鎳鈦合金疲勞性能研究

何子淑

(貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

0 引言

記憶效應是鎳鈦合金(又名記憶合金)特有的性能[1]。隨著科學技術的發展，鎳鈦合金因其特有的形狀性，在工業等領域的應用越來越廣泛。為保證鎳鈦合金產品的安全使用，尤其在醫學領域，需要在產品植入人體前預知鎳鈦合金產品使用的壽命，以便能根據病人的年齡結構判定是否有必要采用鎳鈦合金產品助于治療。因此鎳鈦合金的力學性能研究尤為重要。

1 實驗方法

1.1 試樣

本實驗分別采用了馬氏體型和奧氏體型鎳鈦合金。熱處理工藝均為：退火態。材料的常規力學性能見表1。

表1 試樣材料力學性能

試驗采用單邊缺口拉伸(SENT)試樣，見圖1。選擇SENT試樣為短裂紋試樣是為了在材料的缺陷或不連續處產生自然萌生的裂紋。試樣的半圓形缺口使得容易對缺口表面作觀察，從而便于利用復型技術對裂紋進行跟蹤。

圖1 裂紋試樣形狀及尺寸

1.2 試驗方法

本次試驗分別對兩疲勞試樣進行試驗：

(1)試樣1：R=1，σmax=135 Mpa，T=20 ℃；

(2)試樣2：R=1，σmax=135 Mpa，T=20 ℃

本文將在顯微鏡下觀察疲勞裂紋的萌生與擴展過程，并在適當的情況下采用復型方法做輔助。即在拉壓動作循環到一定的時候，停止加載，另加小于最大試驗力的80%的靜力，目的是讓裂紋處于非閉合狀態，再用丙酮擦洗試樣表面，并將適量丙酮滴在擦洗后的試樣表面，取一張小而薄的醋酸纖維素薄膜(又稱AC膜)覆蓋試樣表面，并輕輕壓實，使其緊貼試樣表面，覆膜后可以等一定的時間，使膜稍微干燥后，小心取下，將其放到顯微鏡下觀察復型AC膜并測量裂紋長度，記下裂紋長度與相應的循環數。按照這樣的步驟反復試驗，間隔性的覆膜觀察，每次覆膜的間隔時間依據疲勞過程而定，但是至少保證一個試樣在試驗的整個過程中至少要25～30個復型。利用割線法計算出裂紋擴展速率da/dN，并按照記錄的數據畫出a-N和da/dN曲線，比較分析不同相組織的疲勞裂紋萌生與擴展規律。計算過程及修正方法按照相應的程序進行[2]。

2 試驗結果與討論

2.1 疲勞裂紋的擴展速率

經數據處理所得到的結果如圖2和圖3所示。

圖2 平均裂紋長度a隨循環比N/Nf的變化曲線

可以看出：奧氏體型鎳鈦合金擴展速率要比馬氏體型擴展速率快。原因是奧氏體型的鎳鈦合金晶粒比較粗大，晶界比較少，裂紋擴展的阻力小，擴展速率就快。

圖3 不同相組織的da/dN-ΔK曲線圖

2.2 疲勞裂紋的萌生和擴展形態

由復型得到的表面裂紋形態圖4，可看出馬氏體型裂紋擴展基本是多裂紋擴展，原因是馬氏體型鎳鈦合金晶粒比較細，晶界多，裂紋萌生的機會就大，但是擴展過程中，晶界又會阻擋裂紋的長大，所以在斷口處出現多裂紋萌生及擴展現象。

3 結語

本文采用單邊光滑缺口試樣，在常溫下進行了疲勞裂紋試驗，利用復型法跟蹤記錄了缺口表面裂紋數，并記錄裂紋的長度和位置。觀察分析同一載荷下不同組織狀態的鎳鈦合金疲勞裂紋的演化規律如下：(1)相同載荷下的常溫奧氏體型鎳鈦合金疲勞裂紋擴展速率比較快。(2)相同載荷下的常溫馬氏體型鎳鈦合金疲勞裂紋多表現為多裂紋萌生與擴展。

圖4 馬氏體型裂紋的形態圖