β钛基形状记忆合金的相变和裂纹扩展过程原位观察及分析

New β Ti based shape memory alloys show an important potential as the implant materials due to their excellent superelasticity, good biocompatibility and non-toxicity to human body. A good deal insight into the crack propagation behavior under the alternating stress and effects of the martensitic transformation induced by the stress at the crack tip on it is crucial for optimizing the microstructure and prolonging usage life of β Ti based shape memory alloys. In this project, an in-situ measuring method, involving in both acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques, is proposed to investigate the crack propagation of a β Ti based shape memory alloy under the alternating stress. Through dynamic positioning the martensites and slip deformation zones at the crack tip during the crack propagating under the alternating via AE, monitoring in-situ the full strain field at the crack tip via DIC, the mechanism of the interaction between the crack propagation and the martensite transformation will be revealed. Moreover, a theoretical model for describing the crack propagation under the condition of the stress-martensite transformation-strain coupling will be suggested based on the elastic-plasticity theory. The outcomes from this research will provide the theoretical foundation and experimental data for the microstructure optimization and the life prediction of β Ti based shape memory alloys, which may promote the application in practice of the alloys.

新型β钛基形状记忆合金因具有对人体无潜在毒性、优异的超弹性和优良的生物相容性，作为植入体材料在生物医用领域有着极大的应用潜力。深入理解交变载荷下合金的裂纹扩展特性以及裂纹扩展与马氏体相变之间的交互作用规律，对优化β钛基形状记忆合金组织和提高合金使用寿命具有重要意义。本项目拟将声发射定位技术和数字图像相关技术应用于β钛基形状记忆合金疲劳失效过程研究，通过对该合金在交互作用下裂纹扩展过程中发生马氏体相变和塑性变形的区域动态定位以及裂纹尖端应变场动态演变实时观测与分析，揭示马氏体相变与裂纹扩展交互作用的微观机理；通过裂纹尖端应力场的模拟，建立交变载荷作用下裂纹尖端应力分布、马氏体相变场和塑性变形之间的关联，并提出应力-相变耦合条件下的裂纹扩展力学模型。本申请项目将为新型医用β钛基形状记忆合金的优化设计以及使用寿命预测提供实验和理论依据，促进新型β钛基形状记忆合金实用化。

深入理解交变载荷下合金的裂纹扩展特性以及裂纹扩展与马氏体相变之间的交互作用规律，对优化β钛基形状记忆合金组织和提高合金使用寿命具有重要意义。本项目将声发射定位技术和数字图像相关技术应用于β钛基形状记忆合金疲劳失效过程研究，通过对该合金在交互作用下裂纹扩展过程中发生马氏体相变和塑性变形的区域动态定位以及裂纹尖端应变场动态演变实时观测与分析，揭示了马氏体相变与裂纹扩展交互作用的微观机理；通过裂纹尖端应力场的模拟，建立了交变载荷作用下裂纹尖端应力分布、马氏体相变场和塑性变形之间的关联。主要研究结论如下：.(1) beta钛基形状记忆合金的疲劳变形特性。研究发现：相同的疲劳应力下，800 ℃退火处理后合金表现出比700 ℃处理后合金更高的疲劳寿命。其中，700 ℃退火处理后合金属于韧性断裂，800 ℃退火合金属于韧性和脆性断裂混合型断裂。疲劳变形过程中，合金依次析出α相和ω相。随着疲劳次数的增加，α和ω两相含量越来越高。合金发生了先软化后硬化现象。.(2) 疲劳载荷下beta钛基形状记忆合金马氏体相变和裂纹扩展交互作用。研究表明：700℃退火后合金的偏转角度要比800℃退火后合金的偏转角度大，α相的减少可以降低裂纹扩展速度，说明α相的减少可以提高疲劳寿命；预制裂纹尖端产生应力集中，宏观上表现为变形不均匀，马氏体相变发生在变形较大处，裂纹沿着变形较大处扩展，马氏体相变影响裂纹扩展。.(c) beta钛合金裂纹扩展过程中尖端微结构演化相场模拟。研究发现：在尖端处形核的马氏体变体会对裂纹尖端产生大的压应力，阻碍裂纹的进一步扩展。裂纹的存在对于马氏体的形貌也产生了很大的影响，致使最终马氏体连成一块，使得晶体内部的能量达到最小；带有裂纹的单晶体受到压应力后，马氏体开始转变的起始时间明显的缩短，相变时晶体的初始条件对于马氏体最终的形貌影响很小，边界条件起着至关的作用，马氏体相变的存在对裂纹的扩展具有一定的阻碍作用。