镍钛合金疲劳性能研究

何子淑

(贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008)

0 引言

记忆效应是镍钛合金(又名记忆合金)特有的性能[1]。随着科学技术的发展，镍钛合金因其特有的形状性，在工业等领域的应用越来越广泛。为保证镍钛合金产品的安全使用，尤其在医学领域，需要在产品植入人体前预知镍钛合金产品使用的寿命，以便能根据病人的年龄结构判定是否有必要采用镍钛合金产品助于治疗。因此镍钛合金的力学性能研究尤为重要。

1 实验方法

1.1 试样

本实验分别采用了马氏体型和奥氏体型镍钛合金。热处理工艺均为：退火态。材料的常规力学性能见表1。

表1 试样材料力学性能

试验采用单边缺口拉伸(SENT)试样，见图1。选择SENT试样为短裂纹试样是为了在材料的缺陷或不连续处产生自然萌生的裂纹。试样的半圆形缺口使得容易对缺口表面作观察，从而便于利用复型技术对裂纹进行跟踪。

图1 裂纹试样形状及尺寸

1.2 试验方法

本次试验分别对两疲劳试样进行试验：

(1)试样1：R=1，σmax=135 Mpa，T=20 ℃；

(2)试样2：R=1，σmax=135 Mpa，T=20 ℃

本文将在显微镜下观察疲劳裂纹的萌生与扩展过程，并在适当的情况下采用复型方法做辅助。即在拉压动作循环到一定的时候，停止加载，另加小于最大试验力的80%的静力，目的是让裂纹处于非闭合状态，再用丙酮擦洗试样表面，并将适量丙酮滴在擦洗后的试样表面，取一张小而薄的醋酸纤维素薄膜(又称AC膜)覆盖试样表面，并轻轻压实，使其紧贴试样表面，覆膜后可以等一定的时间，使膜稍微干燥后，小心取下，将其放到显微镜下观察复型AC膜并测量裂纹长度，记下裂纹长度与相应的循环数。按照这样的步骤反复试验，间隔性的覆膜观察，每次覆膜的间隔时间依据疲劳过程而定，但是至少保证一个试样在试验的整个过程中至少要25～30个复型。利用割线法计算出裂纹扩展速率da/dN，并按照记录的数据画出a-N和da/dN曲线，比较分析不同相组织的疲劳裂纹萌生与扩展规律。计算过程及修正方法按照相应的程序进行[2]。

2 试验结果与讨论

2.1 疲劳裂纹的扩展速率

经数据处理所得到的结果如图2和图3所示。

图2 平均裂纹长度a随循环比N/Nf的变化曲线

可以看出：奥氏体型镍钛合金扩展速率要比马氏体型扩展速率快。原因是奥氏体型的镍钛合金晶粒比较粗大，晶界比较少，裂纹扩展的阻力小，扩展速率就快。

图3 不同相组织的da/dN-ΔK曲线图

2.2 疲劳裂纹的萌生和扩展形态

由复型得到的表面裂纹形态图4，可看出马氏体型裂纹扩展基本是多裂纹扩展，原因是马氏体型镍钛合金晶粒比较细，晶界多，裂纹萌生的机会就大，但是扩展过程中，晶界又会阻挡裂纹的长大，所以在断口处出现多裂纹萌生及扩展现象。

3 结语

本文采用单边光滑缺口试样，在常温下进行了疲劳裂纹试验，利用复型法跟踪记录了缺口表面裂纹数，并记录裂纹的长度和位置。观察分析同一载荷下不同组织状态的镍钛合金疲劳裂纹的演化规律如下：(1)相同载荷下的常温奥氏体型镍钛合金疲劳裂纹扩展速率比较快。(2)相同载荷下的常温马氏体型镍钛合金疲劳裂纹多表现为多裂纹萌生与扩展。

图4 马氏体型裂纹的形态图