The Development Of A Fatıgue Test Machıne To Investıgate The Functıonal Fatıgue Lıfe Of Hıgh Temperature Shape Memory Alloys And The Determınatıon Of The Functıonal Fatıgue Lıfe Of These Alloys

Shape memory alloys are special materials which can be utilized as actuators for several applications. Their high power to weight ratio draws attention to many applications, especially in aerospace industry. Most of the applications require multiple actuation and transformation temperatures which are above the 100oC. Thus, stability of shape memory alloys in terms of actuation strain and transformation temperatures are very important in order to define the feasibility of using shape memory alloys for industrial applications. Aging is a one of the methods for Nickel rich NiTi alloys that adjust the transformation temperatures and enhance the cyclic stability of the shape memory alloys. In this study, Ni50.3Ti29.7Hf20 high temperature shape memory alloy was used since it is one of the most promising high temperature shape memory alloy in terms of high transformation temperatures as well as high strength. The functional fatigue properties of the extruded and aged Ni50.3Ti29.7Hf20 high temperature shape memory alloy were investigated in order to reveal the effect of aging on functional fatigue behavior. Material was produced using high purity Ni, Ti and Hf elements via vacuum induction melting under high purity argon atmosphere, then placed in a mild steel can for hot extrusion at 900oC with an area reduction of 4:1. One batch of the material was aged at 550oC for 3 hours and one batch of material was used in the experiments in the extruded condition. Same experiments were conducted on both of the materials for comparison. Stress-free transformation temperatures were measured using Perkin Elmer Differential Scanning Calorimetry (DSC) 800. Load-biased heating and cooling experiments were conducted by UTEST 50 kN servo-mechanical test machine with embedded heating and cooling systems. These experiments were done to determine the stress magnitude under which the samples showed the first irrecoverable strain. Functional fatigue experiments were performed on custom-built functional fatigue test setup. Post-mortem optical microscope investigations after functional fatigue tests were performed to investigate the crack propagation during the fatigue experiments. Transmission electron microscopy was also conducted before functional fatigue tests to determine the twin and precipitate structures and the oxide particles in the matrix. Stress-free transformation temperatures were increased above 100oC after aging heat treatment at 550oC for 3 hours, as expected. It was also found that aging at 550oC for 3 hours led to an increase in critical stress for slip such that the first irrecoverable strain was determined under 600 MPa stress level while extruded sample showed irrecoverable strain under 300 MPa in load-biased heating-cooling experiments. Therefore, 200 MPa stress magnitude was chosen as the threshold stress level since no irrecoverable strain was detected for extruded and aged samples and the functional fatigue experiments were conducted under 200 MPa constant stress level. The sample aged at 550oC for 3 hours exhibited considerably better stability during functional fatigue experiments with respect to the extruded one. The decrease in actuation strain values of the aged sample through 16534th cycles was smaller than that of the extruded sample. The test was stopped at this point because fracture was experienced. On the other hand, extruded sample lost its actuation strain before 5000th cycle and therefore, test was ceased. Transmission electron microscopy investigations revealed that oxide particles are in the matrix, thus these oxide particles might be one the reasons of fracture since they may act as the crack initiation points at the beginning of the