Tým vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu termomechaniky AV ČR nedávno výrazně přispěl k objasnění mechanizmu lokalizované deformace v tahem namáhaném drátu ze superelastické slitiny s tvarovou pamětí NiTi.

Martenzitická transformace, jež stojí za nevšedními vlastnostmi slitin s tvarovou pamětí, neprobíhá vždy v těchto slitinách homogenně. V určitých režimech zatěžování se tato transformace (a s ní související deformace materiálu) vzorkem šíří nehomogenně, ve formě makroskopických pásů. Otázka jak a proč k této lokalizaci v polykrystalických materiálech dochází, trápí jak teoretiky, tak i inženýry, neboť lokalizovaná transformace nejen značně mění mechanickou odezvu těchto materiálů, ale především negativně ovlivňuje jejich únavové vlastnosti. Mnoho let se tak studuje vliv mikrostruktury materiálu či vliv geometrie a způsob zatěžování vzorku [1] na vznik lokalizované transformace. Hlubšímu pochopení a podrobnější analýze však doposud bránil nedostatek experimentálních dat. Nebylo především zřejmé, co stabilizuje makroskopické rozhraní oddělující různě deformované oblasti, jaká je jeho morfologie či jakým způsobem se v jeho okolí přerozděluje mechanické napětí.

V unikátním experimentu (viz obrázek) realizovaném na synchrotronu v ESRF [2] se podařilo s využitím metody 3D rentgenové difrakce (3D-XRD) zmapovat stavy napjatosti v polykrystalických zrnech mikrometrických rozměrů v okolí čela deformačního pásu. Ukázala se jak výrazná heterogenita napětí na úrovni jednotlivých zrn daná anizotropií jejich elastických a transformačních vlastností, tak i dramatické přerozdělení makroskopických (homogenizovaných) napětí v okolí rozhraní. Analýza těchto výsledků umožnila adaptaci konstitutivního modelu popisujícího chování materiálů s tvarovou pamětí [3], především zahrnutí tzv. nelokálních, gradientních efektů. Numerická rekonstrukce šířícího se rozhraní pak objasnila mechanizmus postupného přerozdělování vnitřních napětí, a tím vysvětlila podstatu lokalizované deformace v NiTi. Výsledky této studie byly publikovány v prestižním časopise Science [4]. Více informací lze nalézt v článku na stránkách Fyzikálního ústavu AV ČR nebo v tiskové zprávě AV ČR.

Reference:
1. P. Šittner, Y. Liu, V. Novak, On the origin of Lüders-like deformation of NiTi shape memory alloys, J. Mech. Phys. Solids, 53, 1719–1746 (2005).
2. www.esrf.eu
3. P. Sedlák, M. Frost B. Benešová, P. Šittner, T. Ben Zineb, Thermomechanical model for NiTi-based shape memory alloys including R-phase and material anisotropy under multi-axial loadings, Int. J. Plast. 39, 132–151 (2012).
4. P. Sedmák, J. Pilch, L.Heller, J. Kopeček, J. Wright, P. Sedlák, M. Frost, P. Šittner, Grain-resolved analysis of localized deformation in nickel-titanium wire under tensile load, Science 353, Iss. 6300 (2016), Doi: 10.1126/science.aad6700

3D-XRD metoda umožňuje nedestruktivní 3D zobrazení mikrostruktury a napětí v polykrystalických pevných látkách vystavených mechanickému namáhání. V popisovaném experimentu byl tenký drát ze superelastické slitiny NiTi zatížen v tahu a vystaven monochromatickému svazku energetických fotonů (A) na zařízení Materials Science Beamline ID11 v ESRF. Mikrostruktura a napětí v cca 15 000 austenitických zrnech (B,C) v okolí čela deformačního pásu byly zrekonstruovány z 36 650 dvourozměrných difrakčních záznamů získaných během rotace zatíženého drátu okolo vlastní osy a jeho posuvu vzhledem k dopadajícímu svazku fotonů. Prostorový model čela pásu (D) byl vytvořen z pořízených dat v kombinaci s výsledky simulací lokalizované deformace drátu pomocí originálního mechanického modelu slitin s tvarovou pamětí.