Ti-Nb合金在冷變形中的微觀組織和力學性能研究

鄭 博, 馬鳳倉, 劉新寬, 李 偉, 何代華

(上海理工大學 材料科學與工程學院, 上海 200093)

鈦合金作為一種具有良好生物相容性、抗腐蝕性和力學性能的生物醫用金屬材料,已經得到了實際應用[1].早在20世紀60年代[2],純鈦作為人體植入物就開始應用于臨床.發展至今,醫用鈦合金的開發和應用先后經歷了三個階段[3]:第一階段以純鈦和TC4為代表的傳統α型鈦合金,由于強度低,耐磨性差,僅用于承載較小部位的骨替代及口腔修復[4].第二階段是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金為代表的新型α+β型鈦合金,其中Ti-Ni基形狀記憶合金,因其具有優異的形狀記憶特性和超彈性以及耐腐蝕性,已成為繼Fe-Cr-Ni,Co-Cr,Ti-6Al-4V合金后在生物醫學領域廣泛使用的金屬材料[5-6].但由于Ni是潛在的毒性元素,以及Ni表面逸出問題令人擔憂,因此用于替代Ti-Ni合金的無Ni生物醫用形狀記憶合金得到了發展[7].與其他金屬相比,這兩代材料的彈性模量較低,約110 GPa,但遠遠高于骨頭的彈性模量(10～30 GPa),這就會造成植入物與人體骨頭界面上力學性能不匹配,容易引起“應力屏蔽”效應[8-9],從而導致種植失敗.因此,近年來各國學者相繼研發具有更好生物相容性和更低彈性模量的第三代鈦合金,即生物醫用β鈦合金.相較于其他常用的鈦合金,這類新型鈦合金具有更低的彈性模量和更高的強度.其含有穩定β相和降低彈性模量的元素,不含對人體有害的V,Al,Ni等元素.目前國內外研究最多的是Ti-Nb[10]系超彈性β鈦合金,其抗腐蝕性能高,生物相容性好,且具有最低的彈性模量和較好的形狀記憶效應,是最有開發潛力和發展前景的醫用鈦合金,也是目前醫用鈦合金的研究熱點和重點,具有重要的學術研究和實際臨床應用價值.

本論文將對Ti-35Nb-2Ta-3Zr β鈦合金在冷變形組織和性能進行研究,主要探討冷變形對合金中馬氏體轉變和力學性能的影響.

1 試驗方案

本試驗采用鎢極電弧爐熔煉Ti-35Nb-2Ta-3Zr(質量分數,%,下同)合金.試驗用原料有:高純Ti顆粒(純度>99.995%)、高純Nb顆粒(純度>99.95%)、高純Ta顆粒(純度>99.95%)、高純Zr顆粒(純度>99.5%).按照設計的成分用電子天平精確稱量每種原料.混合后在去離子水中超聲清洗30 min,以去除表面雜質.采用鎢極電弧爐熔煉合金,合金在爐腔內反復翻轉熔煉四次,使其成分均勻,最后將鑄錠在長條形的模腔內熔鑄成型.將合金在780 ℃固溶處理0.5 h,然后打磨除去表面氧化皮和缺陷.通過雙輥軋機對合金進行軋制處理,軋制到厚度為1 mm左右,軋制完成后對軋制薄片按照軋制方向取縱向拉伸試樣.拉伸后的樣品通過切割、鑲樣、粗磨、細磨、常規拋光等處理,金相腐蝕液采用HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶6(體積比)的混合液,進行顯微組織觀察分析.

利用XRD分析不同拉伸變形率下合金的物相變化規律,利用偏光顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察不同拉伸變形量下的微觀組織.采用納米壓痕試驗測試合金的彈性模量及硬度.拉伸試驗在2.5 kN的萬能拉伸試驗機上進行,拉伸速度為0.5 mm/min.

2 結果和分析

2.1 拉伸過程中馬氏體相變

2.2 顯微組織分析

圖2為固溶樣品和拉伸變形率分別為5%,15%,25%及拉斷的樣品的光學顯微組織.

