Víceúrovňová lokalizace deformace při termomechanické únavě slitin s tvarovou pamětí NiTi

Abstract

Komerčně vyráběné polykrystalické slitiny s tvarovou pamětí NiTi vykazují deformaci o několik procent (~5 %) v důsledku napětím indukované martenzitické transformace (z kubické do monoklinické mřížky), která je vratná při cyklickém termomechanickém zatěžování. Vzniká tak funkční chování napětí-deformace-teplota, které lze využít pro inženýrské a lékařské aplikace. Za předpokladu, že dochází pouze k elastické deformaci a k deformačně/transformačním procesům odvozených od martenzitické transformace, jsou napěťově-deformačně-teplotní odezvy slitin s tvarovou pamětí zcela vratné v rámci termomechanického cyklování pro velmi velký počet cyklů srovnatelný pouze s elastickou deformací. Ve skutečnosti tomu tak není, protože plastická deformace doprovází martenzitickou transformaci probíhající pod napětím a způsobuje cyklickou nestabilitu napěťově-deformačně-teplotní odezvy, akumulaci poškození, nukleaci a růst únavových trhlin a finálně lom po relativně malém počtu cyklů v tahu i v případě relativně malé střední deformace a amplitudy deformace. Jedinečnou vlastností slitin s tvarovou pamětí na bázi NiTi, která dále zhoršuje únavové vlastnosti, je tendence tohoto materiálu k lokalizované deformaci.

Commercial polycrystalline NiTi shape memory alloys (SMAs) displays reversible strain of several percent (~5%) due to stress-induced cubic to monoclinic martensitic transformation, which is recoverable in cyclic thermomechanical loads. This gives rise to functional stress-strain-temperature behaviors, which are already utilized in engineering and medical applications. Assuming that only elastic deformation and deformation/transformation processes derived from martensitic transformation take place, stress-strain-temperature responses of SMAs are completely reversible in closed-loop thermomechanical cycles for the very large number of cycles comparable to elastic deformation only. In reality, this is not the case, since plastic deformation accompanies martensitic transformation proceeding under stress and causes cyclic instability of stress-strain-temperature responses, accumulation of damage (plastic deformation), nucleation, and growth of cracks and fatigue failure after a relatively low number of cycles in tension even in case of a relatively small mean strain and strain amplitude. A unique feature of NiTi SMAs, which further deteriorates fatigue performance, is the tendency of this material to localized deformation.