论文部分内容阅读
Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt.%)(Ti2448)合金是一种多功能亚稳β型钛合金,该合金具有高强度、低模量、低泊松比、无生物毒性等特点,在医学领域有良好的应用前景。同时,Ti2448合金在弹性变形时表现出约3%的超弹性和由弹性软化引起的特殊的非线性弹性变形行为;在塑性变形时表现出高度局域化的非均匀塑性变形行为,这种奇特的力学行为对合金的疲劳性能的影响尚不清楚。本文对热轧态Ti2448合金在不同应力比下的高周疲劳行为、疲劳缺口敏感性以及疲劳裂纹扩展行为进行了研究,同时分析了不同应变比下的低周疲劳行为。
研究发现:具有单一β相的热轧态Ti2448合金晶粒尺寸约为500-600nm,且部分晶粒中存在大量的亚晶界。在应力控制加载条件下(高周疲劳),热轧态Ti2448合金的疲劳强度和屈服强度比值与线弹性β钛合金Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)基本相近,大于易于出现应力诱发马氏体的Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn合金。合金的应力幅与平均应力之间的关系大致符合修正的Goodman模型。在应力控制加载条件下研究合金的疲劳缺口敏感性,可以看出,在不同的应变比条件下,Ti2448合金的缺口敏感性均较低,缺口敏感性受缺口形状约束较小。
在应变控制加载条件下(低周疲劳),与TNTZ合金相比,热轧态Ti2448合金具有较高的低周疲劳强度。合金的疲劳寿命曲线大致呈线性关系,其中弹性应变占外加总应变的绝大部分。合金的滞后回线呈现出明显的拉-压不对称性,即在拉伸时表现出非线性变形行为,在压缩时为近似线弹性变形行为。同时,TEM观察发现Ti2448合金在应变大于3%条件下的低周疲劳过程中出现了应力诱发α”马氏体相,且随着应变的增大,马氏体的数量有所增加。马氏体相的出现与ε相的形成存在竞争关系,外加载荷小于400MPa时,Ti2448合金中的亚稳β相呈弹性稳定状态。随着外加载荷的增加,β相会先转变为ε相而后转变为α”马氏体相。
Ti2448合金在三种应力比条件下,裂纹扩展速率明显低于纯钛和TC4合金,且不同应力比的da/dN~△K曲线基本相同。应力场分析可知裂纹顶端前缘绝大部分为弹性场,只有很小的塑性应变区作用于裂纹尖端。观察合金的裂纹扩展路径发现:裂纹产生分叉并向两侧扩展且明显偏离了名义扩展平面,形成了类似于台阶状的曲折路径。进一步用透射电镜分析发现Ti2448合金在裂纹扩展过程中在裂纹尖端前沿附近形成宽度约为500-600nm的由单β相组成的纳米带。该纳米带的形成有可能造成疲劳裂纹分又及曲折扩展。