圖1 固溶和不同伸長率試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of solid solution and different elongation

圖2 780 ℃,0.5 h固溶樣品的微觀組織,拉伸形變組織和拉斷組織Fig.2 Microstructure of solution-treated specimen at 780 ℃ for 0.5 h and tensile deformation specimens with the different reductions,and snap

圖3 應力誘發馬氏體TEM明場像、暗場像、選區電子衍射圖和位錯Fig.3 TEM bright and dark field images of stress-induced ″ martensite,respectively,electron diffraction diagram for the constituency and the image of dislocation structure

2.3 力學性能

表1 為納米壓痕試驗測得的固溶和不同軋制狀態下樣品的硬度及彈性模量,分析表1中數據不難得出,軋制對合金彈性模量影響不大,合金的彈性模量在74 GPa左右,相比其他合金,該合金的彈性模量較小;固溶態的合金硬度較軋制態的合金小,當合金軋制變形量為20%時,合金硬度較固溶時有大幅度增大,當軋制變形量為40%～90%時,合金硬度的增加較為緩慢,這與合金在冷變形中殘余應力的累積、位錯塞積以及馬氏體的轉變有關.

表1 樣品在固溶和不同軋制狀態下的硬度和彈性模量Tab.1 Hardness and elastic modulus under different rolling state and solid solution

圖4為合金樣品在固溶處理和冷軋后的應力-應變曲線(a)和斷裂伸長率(b).如圖4所示,固溶處理的合金試樣抗拉強度大約為500 MPa,它的斷裂伸長率將近27%,表現出良好的塑性.隨著軋制變形率的增加,合金的抗拉強度逐漸增加,除了變形中產生的位錯,應力誘發馬氏體組織也對合金的強度做出了較大的貢獻[12],但是合金的斷裂伸長率隨軋制變形量的增加而逐漸降低,馬氏體的可塑性很大程度上取決于二級馬氏體的微觀結構[13].和固溶樣品相比,當合金軋制變形量為20%時,合金的伸長率迅速下降,然而,當合金軋制變形量為40%～60%時,伸長率下降變得緩慢.當軋制變形量達到90%時,合金的抗拉強度增加到800 MPa,斷裂伸長率卻不到5%,而且幾乎沒有塑性變形階段,發生屈服后就斷裂,這在很大程度上取決于次生馬氏體的微觀結構.縱觀整個過程,冷變形后的合金抗拉強度高于固溶態合金的抗拉強度,但是固溶態合金的塑性遠高于軋制態的合金,這是由于在軋制過程中合金中的馬氏體的形態發生轉變,馬氏體之間相互交叉變異,以及位錯的纏結和塞積使合金塑性變差.相比其他金屬而言,即使TiNb β鈦合金在軋制變形量為達90%的狀態下,斷裂伸長率仍能達到5%,表現出良好的冷加工性能.

圖5顯示了軋制變形量為20%和80%樣品拉伸斷面的SEM圖像.兩組樣品的斷裂形態都表現為韌性斷裂.由圖4(b)可以看出,兩組合金樣品在斷裂之前都經過較大的伸長量,但是兩組樣品斷面的韌窩有所不同.如圖5所示,軋制變形量為20%的合金樣品塑性較好,斷面韌窩較密,且較大韌窩中還會出現小韌窩,韌窩大致呈卵形;軋制變形量為80%的合金樣品韌窩較少,且韌窩大小不一,韌窩形狀較為復雜多樣.

圖4 合金樣品在固溶處理和冷軋后的應力-應變曲線Fig.4 Alloy samples after solid solution treatment and cold rolling stress strain curveand elongation at break

圖5 拉伸試樣的斷裂表面SEM照片Fig.5 SEM images of the fracture surface of tensile tested specimens

3 結 論

從上述試驗結果及討論中,我們觀察到了拉伸過程中應力誘發馬氏體的生成現象,綜合合金在冷變形前后的力學性能特點,主要結論如下:

(2) 從力學試驗結果看出,合金的彈性模量較低,在74 GPa左右,合金硬度隨冷變形程度的增加而增大.分析應力-應變曲線可以看出,固溶態的合金具有很高的斷裂伸長率,能達到27%,屈服強度達到430 MPa,抗拉強度達到500 MPa,當合金軋制變形量為90%時,抗拉強度增大到800 MPa,斷裂伸長率將近5%,表現出了良好的可塑性和高強度性能.

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