Formgedächtnislegierungen (FGL) weisen ein charakteristisches Verformungsverhalten unter thermomechanischer Belastung auf. Diese Belastung entsteht durch hohe Temperaturen, Verformungen, Festkörperumwandlungen usw. (Die Hochtemperaturphase höherer Ordnung wird als Austenit, die Tieftemperaturphase niedrigerer Ordnung als Martensit bezeichnet). Wiederholte zyklische Phasenübergänge führen zu einer allmählichen Zunahme von Versetzungen. Dadurch verringern die nicht umgewandelten Bereiche die Funktionalität der FGL (Funktionsermüdung) und führen zur Bildung von Mikrorissen, die bei ausreichender Anzahl schließlich zum Materialversagen führen. Das Verständnis des Ermüdungsverhaltens dieser Legierungen, die Lösung des Problems teurer Ausschussteile und die Verkürzung der Materialentwicklungs- und Produktentwicklungszyklen erzeugen daher einen erheblichen wirtschaftlichen Nutzen.
Die thermomechanische Ermüdung ist bisher wenig erforscht, insbesondere die Ermüdungsrissausbreitung unter thermomechanischen Zyklen. In der Anfangsphase der Anwendung von Formgedächtnislegierungen (FGL) in der Biomedizin lag der Fokus der Ermüdungsforschung auf der Gesamtlebensdauer „fehlerfreier“ Proben unter zyklischer mechanischer Belastung. Bei Anwendungen mit kleinen FGL-Geometrien hat das Ermüdungsrisswachstum nur geringen Einfluss auf die Lebensdauer, weshalb sich die Forschung eher auf die Verhinderung der Rissinitiierung als auf die Kontrolle des Risswachstums konzentriert. In Anwendungen wie Antrieb, Schwingungsdämpfung und Energieabsorption ist eine schnelle Leistungsentfaltung erforderlich. FGL-Bauteile sind in der Regel groß genug, um eine signifikante Rissausbreitung vor dem Versagen zu ermöglichen. Um die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, ist es daher notwendig, das Ermüdungsrisswachstumsverhalten mithilfe von Schadensanalysen vollständig zu verstehen und zu quantifizieren. Die Anwendung von Schadensanalysen, die auf bruchmechanischen Konzepten basieren, ist bei FGL komplex. Im Vergleich zu traditionellen Strukturmetallen stellen reversible Phasenübergänge und thermomechanische Kopplungen neue Herausforderungen für die effektive Beschreibung der Ermüdung und des Überlastbruchs von FGL dar.
Forscher der Texas A&M University in den USA führten erstmals rein mechanische und induzierte Ermüdungsrisswachstumsexperimente an der Superlegierung Ni50,3Ti29,7Hf20 durch und schlugen einen integralbasierten Potenzgesetzausdruck vom Paris-Typ vor, mit dem sich die Ermüdungsrisswachstumsrate anhand eines einzigen Parameters beschreiben lässt. Daraus wird geschlossen, dass die empirische Beziehung zur Risswachstumsrate unter verschiedenen Belastungsbedingungen und geometrischen Konfigurationen angepasst werden kann und somit als potenzieller einheitlicher Deskriptor für das Deformationsrisswachstum in Formgedächtnislegierungen dienen kann. Die zugehörige Publikation erschien in Acta Materialia unter dem Titel „A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys“.
Link zum Papier:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
Die Studie ergab, dass sich die Austenitlegierung Ni50,3Ti29,7Hf20 bei einem einachsigen Zugversuch bei 180 °C unter geringer Spannung während des Belastungsprozesses hauptsächlich elastisch verformt und einen Elastizitätsmodul von etwa 90 GPa aufweist. Bei einer Spannung von etwa 300 MPa wandelt sich der Austenit zu Beginn der positiven Phasenumwandlung in spannungsinduzierten Martensit um. Beim Entlasten erfährt der spannungsinduzierte Martensit hauptsächlich elastische Verformung mit einem Elastizitätsmodul von etwa 60 GPa und wandelt sich anschließend wieder in Austenit um. Durch Integration konnte die Ermüdungsrisswachstumsrate von Strukturwerkstoffen an einen Potenzgesetzausdruck vom Paris-Typ angepasst werden.
Abb. 1: BSE-Aufnahme der Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung Ni50,3Ti29,7Hf20 und Größenverteilung der Oxidpartikel
Abbildung 2: TEM-Aufnahme der Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung Ni50,3Ti29,7Hf20 nach Wärmebehandlung bei 550 °C × 3 h
Abb. 3 Die Beziehung zwischen J und da/dN beim mechanischen Ermüdungsrisswachstum einer NiTiHf-DCT-Probe bei 180 °C
In den Experimenten dieses Artikels wird gezeigt, dass diese Formel die Daten zur Ermüdungsrisswachstumsrate aus allen Versuchen gut beschreibt und mit demselben Parametersatz arbeitet. Der Potenzgesetzexponent m beträgt etwa 2,2. Die Analyse des Ermüdungsbruchs zeigt, dass sowohl die mechanische als auch die treibende Rissausbreitung quasi-spaltartige Brüche sind und dass das häufige Vorhandensein von Hafniumoxid an der Oberfläche den Widerstand gegen die Rissausbreitung erhöht. Die Ergebnisse belegen, dass ein einziger empirischer Potenzgesetzausdruck die erforderliche Übereinstimmung unter verschiedensten Belastungsbedingungen und geometrischen Konfigurationen erzielt und somit eine einheitliche Beschreibung der thermomechanischen Ermüdung von Formgedächtnislegierungen ermöglicht und die treibende Kraft abschätzt.
Abb. 4: REM-Aufnahme des Bruchs der NiTiHf-DCT-Probe nach dem mechanischen Ermüdungsrisswachstumsexperiment bei 180 °C
Abbildung 5: REM-Aufnahme des Bruchs einer NiTiHf-DCT-Probe nach einem Ermüdungsrisswachstumsversuch unter konstanter Vorlast von 250 N
Zusammenfassend werden in dieser Arbeit erstmals rein mechanische und treibende Ermüdungsrisswachstumsexperimente an nickelreichen NiTiHf-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen durchgeführt. Basierend auf zyklischer Integration wird ein Paris-artiger Potenzgesetzausdruck für das Risswachstum vorgeschlagen, um die Ermüdungsrisswachstumsrate jedes Experiments unter einem einzigen Parameter anzupassen.
Veröffentlichungsdatum: 07.09.2021