Ti合金的疲劳行为研究

bigbb

Ti-24Nb-4Zr-8Sn(wt.%)(Ti2448)合金是一种多功能亚稳β钛合金，具有低模量、高强度、低泊松比以及良好的生物相容性，在生物医学领域有着良好的应用前景。Ti2448合金在室温下具有约3.3%的超弹性、由弹性软化引起的非线性弹性变形行为以及高度局域化的塑性变形行为。这种奇特的力学行为对于Ti2448合金疲劳裂纹扩展特性的影响尚不清楚。研究热轧态、锻态以及单晶Ti2448合金在不同条件下的疲劳裂纹扩展行为，并对其影响机制进行了探讨。 研究表明：Ti2448合金在循环拉伸的过程中，随着外加应力的增加表现出了明显的非线性弹性变形特点，热轧态最大可恢复应变约为3.1%，固溶态约为3%，锻态纵向约为3%，锻态横向约为2%。 经固溶处理后合金在高应变下的低周疲劳性能优于热轧态，但在低应变下寿命较热轧态低。热轧态与固溶态Ti2448合金均在高应变控制的低周疲劳试验中产生了a''相，该相的析出是导致其循环软化的原因之一。 单晶Ti2448合金疲劳裂纹扩展实验表明，沿<100>方向循环加载比沿<110>和<111>方向循环加载有更低的疲劳裂纹扩展速率。沿<100>方向加载时，随着裂纹的扩展会出现双裂纹，在裂纹边缘发现有纳米晶与非晶，其中纳米晶尺寸小于30nm；沿<110>方向加载时，疲劳裂纹偏离名义扩展平面的角度为45°；沿<111>方向加载时，疲劳裂纹较直，期间出现了未穿透偏折裂纹。 锻态纵向Ti2448合金在R=0.5的室温条件下，ΔK=3.05MPa.m^.5，在Paris区其系数m=1.15小于TC4合金。说明随ΔK的增加，其疲劳裂纹扩展阻力增加，这与合金随着ΔK的增加，裂纹尖端处应力诱发相变的程度增加而导致裂纹闭合效应增加有关。 Ti2448的疲劳裂纹扩展与初始加载条件、环境以及应力比相关，其疲劳裂纹扩展速率随环境温度的升高而增加，这是由于随着温度的升高，增加了合金应力诱发相变的阻力。热轧态以及锻态纵向试样疲劳裂纹扩展路径均会发生明显的宏观偏折，且偏折程度会随着环境温度的增加而减小，而锻态横向裂纹扩展路径不会出现明显的宏观偏折；热轧态Ti2448合金裂纹偏折程度会随着应力比的增加而变大，在较高的初始ΔK以及稍高的应力比条件下合金从一开始扩展便会出现双裂纹。热轧态Ti2448合金经时效后，会生成a相，导致合金的超弹性消失，同时，合金的裂纹扩展性能变差，裂纹扩展路径与I型名义扩展平面基本重合。 热轧态Ti2448合金的裂纹偏折程度主要取决于ΔK，其次取决于Kmax值，裂纹的偏折、分叉以及裂纹尖端生成的纳米晶减缓了裂纹的扩展，这使得在疲劳裂纹扩展速率相同时，Ti2448合金相比于其它合金具有更高的ΔK/E值