醫用鎳鈦管永久變形量影響因素的研究

于海瑞， 牛金海， 王亦群

（1.上海交通大學 生物醫學工程學院，上海 200240；2.微創神通醫療科技（上海）有限公司，上海 201318）

鎳鈦合金材料具有良好的形狀記憶效應、超彈性、耐疲勞性、耐腐蝕性和生物相容性，在生物醫學領域具有廣泛的應用[1-2]。特別是在血管條件相對迂曲的顱內血管疾病治療領域，鎳鈦材料被越來越多地制作成各種類型的血管支架[3]，如狹窄擴張支架Wingspan、取栓支架Solitaire、彈簧圈栓塞輔助支架LVIS和血流導向裝置Silk等。

通常情況下，為了保證鎳鈦支架的尺寸穩定性和耐疲勞性，在設計和制造時需要考慮鎳鈦材料在受力狀態下的殘余變形機制及其影響因素[4]。Rebelo等[5]通過Abaqus模擬了鎳鈦材料的單軸拉伸力學行為。結果表明，應變超過6%時將改變鎳鈦材料的相變平臺應力，并且應變幅度較大時容易產生永久變形量。Schlun等[6]研究了循環加載對鎳鈦材料單軸行為的影響。結果表明，在預應變為8%并引入足夠大的應變幅（1%）時，會降低鎳鈦材料的平臺應力，并產生額外的永久變形量。Miyazaki等[7]研究了循環變形對鎳鈦合金超彈性的影響。結果表明，鎳鈦材料的殘余塑性變形量會隨著循環加載次數的增加而增大。Adarsh 等[8]使用MSC Mentat軟件分析了不同溫度下鎳鈦材料的單軸拉伸行為，以模擬鎳鈦材料在拉伸過程中的相變和殘余變形行為。這些研究主要從加載應變和循環加載方面定性地研究了鎳鈦材料的永久變形行為。本文將分別從時效溫度、時效時間、加載應變、循環加載次數和加載速率等方面定量地研究醫用鎳鈦管的永久塑性變形行為，并分析影響永久變形的主要因素，研究結果對鎳鈦醫療器械的設計和制造具有一定的參考意義。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的醫用鎳鈦材料是Nitinol SE 508鎳鈦管（Furukawa Techno Material），該材料是近等原子比鎳鈦合金，其成分符合ASTM F2063—18的要求（Ni的原子分數為49.4%～52.0%，對應的質量分數為54.5%～57.0%），如表1所示。該鎳鈦管為冷拔態，外徑為3 mm，壁厚為0.11 mm，相變溫度Af為(0±10) ℃，極限拉伸強度大于1 133 MPa，斷裂伸長率大于13%，應變為8%時永久加載應變不超過0.50%。

表1 Nitinol SE 508鎳鈦管的成分Tab.1 Compositions of Nitinol SE 508 nitinol tube

使用激光切割機（Starcut Tube Fiber，Rofin）將Nitinol SE 508鎳鈦管按照如圖1所示的尺寸切割成拉伸試樣。試樣總長40 mm，平行長度20 mm，標距16 mm，平行部分寬度0.55 mm，夾持部分長度10 mm，夾持部分寬度1.56 mm，厚度0.11 mm。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of the tensile specimen

1.2 實驗及表征方法

1.2.1 實驗方法

時效溫度和時效時間的影響：在高溫熱處理爐（N30/85, Nabertherm）中對拉伸試樣進行時效處理，設定溫度分別為360、410、460、510、560 ℃，時間分別為5、15、30 min，并放入常溫水中冷卻。使用萬能拉伸試驗機（5943，Instron）以2 mm/min的加載速率將試樣拉伸至應變達6%，然后以相同的速率進行卸載，記錄試樣加載和卸載過程中的應力-應變曲線。

循環加載次數的影響：取拉伸試樣1根，使用與時效實驗相同的拉伸設備和參數對試樣進行循環加載測試，循環50次，記錄試樣的加載和卸載過程中的應力-應變曲線。

加載應變的影響：取拉伸試樣4根，使用萬能拉伸試驗機（5943，Instron）以2 mm/min的加載速率分別將試樣拉伸至應變為3%、6%、8%、15%，然后以相同的速率進行卸載，記錄試樣加載和卸載過程中的應力-應變曲線。

