朱紹珍 ，王 杰

（1.西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201；2.西部金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201；3.沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110136）

0 引言

近等原子比鎳鈦形狀記憶合金（簡稱鎳鈦合金）廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域[1?2]。近年來，復(fù)雜精準(zhǔn)的微創(chuàng)介入醫(yī)療對儀器和耗材提出了更精確可靠的要求，為鎳鈦合金在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的機(jī)遇[3]。其中，采用激光切割鎳鈦合金細(xì)徑薄壁管材制備的血管支架具有較高的強(qiáng)度和徑向支撐力以及特殊的形狀恢復(fù)能力，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[4]。

鎳鈦合金室溫變形抗力大，加工硬化速率快，合金管材在冷加工過程中易開裂，因此醫(yī)用鎳鈦合金細(xì)徑薄壁管材的制備一直是塑性加工領(lǐng)域的難點[5?6]。溫軋是指在介于冷軋與熱軋之間的溫度范圍內(nèi)對金屬進(jìn)行塑性變形，兼具冷軋和熱軋的優(yōu)點，具有顯著的工藝優(yōu)勢。目前，管材溫軋已經(jīng)成功應(yīng)用于小規(guī)格難變形的鉬管和鈦管[7]的制備。因此，采用溫軋方法制備鎳鈦合金細(xì)徑薄壁管材在理論上是可行的。

加工參數(shù)對鎳鈦合金的組織及性能具有重要影響，深入了解合金在不同變形參數(shù)下的變形行為，對于合理設(shè)計加工工藝參數(shù)，實現(xiàn)其變形過程的精準(zhǔn)控制具有重要意義。受軋機(jī)軋輥和芯棒耐熱性能的限制，目前管材溫軋的軋制溫度一般在773～1 073 K，但是目前針對鎳鈦合金變形行為的研究大多集中在973 K 及以上的溫度范圍。Morakabati 等[8]研究了973～1 373 K 溫度范圍鎳鈦合金的熱變形行為，并建立合金的熱加工圖。Shamsolhodaei 等[9]分別采用修正的Zerilli-Armstrong 模型和Arrhenius 模型描述鎳鈦合金在973～1 373 K 溫度范圍內(nèi)的流變行為。Mirzadeh 等[10]分析鎳鈦合金在973～1 273 K 溫度范圍的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，確定了合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)力。此外，針對鎳鈦合金在1 073 K 以下的微觀組織研究較少，特別是合金在973 K 溫度以下變形的微觀組織研究報道極少。

為了補(bǔ)充合金在溫變形過程中數(shù)據(jù)參數(shù)，為合理制定合金細(xì)徑薄壁管材的溫軋工藝參數(shù)提供理論參考。筆者采用熱模擬機(jī)對鎳鈦合金進(jìn)行壓縮試驗，研究其在應(yīng)變速率0.001～1 s?1和變形溫度773～1 073 K 條件下的溫變形行為，建立其變形過程中的本構(gòu)關(guān)系，分析其微觀組織演變過程。

1 試驗材料及方法

試驗所用醫(yī)用鎳鈦合金棒材的化學(xué)成分如表1所示。熱壓縮應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1 s?1和1 s?1，變形溫度為773、873、973 K 和1 073 K，壓縮變形量為0.5。試驗設(shè)備為Gleeble-3800 熱模擬試驗機(jī)。將熱壓縮后的樣品沿壓縮軸線方向剖開，之后將剖面研磨、拋光和腐蝕，腐蝕劑配比為1 mL氫氟酸、4 mL 硝酸和5 mL 水，采用金相顯微鏡對樣品的微觀組織進(jìn)行分析。

表1 鎳鈦合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the Ni-Ti alloy %

2 結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

鎳鈦合金壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1 可見，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力先急劇增大并達(dá)到峰值（即為峰值應(yīng)力），之后應(yīng)力又逐漸減小，最后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨變形溫度的提高而變小。變形溫度越高，原子熱振動及擴(kuò)散速率增加，位錯的攀移、滑移和重排更加容易，更易發(fā)生動態(tài)軟化過程[11]。變形溫度一定時，除了變形溫度為773 K 時的情況，其它參數(shù)下的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變速率的提高而增大。應(yīng)變速率越大，在相同的位錯增值積累條件下，合金發(fā)生動態(tài)軟化的時間減少，造成峰值應(yīng)力的增加和軟化階段的推遲。值得注意的是，當(dāng)變形溫度為773 K，應(yīng)變速率從0.1 s?1提高到1 s?1，峰值應(yīng)力從884 MPa 減小到880 MPa，峰值應(yīng)變從0.29 減小到0.16，這可能是由于在高應(yīng)變速率（1 s?1）的變形條件下，合金內(nèi)部塑性變形產(chǎn)生的熱量不能及時耗散至壓頭及周圍環(huán)境中，造成合金內(nèi)部局部溫度過高，促進(jìn)合金動態(tài)軟化過程，引發(fā)局部塑性變形，進(jìn)而降低峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變[12?13]。而在低應(yīng)變速率（小于1 s?1）的變形條件下，變形時間較長，大部分的變形熱能夠通過對流和輻射來耗散，試樣溫度相對更均勻[14]。

