Jaureguizahar, Sebastián M. (2020) Fatiga en materiales con memoria de forma : iniciación y crecimiento de fisuras por fatiga / Fatigue of shape memory alloys : initiation and growth of fatigue cracks. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los materiales con memoria de forma (MMF) exhiben propiedades mecánicas particulares que los hacen interesantes debido a los fenómenos físicos involucrados y al gran potencial que poseen para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas. Estas propiedades mecánicas incluyen comportamientos característicos como el efecto memoria de forma simple, el efecto pseudoelástico, la deformación térmica bajo carga constante y el efecto doble memoria. El motivo de estos singulares comportamientos reside en la ocurrencia de transformaciones de fase martensíticas termoelásticas en estos materiales. Estas son transformaciones sólido-sólido, sin difusión, que consisten en un cambio de estructura cristalina y cuyo efecto macroscópico es equivalente a una deformación de corte. En particular en esta tesis se analiza el comportamiento pseudoelástico que involucra deformaciones reversibles del orden del 8 %. En el presente trabajo se estudia el comportamiento pseudoelástico bajo condiciones de carga cíclica uniaxial de alambres comerciales de NiTi (Ti-50,9 at. % Ni) con tamaño de grano ultrafino. Se investiga la dependencia de la evolución del comportamiento pseudoelástico en el caso de ciclos parciales y completos, analizando tanto los aspectos funcionales como estructurales asociados al ciclado pseudoelástico, a lo que nos referimos en esta tesis como el estudio de la fatiga intrínseca. Del análisis de los resultados de ensayos de fatiga funcional se definen limitaciones y requerimientos que dan lugar a la propuesta de una nueva metodología de ensayo uniaxial para caracterizar la fatiga intrínseca de alambres de NiTi superelástico. Con la nueva metodología desarrollada, se investiga la influencia de la transformación martensítica inducida por tensión en la vida a fatiga de los alambres de NiTi. A partir del análisis de los ensayos se concluye que la caída de las tensiones críticas de transformación no depende de la cantidad de material transformado sino del número de transformaciones que experimenta el material. También se concluye que la vida a fatiga no dependería del rango de deformación / tensión aplicada ni de la deformación / tensión media haciendo determinante la cantidad de ciclos de transformación, lo que indica el gran daño acumulado en el alambre cada vez que el frente de transformación pasa por una determinada zona. Los resultados muestran además que la evolución de las propiedades funcionales tiene lugar en todo el ciclado hasta la rotura del alambre, aunque dicha evolución tiene lugar a una tasa de variación que disminuye con el número de ciclos aplicados. Esto indica que la evolución de las propiedades funcionales podría estar asociada a la acumulación de daño intrínseco por fatiga y por lo tanto, el fenómeno de fatiga mecánica en alambres de NiTi debería estudiarse relacionando tanto los aspectos funcionales como estructurales asociados al ciclado pseudoelástico. Finalmente es importante remarcar el aporte generado con la propuesta de la nueva metodología de ensayo uniaxial para poder analizar el comportamiento intrínseco a fatiga de alambre de NiTi superelástico. Este método contribuirá sin lugar a dudas en el avance del conocimiento de los mecanismos de daño asociados al movimiento del frente de transformación, que resulta ser de vital importancia en la vida a fatiga en condiciones de ciclado pseudoelástico. Esto permitirá avanzar en la propuesta de nuevos modelos específicos para explicar el fenómeno de fatiga de materiales superelásticos.
Resumen en inglés
Shape memory alloys (SMA) display peculiar mechanical properties that make them interesting due to the physical phenomena involved as well as the great potential they have for technological applications. The mechanical properties include characteristic behaviors such as one way memory effect, super-elasticity, constrain recovery and twoway shape memory effect. The reason for these singular behaviors resides in the thermoelastic martensitic phase transformations. Transformations are solid-solid, non-diffusive, and they consist of a change in crystalline structure with a macroscopic effect equal to a shear strain. In particular, in this thesis pseudoelasticity is analyzed in alloys that present reversible strain close to 8%. In the present work, pseudoelastic behavior under uniaxial cyclic loading is studied in commercial ultrafine grained NiTi (Ti-50.9 at. % Ni) wires. The dependence on the evolution of pseudoelastic behavior for partial and complete cycles is investigated. The functional and structural aspects associated with pseudoelastic cycling are analyzed. In this thesis, we refer to it as the study of intrinsic fatigue. The analysis of the results of functional fatigue tests defines limitations and requirements that give rise to the proposal of a novel uniaxial test methodology to characterize the intrinsic fatigue of super-elastic NiTi wires. Using the new method, the influence of stress-induced martensitic transformation in the fatigue life of NiTi wires is investigated. The analysis of tests results show that decrease of critical transformation stress is not dependent on the amount material transformed but it depends on the number of martensitic transformation. Also, we arrived at conclusion that fatigue life would not depend on the strain / stress range or the mean strain / stress making the amount of transformation cycles decisive. This is an indication of the great cumulative damage suffered by the wire each time that transformation front passes through a certain zone. Additionally, the results show that the evolution in functional properties occurs during cycling until wire fracture, though the change rate of this evolution reduces when the number of cycles increases. This signals that the change in functional properties could be connected to the accumulation of intrinsic fatigue damage. Therefore the mechanical fatigue phenomenon in NiTi wires should be studied by relating the functional and structural aspects associated to pseudoelastic cycling. Finally, it is important to highlight the contribution of the new uniaxial test methodology in order to analyze the intrinsic fatigue behavior of super-elastic NiTi wire. This method will contribute to the advancement in knowledge of the mechanisms of damage associated with the movement of the transformation front that result on vital importance in fatigue life in conditions of pseudoelastic cycling. This will allow progress in the proposal of new specific models that explain the fatigue phenomenon of superelastic materials.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Shape memory effect; Efecto de memoria de la forma; [Martensitic transformation; Transformación martensítica; NiTi; Intrinsic fatigue; Fatiga intrínseca] |
| Materias: | Ingeniería |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Ciencias de materiales > Física de metales |
| Código ID: | 965 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 09 Aug 2021 12:57 |
| Última Modificación: | 09 Aug 2021 12:57 |
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