研究β鈦合金在生理鹽水中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為

2023/04/08

β鈦合金以其無(wú)毒、耐腐蝕性強(qiáng)、與人體細(xì)胞組織的相容性好、不發(fā)生過(guò)敏反應(yīng)、具有較高強(qiáng)度和較低的彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，常作為生物工程材料。在口腔醫(yī)學(xué)、人工關(guān)節(jié)、心臟支架等方面均有巨大的應(yīng)用潛力。然而，服役于人體環(huán)境的金屬材料，不可避免地受到腐蝕介質(zhì)和外加應(yīng)力的共同作用。在力學(xué)-化學(xué)的交互作用下，材料易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕疲勞等失效行為。其中，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種隱蔽性很強(qiáng)、危險(xiǎn)性極高的失效形式。其特點(diǎn)是金屬設(shè)備在較低的應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂，斷裂前無(wú)任何征兆，極易引發(fā)災(zāi)難性事故。為保證β鈦合金在人體中的服役安全，需對(duì)其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為進(jìn)行研究。在金屬材料學(xué)領(lǐng)域，利用掃描電鏡觀察材料的斷口特征是揭示其應(yīng)力腐蝕機(jī)制的重要手段之一。

 

 

實(shí)驗(yàn)材料選用擠壓態(tài)Ti-12Mo單相β型鈦合金，采用萬(wàn)能電子拉伸機(jī)在空氣和0.9 % NaCl溶液（生理鹽水）中對(duì)合金進(jìn)行慢拉伸測(cè)試，應(yīng)變速率為10-6/s。采用EM科特Cube-II掃描電鏡 (SEM) 對(duì)溶液中失效的合金斷口及斷口側(cè)面區(qū)域進(jìn)行觀察。

 

利用EM科特Cube-II掃描電鏡可以對(duì)Ti-12Mo合金進(jìn)行微觀組織表征。由圖1可知，該合金由單獨(dú)的β晶粒組成，晶粒沿?cái)D壓方向 (ED) 呈現(xiàn)拉長(zhǎng)特征，各個(gè)β晶粒間由晶界分隔。

 

表1為空氣和生理鹽水中Ti-12Mo合金的力學(xué)性能指標(biāo)，可以看出，在生理鹽水中，Ti-12Mo的強(qiáng)度和塑性損失率均很低，表明合金在生理鹽水中幾乎不存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

表1 空氣和生理鹽水中Ti-12Mo合金的力學(xué)性能指標(biāo)

環(huán)境	屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa	抗拉強(qiáng)度UTS/MPa	延伸率ε/%	塑性損失率△ε/%
空氣 生理鹽水	1036 1022	1212 1205	8.1 8.0	- 1

利用EM科特Cube-II掃描電鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Ti-12Mo合金的應(yīng)力腐蝕失效分析，如圖2所示。圖2 (a) 和2 (b) 分別為溶液中失效樣品斷口側(cè)面的二次電子 (SE) 和背散射 (BSE) 形貌。由圖可知，合金斷口側(cè)面不存在明顯腐蝕區(qū)域，多數(shù)二次裂紋萌生于晶界處，另有少部分裂紋萌生于晶粒內(nèi)部的滑移帶堆積處。

 

利用EM科特Cube-II掃描電鏡還可以對(duì)Ti-12Mo合金的進(jìn)行斷口分析，如圖3所示。圖3 (a) 和3 (b) 分別為溶液中失效樣品斷口的SE 和BSE 形貌。合金的斷口整體呈現(xiàn)“冰糖”狀形貌，并存在大量沿晶裂紋，這是沿晶斷裂的典型特征。此外，合金的斷口上還存在一定數(shù)量的淺韌窩，這是部分晶粒內(nèi)部發(fā)生了微孔聚集型斷裂導(dǎo)致的。綜上所述，Ti-12Mo合金在生理鹽水中的應(yīng)力腐蝕敏感性較弱，合金的斷裂模式主要為沿晶斷裂和微孔聚集型斷裂。