NiTi形狀記憶合金疲勞與斷裂機(jī)制研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金由于具有超彈性、形狀記憶效應(yīng)、優(yōu)異的力學(xué)性能與良好的生物相容性現(xiàn)在已成為重要的生物醫(yī)用材料之一。隨著研究的不斷深入，NiTi合金的疲勞和斷裂成為阻礙其應(yīng)用的最重要的因素。因此，NiTi記憶合金高周疲勞機(jī)制、裂紋的形成和傳播、及馬氏體相變的影響等問(wèn)題引起了科技工作者和科學(xué)家們廣泛的關(guān)注，并成為目前NiTi形狀記憶合金研究的熱點(diǎn)。 論文利用X射線、掃描電鏡、電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)、透射電鏡和高分辨透射電鏡

2、等研究手段，通過(guò)微結(jié)構(gòu)觀察和力學(xué)分析，從微觀層面和原子層次揭示了NiTi形狀記憶合金高周疲勞和斷裂的失效機(jī)制，研究了馬氏體相變對(duì)合金的高周疲勞和斷裂的影響。主要結(jié)論如下： 1．通過(guò)高周疲勞實(shí)驗(yàn)研究了再結(jié)晶狀態(tài)NiTi形狀記憶合金在不同平均應(yīng)變下循環(huán)變形的力學(xué)機(jī)制，結(jié)合透射電鏡對(duì)循環(huán)變形后材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析了NiTi合金在不同平均應(yīng)變下表觀楊氏模量循環(huán)硬化與軟化效應(yīng)，通過(guò)分析認(rèn)為重結(jié)晶狀態(tài)的NiTi形狀記憶合金高周疲勞的機(jī)

3、制為：在奧氏體變形階段的疲勞是由于奧氏體中的位錯(cuò)導(dǎo)致的；在馬氏體與奧氏體共存的狀態(tài)下，疲勞主要發(fā)生在應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相中。 2．利用高周疲勞過(guò)程中的力學(xué)變化研究了超彈性NiTi形狀記憶合金疲勞壽命的平均應(yīng)變效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)由于NiTi合金中的非均勻馬氏體相變導(dǎo)致其疲勞壽命隨著平均應(yīng)變?cè)黾佣龃?。利用高分辨透射電鏡對(duì)NiTi形狀記憶合金中微結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了孿晶界面的肖克萊偏位錯(cuò)，并通過(guò)模擬的方法重構(gòu)出位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)；通過(guò)微結(jié)構(gòu)的研究

4、，分析了不同平均應(yīng)變下NiTi記憶合金循環(huán)變形過(guò)程中循環(huán)硬化與軟化的機(jī)制。 3．利用掃描電鏡對(duì)不同溫度下NiTi記憶合金斷裂機(jī)制進(jìn)行觀察分析，并通過(guò)高溫和室溫條件下準(zhǔn)原位的EBSD方法研究了NiTi記憶合金斷裂的晶體學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在溫度高于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變溫度Md時(shí)，NiTi合金發(fā)生由滑移導(dǎo)致的準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制，裂紋主要沿著奧氏體相的{110}低指數(shù)面擴(kuò)展；在室溫狀態(tài)下，NiTi合金發(fā)生由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變導(dǎo)致的準(zhǔn)解理斷裂，

5、馬氏體相變起到了一定的韌化作用，但是不能改變裂紋擴(kuò)展的方向，裂紋主要沿著殘余奧氏體相的(110)和(100)低指數(shù)面擴(kuò)展。 4．通過(guò)不同溫度下的過(guò)載斷裂和缺口試樣拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)馬氏體相變對(duì)NiTi合金延展性和斷裂韌性的影響進(jìn)行了研究。對(duì)缺口試樣拉伸斷裂的研究發(fā)現(xiàn)，馬氏體對(duì)NiTi形狀記憶合金的裂紋鈍化效應(yīng)主要是由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的擴(kuò)展過(guò)程引起的。馬氏體相變對(duì)NiTi合金斷裂的影響為：當(dāng)樣品的斷裂韌性Kc高于馬氏體擴(kuò)展的臨界應(yīng)