圖1 鎳鈦合金壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of Ni-Ti alloy obtained by compression tests

2.2 本構(gòu)關(guān)系分析

本構(gòu)方程對確定合金合適的加工參數(shù)具有重要意義。在合金的熱變形過程中，按應(yīng)力水平的不同，描述變形參數(shù)對合金的流變應(yīng)力影響規(guī)律的方程如下所示：

其中，公式（1）為適用于低應(yīng)力水平的冪指數(shù)函數(shù)，公式（2）為適用于高應(yīng)力水平的指數(shù)函數(shù)，而公式（3）為適用于整個應(yīng)力范圍的雙曲正弦函數(shù)。公式中T為變形溫度，Q為變形激活能，σ為流變應(yīng)力，為應(yīng)變速率，R為理想氣體常數(shù)，A1、A2、A3、α、β、n和n1為材料常數(shù)，且α=β/n1。在合金熱壓縮過程中，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力和峰值應(yīng)力為確定加工工藝的重要參數(shù)，但是由于穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲得，因此一般采用峰值應(yīng)力σP來描述流變應(yīng)力。

為了計算材料常數(shù)與變形激活能，分別將公式（1）、公式（2）和公式（3）取對數(shù)得到下式：

圖2 熱壓縮過程中變形參數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationships among deformation parameters during hot compression

對公式（6）求偏微分獲得變形激活能Q的表達(dá)式為：

根據(jù)圖3 中l(wèi)n[sinh(ασP)]–T和ln[sinh(ασP)]-ln的關(guān)系可得合金在變形溫度為773～1 073 K 和應(yīng)變速率為0.001～1 s?1下變形激活能Q=267.98 kJ/mol。

為了能夠綜合考慮變形參數(shù)對塑性變形過程的影響，引入Z參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

對式（8）兩邊取對數(shù)，可得：

圖3 為Z參數(shù)與ln[sinh(ασP)]之間的關(guān)系曲線，其截距為30.92，即A=2.68×1013，可以得到鎳鈦合金在773～1 073 K 的溫度范圍內(nèi)熱變形本構(gòu)方程為:

圖3 lnZ 與ln[sinh(ασP)]的關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between lnZ and ln[sinh(ασP)]

2.3 合金熱壓縮變形后的微觀組織

圖4～7 分別為合金在773、873、973 K 和1 073 K變形溫度下壓縮變形后的顯微組織。由圖可見，不同參數(shù)下變形后的微觀組織存在明顯差異，當(dāng)變形溫度為773 K 和873 K 時，合金在高應(yīng)變速率（1 s?1）和低應(yīng)變速率（0.001 s?1）下變形時，原始晶粒在軸向壓力作用下均被拉長，其組織呈纖維狀特征，軟化機(jī)制以動態(tài)回復(fù)為主。當(dāng)變形溫度增加到973 K 時，在高應(yīng)變速率（0.1 s?1和1 s?1）條件下，合金仍具有纖維狀組織，當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s?1時，原始晶粒晶界出現(xiàn)明顯的凸出特性，形成明顯的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，這是由于原始晶粒晶界兩側(cè)在變形過程中位錯密度不同，這種差異會導(dǎo)致位錯密度低的區(qū)域向位錯密度高的區(qū)域凸出，晶界掃過的區(qū)域儲存能全部釋放，成為再結(jié)晶晶核，此時合金開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶過程。當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s?1時，可在原始晶粒的晶界處觀察到大量再結(jié)晶晶粒，該條件下軟化機(jī)制主要為動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)變形溫度增加到1 073 K 時，合金在低應(yīng)變速率（0.001 s?1和0.01 s?1）條件下變形后，纖維狀組織完全消失，整個變形組織已經(jīng)被細(xì)小均勻的等軸晶取代，表明合金發(fā)生了完全的動態(tài)再結(jié)晶。

圖4 合金在773 K 下變形后的顯微組織Fig.4 Microstructures of alloy deformed at 773 K

圖5 合金在873 K 下變形后的顯微組織Fig.5 Microstructures of alloy deformed at 873 K

圖6 合金在973 K 下變形后的顯微組織Fig.6 Microstructures of alloy deformed at 973 K

圖7 合金在1 073 K 下變形后的顯微組織Fig.7 Microstructures of alloy deformed at 1 073 K

動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是兩個互相競爭的過程，而這兩個過程又與變形參數(shù)密切相關(guān)，鎳鈦合金在何種變形參數(shù)下發(fā)生動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶目前仍未有量化依據(jù)，大多數(shù)研究仍以簡單描述為主，為了揭示其中關(guān)系，本文引入Z參數(shù)來表述變形溫度和應(yīng)變速率對鎳鈦合金塑性變形過程的影響[15]。根據(jù)上文中的公式（8）計算不同變形參數(shù)下的lnZ值，結(jié)果如圖8 所示。結(jié)合合金壓縮變形后的顯微組織可以看出，在本試驗條件下，當(dāng)30≤lnZ≤42 時，合金發(fā)生動態(tài)回復(fù)，當(dāng)23≤lnZ≤26 時，合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

