研究β鈦合金在生理鹽水中的應力腐蝕開裂行為

2023/04/08

β鈦合金以其無毒、耐腐蝕性強、與人體細胞組織的相容性好、不發(fā)生過敏反應、具有較高強度和較低的彈性模量等優(yōu)點，常作為生物工程材料。在口腔醫(yī)學、人工關(guān)節(jié)、心臟支架等方面均有巨大的應用潛力。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)和外加應力的共同作用。在力學-化學的交互作用下，材料易發(fā)生應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等失效行為。其中，應力腐蝕開裂是一種隱蔽性很強、危險性極高的失效形式。其特點是金屬設(shè)備在較低的應力下發(fā)生脆性斷裂，斷裂前無任何征兆，極易引發(fā)災難性事故。為保證β鈦合金在人體中的服役安全，需對其應力腐蝕開裂行為進行研究。在金屬材料學領(lǐng)域，利用掃描電鏡觀察材料的斷口特征是揭示其應力腐蝕機制的重要手段之一。

 

 

實驗材料選用擠壓態(tài)Ti-12Mo單相β型鈦合金，采用萬能電子拉伸機在空氣和0.9 % NaCl溶液（生理鹽水）中對合金進行慢拉伸測試，應變速率為10-6/s。采用EM科特Cube-II掃描電鏡 (SEM) 對溶液中失效的合金斷口及斷口側(cè)面區(qū)域進行觀察。

 

利用EM科特Cube-II掃描電鏡可以對Ti-12Mo合金進行微觀組織表征。由圖1可知，該合金由單獨的β晶粒組成，晶粒沿擠壓方向 (ED) 呈現(xiàn)拉長特征，各個β晶粒間由晶界分隔。

 

表1為空氣和生理鹽水中Ti-12Mo合金的力學性能指標，可以看出，在生理鹽水中，Ti-12Mo的強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力腐蝕開裂風險。

表1 空氣和生理鹽水中Ti-12Mo合金的力學性能指標

環(huán)境	屈服強度σ0.2/MPa	抗拉強度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掃描電鏡可以實現(xiàn)對Ti-12Mo合金的應力腐蝕失效分析，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Ti-12Mo合金的進行斷口分析，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致的。綜上所述，Ti-12Mo合金在生理鹽水中的應力腐蝕敏感性較弱，合金的斷裂模式主要為沿晶斷裂和微孔聚集型斷裂。