研究β鈦合金在生理鹽水中的應力腐蝕開裂行為
β鈦(tai)合金以其(qi)(qi)無(wu)(wu)毒(du)、耐腐(fu)蝕性(xing)強、與人(ren)體(ti)細胞組織的(de)(de)(de)相(xiang)容性(xing)好、不(bu)發(fa)生(sheng)過(guo)敏(min)反應(ying)(ying)(ying)、具(ju)有(you)(you)較(jiao)高(gao)強度(du)和較(jiao)低的(de)(de)(de)彈性(xing)模(mo)量等優(you)點(dian)，常作(zuo)為生(sheng)物工程(cheng)材(cai)料(liao)。在(zai)(zai)口腔醫學(xue)、人(ren)工關(guan)節、心臟支架等方面均有(you)(you)巨大(da)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)潛力(li)。然而，服役于人(ren)體(ti)環境的(de)(de)(de)金屬材(cai)料(liao)，不(bu)可避(bi)免地受到腐(fu)蝕介質和外加應(ying)(ying)(ying)力(li)的(de)(de)(de)共(gong)同作(zuo)用(yong)。在(zai)(zai)力(li)學(xue)-化(hua)學(xue)的(de)(de)(de)交(jiao)互作(zuo)用(yong)下(xia)，材(cai)料(liao)易發(fa)生(sheng)應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂(lie)、腐(fu)蝕疲勞等失(shi)效行(xing)為。其(qi)(qi)中，應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂(lie)是一(yi)種隱蔽性(xing)很強、危險性(xing)極高(gao)的(de)(de)(de)失(shi)效形式。其(qi)(qi)特(te)點(dian)是金屬設備在(zai)(zai)較(jiao)低的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)下(xia)發(fa)生(sheng)脆(cui)性(xing)斷(duan)裂(lie)，斷(duan)裂(lie)前無(wu)(wu)任何征(zheng)兆，極易引發(fa)災(zai)難(nan)性(xing)事故。為保(bao)證(zheng)β鈦(tai)合金在(zai)(zai)人(ren)體(ti)中的(de)(de)(de)服役安全，需對(dui)其(qi)(qi)應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂(lie)行(xing)為進行(xing)研究。在(zai)(zai)金屬材(cai)料(liao)學(xue)領域，利(li)用(yong)掃描電鏡觀察(cha)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)斷(duan)口特(te)征(zheng)是揭(jie)示其(qi)(qi)應(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)蝕機制的(de)(de)(de)重(zhong)要手段之一(yi)。
實(shi)驗(yan)材料選(xuan)用擠壓態Ti-12Mo單相β型鈦合金，采用萬(wan)能電(dian)子拉伸機在空氣和(he)0.9 % NaCl溶(rong)液（生理鹽水）中對合金進行(xing)慢拉伸測試，應變(bian)速(su)率為(wei)10-6/s。采用EM科特Cube-II掃(sao)描電鏡 (SEM) 對溶液中失效的合金斷口及斷口側面區域進行觀察。
利(li)用EM科特Cube-II掃描電鏡(jing)可以對Ti-12Mo合金進行微(wei)觀組織表征。由圖(tu)1可知，該合金由單獨(du)的β晶(jing)粒(li)組成，晶粒沿擠壓方(fang)向(xiang) (ED) 呈(cheng)現(xian)拉長(chang)特(te)征(zheng)，各個β晶粒間(jian)由晶界分(fen)隔。
表1為(wei)空氣和生理鹽水中(zhong)Ti-12Mo合金的力學性能指標(biao)，可(ke)以看(kan)出，在(zai)生理鹽(yan)水中(zhong)，Ti-12Mo的強度和(he)塑性損失率均很低(di)，表明(ming)合金(jin)在(zai)生理鹽水(shui)中幾乎(hu)不(bu)存在(zai)應力腐蝕開裂風險。
表1 空(kong)氣和生理鹽水(shui)中Ti-12Mo合金(jin)的力學性能指標(biao)
環境(jing) | 屈(qu)服強度σ0.2/MPa | 抗拉強度UTS/MPa | 延伸率ε/% | 塑(su)性(xing)損(sun)失率(lv)△ε/% |
空(kong)氣 生(sheng)理鹽水 | 1036 1022 | 1212 1205 | 8.1 8.0 | - 1 |
利(li)用EM科特Cube-II掃(sao)描電鏡可以實現對(dui)Ti-12Mo合金(jin)的應力(li)腐蝕失效分析(xi)，如(ru)圖(tu)2所示。圖2 (a) 和(he)2 (b) 分別為溶液中失效樣品斷口側面的二次(ci)電子 (SE) 和背散(san)射 (BSE) 形(xing)貌。由圖可知，合金斷口側面(mian)不存(cun)在明顯腐蝕區域，多數(shu)二次(ci)裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)于晶界處(chu)，另(ling)有少(shao)部分(fen)裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)于晶粒內(nei)部的(de)滑移帶堆(dui)積處(chu)。
利(li)用(yong)EM科(ke)特(te)Cube-II掃描電鏡還可(ke)以對Ti-12Mo合(he)(he)金的(de)進行斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)口分析，如(ru)圖(tu)3所示。圖(tu)3 (a) 和(he)3 (b) 分別為溶液中(zhong)失效樣品(pin)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)口的(de)SE 和(he)BSE 形貌(mao)。合(he)(he)金的(de)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)口整體呈現“冰糖”狀形貌(mao)，并存(cun)在大量沿晶(jing)裂(lie)紋(wen)，這(zhe)是(shi)沿晶(jing)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)的(de)典型(xing)特(te)征。此外(wai)，合(he)(he)金的(de)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)口上(shang)還存(cun)在一定(ding)數量的(de)淺韌窩(wo)，這(zhe)是(shi)部分晶(jing)粒(li)內(nei)部發(fa)生了(le)微孔聚集型(xing)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)導(dao)致(zhi)的(de)。綜上(shang)所述，Ti-12Mo合(he)(he)金在生理鹽水中(zhong)的(de)應(ying)力腐蝕敏感性較弱，合(he)(he)金的(de)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)模(mo)式主要為沿晶(jing)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)和(he)微孔聚集型(xing)斷(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)。