圖8 lnZ 與變形參數(shù)之間的關(guān)系Fig.8 Relationships between lnZ and deformation parameters

2.4 熱加工圖構(gòu)建與分析

基于動態(tài)材料模型繪制合金在塑性變形過程中的加工圖能對其加工性進(jìn)行評估，為制定加工參數(shù)避免加工缺陷提供理論依據(jù)[16]。

根據(jù)動態(tài)材料模型，功率耗散效率η可以表征能量耗散特征與微觀組織之間的關(guān)系，其表達(dá)式如下：

式中，m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，其表達(dá)式如下：

功率耗散效率隨變形參數(shù)的變化構(gòu)成功率耗散圖。功率耗散效率值越大并不完全意味著合金熱加工性越好，還需結(jié)合失穩(wěn)判據(jù)來分析。目前多數(shù)學(xué)者采用的是Prasad 建立的不穩(wěn)定性判據(jù)，其失穩(wěn)判據(jù)表達(dá)式為[17?18]：

流變失穩(wěn)參數(shù)與變形溫度、應(yīng)變速率之間的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)成了流變失穩(wěn)圖，用于預(yù)測合金在變形過程中的流變失穩(wěn)區(qū)域。將功率耗散圖與流變失穩(wěn)圖疊加就得到加工圖。

圖9 為鎳鈦合金在不同應(yīng)變下的加工圖，圖中等值輪廓線上的數(shù)值是功率耗散效率η，陰影區(qū)域（即ξ<0 的區(qū)域）為發(fā)生流動失穩(wěn)區(qū)域。一般來講，較高的η值說明合金具有較好的加工性能，兩種應(yīng)變下的高η值均分布于中高變形溫度和中低應(yīng)變速率的范圍內(nèi)，結(jié)合上文中合金的變形組織圖片，變形參數(shù)處于該區(qū)域時，合金易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。此外，從圖9 還可以看出，熱壓縮的失穩(wěn)區(qū)主要集中在高應(yīng)變速率和低變形溫度的區(qū)域內(nèi)，此變形參數(shù)范圍內(nèi)，塑性變形過程中產(chǎn)生的熱量不能及時耗散，導(dǎo)致局部溫升過大，造成嚴(yán)重的局部塑性變形，從而造成樣品失效。此外，隨著應(yīng)變的增加，合金的變形失穩(wěn)區(qū)域逐漸擴(kuò)大。根據(jù)以上分析，結(jié)合合金熱加工圖及其變形組織，為了獲得更好的變形組織，合金應(yīng)在較低的應(yīng)變速率和較高的變形溫度下進(jìn)行塑性加工，建議的塑性加工參數(shù)為變形溫度為935～1 045 K、應(yīng)變速率為0.001～0.004 s?1和變形溫度為1 045～1 073 K、應(yīng)變速率為0.003～0.03 s?1的兩個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行塑性加工，保證合金具有較高的功率耗散效率和細(xì)小的再結(jié)晶組織。

圖9 鎳鈦合金在不同應(yīng)變下的加工圖Fig.9 Processing maps of the Ni-Ti alloy under different strains

3 結(jié)論

1）基于雙曲正弦函數(shù)模型建立了鎳鈦合金在應(yīng)變速率0.001～1 s?1和變形溫度773～1 073 K范圍內(nèi)的本構(gòu)方程為：=2.68×1013[sinh(0.00256σp)]8.803exp(?267 980/RT) 。

2）鎳鈦合金的組織對加工參數(shù)較為敏感，當(dāng)變形溫度為773 K 和873 K 時，合金組織呈纖維狀特征。當(dāng)變形溫度增加到973 K 時，在應(yīng)變速率為0.01 s?1時，合金開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶過程。當(dāng)變形溫度增加到1 073 K 時，合金在低應(yīng)變速率（0.001 s?1和0.01 s?1）條件下變形后，變形組織為細(xì)小均勻的等軸晶，合金發(fā)生完全的動態(tài)再結(jié)晶。

3）結(jié)合合金的熱加工圖和微觀組織分析結(jié)果，合金在較低應(yīng)變速率和較高溫度下變形時具有良好的塑性變形能力和和細(xì)小的再結(jié)晶組織，建議的塑性加工參數(shù)為變形溫度為935～1 045 K、應(yīng)變速率為0.001～0.004 s?1和變形溫度為1 045～1 073 K、應(yīng)變速率為0.003～0.03 s?1的兩個區(qū)域。