક વૃદ્ધિ દર સાથેનો પ્રયોગમૂલક સંબંધ વિવિધ લોડિંગ પરિસ્થિતિઓ અને ભૌમિતિક રૂપરેખાંકનો વચ્ચે ફીટ કરી શકાય છે, જેનો ઉપયોગ SMAs માં વિરૂપતા ક્રેક વૃદ્ધિના સંભવિત એકીકૃત વર્ણન તરીકે થઈ શકે છે. સંબંધિત પેપર એક્ટા મટિરિયલિયામાં "આકાર મેમરી એલોયમાં યાંત્રિક અને એક્યુએશન થાક ક્રેક વૃદ્ધિનું એકીકૃત વર્ણન" શીર્ષક સાથે પ્રકાશિત થયું હતું.

પેપર લિંક:

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

અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે જ્યારે Ni50.3Ti29.7Hf20 એલોય 180℃ પર અક્ષીય તાણ પરીક્ષણને આધિન હોય છે, ત્યારે ઓસ્ટેનાઈટ લોડિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન નીચા તાણ સ્તર હેઠળ મુખ્યત્વે સ્થિતિસ્થાપક રીતે વિકૃત થાય છે, અને યંગનું મોડ્યુલસ લગભગ 90GPa છે. જ્યારે તણાવ લગભગ 300MPa સુધી પહોંચે છે ત્યારે સકારાત્મક તબક્કાના રૂપાંતરની શરૂઆતમાં, ઓસ્ટેનાઈટ તણાવ-પ્રેરિત માર્ટેન્સાઈટમાં પરિવર્તિત થાય છે; જ્યારે અનલોડ થાય છે, ત્યારે તાણ-પ્રેરિત માર્ટેન્સાઈટ મુખ્યત્વે સ્થિતિસ્થાપક વિકૃતિમાંથી પસાર થાય છે, જેમાં લગભગ 60 GPa ના યંગ મોડ્યુલસ હોય છે, અને પછી તે પાછું ઓસ્ટેનાઈટમાં પરિવર્તિત થાય છે. એકીકરણ દ્વારા, માળખાકીય સામગ્રીના થાક ક્રેક વૃદ્ધિ દરને પેરિસ-પ્રકારના પાવર લો અભિવ્યક્તિમાં ફીટ કરવામાં આવ્યો છે.
Fig.1 Ni50.3Ti29.7Hf20 ઉચ્ચ તાપમાન આકાર મેમરી એલોય અને ઓક્સાઇડ કણોના કદના વિતરણની BSE છબી
આકૃતિ 2 Ni50.3Ti29.7Hf20 હાઇ ટેમ્પરેચર શેપ મેમરી એલોયની TEM ઇમેજ 550℃×3h પર હીટ ટ્રીટમેન્ટ પછી
ફિગ. 3 180℃ પર NiTiHf DCT નમૂનાના યાંત્રિક થાક ક્રેક વૃદ્ધિના J અને da/dN વચ્ચેનો સંબંધ

આ લેખના પ્રયોગોમાં, તે સાબિત થયું છે કે આ સૂત્ર તમામ પ્રયોગોમાંથી થાકેલા ક્રેક વૃદ્ધિ દરના ડેટાને ફિટ કરી શકે છે અને પરિમાણોના સમાન સેટનો ઉપયોગ કરી શકે છે. પાવર લો ઘાતાંક m લગભગ 2.2 છે. થાક અસ્થિભંગનું વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે યાંત્રિક ક્રેક પ્રચાર અને ડ્રાઇવિંગ ક્રેક પ્રચાર બંને અર્ધ-ક્લીવેજ અસ્થિભંગ છે, અને સપાટી પર હાફનિયમ ઓક્સાઇડની વારંવાર હાજરીએ ક્રેક પ્રચાર પ્રતિકારને વધુ તીવ્ર બનાવ્યો છે. પ્રાપ્ત પરિણામો દર્શાવે છે કે એક પ્રયોગમૂલક શક્તિ કાયદાની અભિવ્યક્તિ લોડિંગ પરિસ્થિતિઓ અને ભૌમિતિક રૂપરેખાંકનોની વિશાળ શ્રેણીમાં જરૂરી સમાનતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે, ત્યાં આકાર મેમરી એલોયના થર્મો-મિકેનિકલ થાકનું એકીકૃત વર્ણન પ્રદાન કરે છે, જેનાથી ચાલક બળનો અંદાજ લગાવી શકાય છે.
ફિગ. 4 180℃ યાંત્રિક થાક ક્રેક વૃદ્ધિ પ્રયોગ પછી NiTiHf DCT નમૂનાના અસ્થિભંગની SEM છબી
આકૃતિ 5 250 N ના સતત પૂર્વગ્રહ લોડ હેઠળ થાક ક્રેક વૃદ્ધિ પ્રયોગ ચલાવ્યા પછી NiTiHf DCT નમૂનાની ફ્રેક્ચર SEM છબી

સારાંશમાં, આ પેપર પ્રથમ વખત નિકલ-સમૃદ્ધ NiTiHf ઉચ્ચ તાપમાન આકાર મેમરી એલોય પર શુદ્ધ યાંત્રિક અને ડ્રાઇવિંગ થાક ક્રેક વૃદ્ધિ પ્રયોગો કરે છે. ચક્રીય એકીકરણના આધારે, એક પેરિસ-પ્રકારની પાવર-લો ક્રેક વૃદ્ધિ અભિવ્યક્તિ દરેક પ્રયોગના થાક ક્રેક વૃદ્ધિ દરને એક પરિમાણ હેઠળ ફિટ કરવા માટે પ્રસ્તાવિત છે.