加載速率的影響：取拉伸試樣4根，使用萬能拉伸試驗機（5943，Instron）分別以2、4、8、15 mm/min的加載速率將試樣拉伸至應變為6%，然后分別以相同的速率度進行卸載，記錄試樣加載和卸載過程中的應力-應變曲線。

1.2.2 永久變形量的表征方法

圖2為鎳鈦材料在高于相變溫度 Af下進行拉伸測試時永久變形量的表示方法。由圖2可知，當鎳鈦試樣拉伸至超過其胡克彈性極限時，在一個臨界應力處有一個明顯的“屈服”，表示應力誘導奧氏體開始向馬氏體轉變。隨著應力的增大，馬氏體含量增多，加載平臺應力保持不變，直至奧氏體完全轉變為馬氏體。當應力移除后，馬氏體立刻發生彈性回復，在卸載應力平臺上向奧氏體轉變。通常情況下，鎳鈦材料的應變不會完全回復，而出現一個殘余應變，這個應變叫做永久變形量。

圖2 永久變形量的表示方法Fig.2 Expression method of permanent set

2 結果與討論

2.1 時效溫度和時間對永久變形量的影響

圖3是經不同溫度（360、410、460、510、560 ℃）和不同時間（5、10、15 min）時效處理的試樣在進行拉伸至應變達到6%時的滯后應力和永久變形量曲線。其中，滯后的應力是加載平臺應力與卸載平臺應力之差，是由微結構摩擦效應產生的。在較小的拉伸應變下（通常≤8%），鎳鈦材料的永久變形量主要由滯后的應力引起，滯后的應力越大，永久變形量越大。

由圖3可知，當時效溫度升高至460 ℃，滯后的應力增大而使試樣的永久變形量增大；但當時效溫度繼續增加至560 ℃，滯后的應力變小而使試樣的永久變形量減小。此外，在相同的時效溫度下，隨著時效時間的延長，滯后的應力增大而使試樣的永久變形量增大。在時效處理時間為5 min和15 min時，經不同時效溫度處理的試樣的永久變形量差異不大，基本都在0.500%以內；然而，在460 ℃下時效時間延長至30 min時，試樣的永久變形量得到大幅增加，達到3.350%。

圖3 時效溫度和時效時間對滯后的應力和永久變形量的影響Fig.3 Effect of aging temperature and aging time on hysteretic stress and permanent set

時效溫度為360～460 ℃有富鎳相Ti11Ni14析出，其含量隨溫度的升高而增多，使母相中的鎳含量逐漸減少，相變溫度Af增大而使滯后的應力增大[9]，造成試樣的永久變形量增大；隨著時效溫度從460 ℃繼續升高至560 ℃，析出相Ti11Ni14逐漸溶解，相變溫度Af降低而使滯后的應力減小[9]，從而使試樣的永久變形量減小。因此，短時低溫時效處理易于獲得較好的超彈性和較強的耐應力永久變形能力。

2.2 循環加載次數對永久變形量的影響

圖4是試樣在6%應變下循環加載50次的應力-應變曲線。圖4(b)中，ε1、ε2、ε3、ε4、...、ε50分別為第1、2、3、4、…、50次的永久變形量，分別為第1、2、3、4、…、50次的累積永久變形量。圖5為循環加載1～50次的永久變形量和累積永久變形量。由圖4(b)和圖5可知，隨著循環加載次數的增加，試樣的永久變形量逐漸減小，其累積永久變形量逐漸增大，直至循環加載達到45次后，試樣的永久變形量和累積永久變形量基本趨于穩定。隨著循環加載次數的增加，應力誘發馬氏體相變的臨界應力（加載平臺應力）減小，而逆相變的臨界應力（卸載平臺應力）基本保持不變，導致滯后的應力下降，從而使永久變形量逐漸減小。因此，在實際工程應用中，如血管支架，若要保持支架制造尺寸的穩定性，在制造過程中應盡量避免或減少支架反復變形的次數；若要保證支架在脈動應變下的疲勞壽命，應在支架的結構和尺寸設計時充分考慮循環脈動應變的影響。

圖4 循環加載次數對永久變形量的影響Fig.4 Effect of cyclic loading number on permanent set

圖5 循環加載1～50次的永久變形量和累積永久變形量Fig.5 Permanent set and cumulative permanent set after cyclic loading for 1-50 times

