形狀記憶合金(SMAs)對熱機械刺激具有特征變形響應，熱機械刺激源于高溫、位移、固體到固體轉變等(高溫高階相稱為奧氏體，低溫低階相稱為馬氏體)。重復的循環相變導致位錯逐漸增多，因此未轉化的區域會降低SMA的功能性(稱為功能疲勞)并產生微裂紋，在數量足夠多后最終導致物理失效。顯然，要了解這些合金的疲勞壽命行為、解決昂貴的部件報廢問題以及縮減材料開發和產品設計周期，均會產生巨大的經濟壓力。

熱機械疲勞在很大程度上尚未得到探索，特別是缺乏對熱機械循環下疲勞裂紋擴展的研究。在SMA應用于生物醫學的早期實施中，疲勞研究的重點是循環機械載荷下“無缺陷”樣品的總壽命。在SMA幾何尺寸較小的應用中，疲勞裂紋擴展對壽命影響較小，因此研究重點放在防止裂紋萌生而不是控制其擴展上；在驅動、減振和能量吸收應用中，需要迅速獲得動力，SMA組件通常足夠大，可以在失效前維持明顯的裂紋擴展。因此滿足必要的可靠性和安全性要求需要通過損傷容限方法全面了解和量化疲勞裂紋擴展行為。依賴于斷裂力學概念的損傷容限方法在SMA中的應用并不簡單。與傳統結構金屬相比，可逆相變和熱機械耦合的存在對有效描述SMA的疲勞和過載斷裂提出了新的挑戰。

美國德克薩斯農工大學的研究人員首次在含Ni的Ni50.3Ti29.7Hf20高溫合金中進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗，提出了一種基于積分的Paris型冪律表達式，可用于擬合單參數下的疲勞裂紋擴展速率。由此推測，和裂紋擴展速率之間的經驗關系可以在不同的加載條件和幾何構型之間實現擬合，從而可以作為SMAs中形變裂紋擴展的潛在統一描述符。相關論文以題為“A unified description of mechanical and actuation fatigue crack growth in shape memory alloys”發表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155

研究發現，Ni50.3Ti29.7Hf20合金在180℃進行單軸拉伸試驗時，加載過程中奧氏體在低應力水平下主要為彈性變形，楊氏模量約為90GPa，當應力達到約300MPa時，正向相變開始，奧氏體轉變為應力誘發馬氏體；卸載時，應力誘發馬氏體主要發生彈性變形，楊氏模量約為60GPa，然后轉變回奧氏體。通過積分已實現將結構材料的疲勞裂紋擴展速率擬合至Paris型冪律表達式中。

圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布

圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進行550℃×3h熱處理后的TEM圖

圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時機械疲勞裂紋擴展的?J與da/dN關系圖

在本文實驗中證實該式可擬合來自所有實驗的疲勞裂紋擴展率數據并可使用同一組參數，冪律指數m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機械裂紋擴展和驅動裂紋擴展均為準解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴展抗力產生了惡化作用。所獲得的結果表明，單一的經驗冪律表達式可以在廣泛的加載條件和幾何構型中實現所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機械疲勞的統一描述，從而估算驅動力。

圖4180℃機械疲勞裂紋擴展實驗后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像

圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅動疲勞裂紋擴展實驗后的斷口SEM圖像

總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗。基于循環積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴展表達式，用于擬合各實驗單參數下的疲勞裂紋擴展速率。本文為形狀記憶合金的設計和疲勞預測提供了理論依據。