背景简介

用于人体的长寿命植入物需要使用具有低毒性、足够的机械强度以及耐腐蚀和循环负载这几个特点的材料，工业纯Ti由于其低毒性而被广泛用于生物医学领域，例如用于牙科植入物。工业纯Ti的疲劳寿命不仅受纯度的影响，还受材料强化程度的影响。考虑到超细晶粒（Ultrafine-grained，UFG）材料在工程和医学实践中的巨大潜力，研究其强度和疲劳性能一直是该领域的热点。

本文给出了两种剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation，SPD）方法处理2级和4级Ti (Ti 2, Ti 4)的疲劳寿命改善的试验结果和讨论，重点比较了经典SPD方法和Conform SPD方法提高疲劳寿命的结果。根据材料微观结构的疲劳裂纹萌生机理，讨论了通过试验确定的疲劳寿命和疲劳极限的差异。

成果介绍

（1）拉伸试验的结果如表1所示，比较了Ti 2和Ti 4在CG和UFG状态下的机械性能。晶粒细化导致Ti 2和Ti 4的抗拉强度显著提高，与Ti 2相比，Ti 4拉伸强度的增强并不显著。UFG Ti 2和Ti 4拉伸性能的比较表明，Ti 2具有比Ti 4更好的性能，与CG态的现象相反。

表1 Ti 2、4在粗晶粒（CG）和超细晶粒（UFG）状态下的力学性能

（2）具有较高屈服应力和拉伸强度的CG Ti4表现出比CG Ti2更好的抗疲劳性能，即在给定的应力幅下，寿命更高。CG Ti 2的疲劳极限为300 MPa，而CG Ti 4的疲劳极限则为390 MPa。此时试样已达到或超过107次循环的寿命，并且低于该应力幅的条件下在107次循环后不再发生断裂。（图2）

晶粒细化能增强疲劳性能。Conform SPD法处理的Ti 2在450MPa的应力幅下，寿命增加了三个数量级，疲劳极限从300MPa增加到400MPa。在Ti 4材料上应用传统的ECAP方法能够提高其疲劳寿命，但是提升不如在Ti 2情况下显著。

图1 Ti 2、4在粗晶粒（CG）和超细晶粒（UFG）状态下的疲劳寿命（箭头标记为未失效试样

（3）对测试的CG和UFG Ti 2试样的整个抛光和轻微蚀刻标距长度进行了SEM分析，并未发现任何迹象表明表面上的循环塑性变形存在滑移痕迹或早期裂纹。对在400-600 MPa的应力幅区间内测试的UFG Ti 4试样进行了相同的观察，疲劳裂纹仅在试样表面产生。

在CG Ti 4中观察到完全不同的行为，图2a显示了在400MPa的应力幅下断裂试样的抛光和轻微蚀刻的表面，试样表面可见许多箭头所示的小裂纹。此外，由于循环塑性变形过程中的晶粒旋转，导致晶粒结构弱化。随着应力幅值的增加，裂纹的数量增加。裂纹萌生并在早期阶段沿着晶界传播，如图2b和c中白色箭头所示。随着应力幅值的增加，也观察到一定数量的裂纹在晶粒中萌生和传播，如图中黑色箭头所示。

图2 疲劳断裂后CG Ti 4的表面；a) σ_a = 400 MPa, N_f = 35170，表面抛光；b) σ_a = 425 MPa, N_f = 37620，表面蚀刻；c) σ_a = 550 MPa, N_f = 1950，表面蚀刻

（4）对两种材料牌号和状态的断裂试样表面的观察表明疲劳裂纹仅在试样表面产生，这适用于所施加的全部范围的应力幅。裂纹萌生区域的断裂表面的特征如图3所示，两种UFG材料（图3b和d）都表现出比CG材料（图3a和c）更光滑的断裂表面。除了CG Ti 4外，表面的特征对应于从试样表面开始的早期裂纹的穿晶扩展，CG Ti 4的断裂表面呈现出裂纹的晶间扩展和穿晶扩展的混合。

图3 疲劳裂纹萌生区域的特征断裂面；a) CG Ti 2, σ_a = 350 MPa, N_f = 11326；b) UFG Ti 2, σ_a = 550 MPa, N_f = 78450；c) CG Ti 4, σ_a = 400 MPa, N_f = 35170；d) UFG Ti 4, σ_a = 500 MPa, N_f = 54904

致谢

本文是在捷克共和国技术局在国家能力中心计划内共同创建的国家机电一体化和智能机械工程技术能力中心TN02000010项目的支持下进行。本文通讯作者：Stanislava Fintová（Institute of Physics of Materials, Czech Academy of Sciences, Žižkova 22, 616 00 Brno, Czech Republic）。

本期小编：姚辰霖（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

高　欣（发布）