2.3 加載應變對永久變形量的影響

圖6 是試樣分別在加載3%、6%、8%、15%的應變下的應力-應變曲線，產生的永久變形量分別為0.038%、0.042%、0.072%和8.350%。由圖6可看出，加載8%以內的應變時試樣的永久變形量都很小（低于0.100%）；但隨著應變增大至15%時，試樣的永久變形量增大到8.350%。這主要與不同階段的變形機制有關。在第I階段（應變0～1.2%），變形機制是母相的彈性變形；在第II階段（應變1.2%～6.2%），變形機制為應力誘發馬氏體相變，同時伴有微小的塑性變形；在第III階段（應變6.2%～8.6%），變形機制主要為應力誘發馬氏體的再取向與塑性變形；在第IV階段（應變>8.6%），變形機制為再取向馬氏體的塑性變形。由此可知，隨著拉伸應變由階段I發展到階段IV，試樣的變形機制逐漸向馬氏體的塑性變形機制轉變，永久變形量逐漸增大。因此，在實際工程應用中，如血管支架，在設計時應考慮支架能夠暴露在一定的脈動應變下而不產生較大的永久變形量。

圖6 不同加載應變下的應力-應變曲線Fig.6 Strain-stress curves under different loading strains

2.4 加載速率對永久變形量的影響

圖7 是試樣在不同加載速率下（2、4、8、15 mm/min）拉伸至6%的應變后再卸載的應力-應變曲線，產生的永久變形量分別為0.059%、0.038%、0.053%和0.130%。由圖7可看出，隨著加載速率的增加，試樣的永久變形量增大。將加載速率轉換為“應變/時間”后分別為9.5%/min、19.0%/min、38.0%/min和70.0%/min。當加載速率超過10.0%/min時，馬氏體與母相之間的界面沒有足夠的時間釋放由界面運動所產生的應力，導致加載速率越大，應力誘發馬氏體相變的臨界應力（加載平臺應力）越高，卸載過程中逆相變的臨界應力（卸載平臺應力）越低[10]，造成滯后的應力增大而使永久變形量增大。此外，試樣的永久變形量都較小（小于0.5%），這主要是因為試樣的加載應變較小（小于6.0%）時，變形機制主要是應力誘發馬氏體相變。因此，在實際工程應用中，如血管支架，在設計時應考慮支架需要在一定的脈動頻率下保持所需的疲勞壽命。

圖7 不同加載速率下的應力-應變曲線Fig.7 Strain-stress curves under different loading rates

2.5 對比分析

表2總結了時效溫度、時效時間、加載次數、加載應變及加載速率對鎳鈦材料永久變形量的影響，并對比了以上參數的極限條件下（如表2中的粗體部分）的最大永久變形量，以分析影響鎳鈦材料永久塑性變形量的主要因素。由表2可知，對永久變形量影響較大的因素分別是時效溫度、時效時間和加載應變（產生的永久變形量分別為3.350%和8.350%），這主要由鎳鈦材料的變形機制所決定。當調整時效溫度和時效時間增加鎳鈦材料的相變溫度Af時，其永久變形機制為應力滯后；當不斷對材料進行加載（即，增加加載應變），直至進入馬氏體的塑性變形階段時，其永久變形機制為塑性變形。雖然加載次數和加載速率對永久變形量也有一定的影響，但只要其加載應變控制在6%以內，其永久變形量均不超過0.5%。

表2 極限參數條件下的永久變形量Tab.2 Permanent sets under limit parameter conditions

3 結 論

（1）經過5 min和15 min時效處理的試樣的永久變形量較小（<0.500%），并且在不同時效溫度下的變形量差別不大；但在460 ℃時效處理30 min時，試樣的永久變形量增加到3.350%。

（2）隨著加載次數的增加，試樣的永久變形量逐漸減小，其累積永久變形量逐漸增大，直至循環加載達到45次后，永久變形量和累積永久變形量均趨于穩定。

（3）當加載應變不超過8%時，試樣的永久變形量較小（<0.100%）；但隨著應變增大至15%時，試樣的永久變形量增加到8.350%。

（4）隨著加載速率的增大，試樣的永久變形量增大。

（5）對永久變形量影響較大的因素分別是時效溫度、時效時間和加載時的應變。