研究β钛合金在生理盐水中的应力腐蚀开裂行为

2023/04/08

β钛合金以其无毒、耐腐蚀性强、与人体细胞组织的相容性好、不发生过敏反应、具有较高强度和较低的弹性模量等优点，常作为生物工程材料。在口腔医学、人工关节、心脏支架等方面均有巨大的应用潜力。然而，服役于人体环境的金属材料，不可避免地受到腐蚀介质和外加应力的共同作用。在力学-化学的交互作用下，材料易发生应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等失效行为。其中，应力腐蚀开裂是一种隐蔽性很强、危险性极高的失效形式。其特点是金属设备在较低的应力下发生脆性断裂，断裂前无任何征兆，极易引发灾难性事故。为保证β钛合金在人体中的服役安全，需对其应力腐蚀开裂行为进行研究。在金属材料学领域，利用扫描电镜观察材料的断口特征是揭示其应力腐蚀机制的重要手段之一。

 

 

实验材料选用挤压态Ti-12Mo单相β型钛合金，采用万能电子拉伸机在空气和0.9 % NaCl溶液（生理盐水）中对合金进行慢拉伸测试，应变速率为10-6/s。采用EM科特Cube-II扫描电镜 (SEM) 对溶液中失效的合金断口及断口侧面区域进行观察。

 

利用EM科特Cube-II扫描电镜可以对Ti-12Mo合金进行微观组织表征。由图1可知，该合金由单独的β晶粒组成，晶粒沿挤压方向 (ED) 呈现拉长特征，各个β晶粒间由晶界分隔。

 

表1为空气和生理盐水中Ti-12Mo合金的力学性能指标，可以看出，在生理盐水中，Ti-12Mo的强度和塑性损失率均很低，表明合金在生理盐水中几乎不存在应力腐蚀开裂风险。

表1 空气和生理盐水中Ti-12Mo合金的力学性能指标

环境	屈服强度σ0.2/MPa	抗拉强度UTS/MPa	延伸率ε/%	塑性损失率△ε/%
空气 生理盐水	1036 1022	1212 1205	8.1 8.0	- 1

利用EM科特Cube-II扫描电镜可以实现对Ti-12Mo合金的应力腐蚀失效分析，如图2所示。图2 (a) 和2 (b) 分别为溶液中失效样品断口侧面的二次电子 (SE) 和背散射 (BSE) 形貌。由图可知，合金断口侧面不存在明显腐蚀区域，多数二次裂纹萌生于晶界处，另有少部分裂纹萌生于晶粒内部的滑移带堆积处。

 

利用EM科特Cube-II扫描电镜还可以对Ti-12Mo合金的进行断口分析，如图3所示。图3 (a) 和3 (b) 分别为溶液中失效样品断口的SE 和BSE 形貌。合金的断口整体呈现“冰糖”状形貌，并存在大量沿晶裂纹，这是沿晶断裂的典型特征。此外，合金的断口上还存在一定数量的浅韧窝，这是部分晶粒内部发生了微孔聚集型断裂导致的。综上所述，Ti-12Mo合金在生理盐水中的应力腐蚀敏感性较弱，合金的断裂模式主要为沿晶断裂和微孔聚集型断裂。