functional fatigue experiments.Turkish Aerospace Industries, Inc. – Rotary Wing Technology CenterŞekil hafızalı alaşımlar çeşitli uygulamalarda eyleyici olarak kullanılabilen özel materyellerdir. Sahip oldukları yüksek güç/ağırlık oranı özellikle havacılık alanı olmak üzere birçok alanda dikkat çekmektedir. Uygulamaların birçoğu çoklu tahrik ve 100oC’nin üzerinde yüksek dönüşüm sıcaklıkalarının olmasını gerektirmektedir. Bu nedenle, şekil hafızalı alaşımların endüstriyel uygulamarının uygunluğunun tanımlanmasında, eyleyici gerinimi ve dönüşüm sıcaklıkları açısından kararlılık çok önemlidir. Yaşlandırma işlemi Nikelce zengin NiTi alaşımlarında dönüşüm sıcaklıklarını ayarlamak ve çevrimsel kararlılığı arttırmak için kullanılan yöntemlerden biridir. Bu çalışmada, sahip olduğu yüksek dönüşüm sıcaklığının yanı sıra yüksek dayanımı açısından en umut verici yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımlarından biri olan Ni50.3Ti29.7Hf20 yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımı kullanılmıştır. Ekstrüde halde ve yaşlandırılmış Ni50.3Ti29.7Hf20 yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımının fonksiyonel yorulma özellikleri, yaşlandırma işleminin fonksiyonel yorulma davranışına etkisini ortaya koymak üzere incelenmiştir. Malzeme yüksek saflıktaki Ni, Ti ve Hf elemenleri kullanılarak vakum indüksiyonla eritme yoluyla yüksek saflıktaki argon atmosferi altında üretilmiştir. Sonrasında yumuşak çelik ile kaplanarak 4:1 oranında alan indirgemesi olacak şekilde 900oC’de sıcak ekstrüzyona tabi tutulmuştur. Bir grup malzemenin 550oC’de yaşlandırma işlemi yapılırken ve bir grup malzeme deneylerde ekstrude halde kullanılmıştır. Karşılaştırma yapılabilmesi için yaşlandırılmış ve ekstrüde haldeki malzemelere aynı deneyler uygulanmıştır. Yüksüz dönüşüm sıcaklıkları Perkin Elmer Differential Scanning Calorimetry (DSC) 800 kullanılarak ölçülmüştür. Sabit yük altında ısıtma ve soğutma deneyleri ısıtma ve soğutma sistemleri yerleştirilmiş UTEST 50 kN servo-mekanik test makinasında gerçekleştirilmiştir. Bu testler malzemelerin ilk hangi gerilim değeri altında geri kazanılamayan gerinim gösterdiklerini saptamak için gerçekleştirilmiştir. Fonksiyonel yorulma deneyleri özel üretim fonksiyonel yorulma test cihazında yapılmıştır. Fonksiyonel yorulma deneyi sonrası optik mikroskop incelemesi yorulma deneyleri sırasındaki çatlak ilerlemesini incelemek üzere gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda geçirmeli elektron mikroskobu incelemesi de fonksiyonel yorulma testleri öncesinde matristeki ikizlenme ve çökelti yapıları ile oksit parçacıklarını belirlemek için yapılmıştır. Yüksüz dönüşüm sıcaklıkları 550oC’de 3 saat yaşlandırmanın ardından beklenildiği gibi 100oC’nin üzerine çıkmıştır. Aynı zamanda 550oC’de 3 saat yaşlandırma ile kayma için kritik gerilim değeri artmıştır. Öyle ki yük altında ısıtma – soğutma deneylerinde ekstürüde örnekte ilk geri kazanılamayan gerinim 300 MPa yük altında görülürken yaşlandırılmış örnekte 600 MPa yük altında görülmüştür. Bu nedenle 200 MPa gerilim değeri, ekstrüde ve yaşlandırılmış örneklerde geri kazanılamayan gerinim göstermediğinden sınır değeri olarak belirlenmiş ve fonksiyonel yorulma deneyleri 200 MPa yük altında gerçekleştirilmiştir. 550oC’de 3 saat yaşlandırılmış örnek ekstürüde örneğe göre fonksiyonel yorulma testlerinde kayda değer seviyede daha iyi çevrimsel kararlılık göstermiştir. Yaşlandırılmış örnekte 16534 çevrim boyunca eyleyici gerinimindeki azalma ekstrüde örnekten daha azdır. Test bu noktada kopma gerçekleştiği için durdurulmuştur. Diğer taraftan ekstürde örnek 5000 çevrimden önce eyleyici gerinimini kaybetmiştir ve bu nedenle test durdurulmuştur. Geçirmeli elektron mikroskobu incelemesi sonucunda matriste oksit parçacıkları bulunmuştur. Bu parçacıklar çatlak başlangıç noktası olarak davranabildikleri için fonksiyonel yorulma testlerindeki kopmanın nedeni olabilirler