非线性弹性形变钛合金疲劳裂纹扩展特性

在进行国家自然基金"Ti-Nb-Zr-Sn系超弹性低模量医用钛合金弹性行为"项目过程中，发现Ti-Nb-Zr-Sn合金具有非线性弹性形变行为，该形变行为导致其具有超弹性、低泊松比、低弹性模量等性能，在人体硬组织替代物等方面具有潜在应用前景。前期研究工作表明，与已有非线性弹性形变机制不同，晶格扭曲、位错环均匀成核和可逆运动等是该合金非线性弹性形变根源，这一特殊形变机制导致其疲劳裂纹扩展行为不同于常规线弹性形变材料，且无法用现有疲劳机制圆满解释。本项目拟在前期研究结果基础上，采用实验观察和有限元分析相结合的方法，研究应力比对疲劳裂纹扩展门槛值和扩展速率的影响；观察疲劳裂纹扩展过程中裂纹扩展方式及路径，裂纹尖端前缘附近区域在循环应力作用下的组织变化、位错和滑移带形成及组态演变，分析该区域应力应变场分布规律，建立该类非线性弹性形变钛合金疲劳裂纹扩展机制，为其实际工程应用提供一定的理论及实验依据。

Ti-24Nb-4Zr-8Sn（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。该合金具有特殊的非线性弹性变形行为，与已有非线性弹性形变机制不同，晶格扭曲、位错环均匀成核和可逆运动等是该合金非线性弹性形变根源，这一特殊形变机制导致其疲劳裂纹扩展行为不同于常规线弹性材料。本项目通过研究Ti2448合金应力、应变控制循环形变行为以及显微组织和位错等因素对其疲劳裂纹扩展行为的影响，探讨了这种奇特的力学行为对该合金疲劳裂纹扩展性能影响机制，主要研究结果包括：. 在应力控制加载条件下，Ti2448合金的疲劳强度和屈服强度比值与线弹性β钛合金Ti-30Nb-13Ta-5Zr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。在应变控制加载条件下，与常规线弹性形变合金相比，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。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omega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omega相而后转变为马氏体相。. Ti2448合金在疲劳裂纹扩展过程中，裂纹扩展路径出现明显分叉，同时明显偏离它的名义扩展平面，逐渐向垂直于加载方向偏转。裂纹前端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。疲劳裂纹在扩展过程的偏折主要由裂纹前端应力诱发的三维梯度弹性场造成。裂纹前端的应力越高，形成的梯度弹性场越大，裂纹扩展的偏折效果越明显。由于裂纹前端高度局域化的塑性变形行为，造成裂纹尖端形成一层厚度小于2微米的由单β相组成的梯度纳米层，该层的形成导致裂纹扩展过程中产生分叉。裂纹的偏折与分叉现象显著阻滞了疲劳裂纹的扩展，使Ti2448合金的裂纹扩展速率明显低于纯钛和TC4合金。以上结果表明具有非线性弹性变形合金的裂纹扩展前端能够形成应力诱发梯度弹性场，使其具有极佳的抗疲劳裂纹扩展性能。