文摘

分离式霍普金森压杆是用来研究生物医学316 l不锈钢的动态力学性能下应变率从1×10³年代⁻¹5×10³年代⁻¹和温度之间和。结果表明,流动应力,加工硬化速率、应变速率敏感性,和热活化能都极大地依赖于应变、应变率和温度。恒定的温度,流动应力,加工硬化率和应变率敏感性随应变速率增加而增加,而热活化能降低。发生灾难性故障的标本变形的应变率5×10³年代⁻¹和温度的或。扫描电镜观察表明,标本在韧性剪切断裂模式。光学显微镜分析表明,滑带内谷物数量的增加与应变率增加。此外,变形的动态再结晶组织标本中观察到的最高温度进行了测试。

1。介绍

316 l奥氏体不锈钢有一系列的有利的力学性能,包括良好的耐腐蚀、高强度在高温下,良好的韧性,良好的可焊性(1,2]。结果,他们被用于各种各样的应用程序在核、化学和航空航天工业公司(3- - - - - -5]。除了出色的机械性能,316 l不锈钢合金还具有良好的生物相容性,因此理想的医疗工具和外科植入材料(6]。虽然316 l SS的准静态力学性能吸引了大量的关注(7- - - - - -12),相对较少的信息可以对高应变率下的动态力学行为和温度。尽管如此,316 l不锈钢组件通常经验广泛的应变率和温度在制造和/或服务生活。因此,为了确保这些部件的机械完整性,需要检查的动态变形和断裂行为316 l不锈钢合金在广泛的温度和应变率。

大多数工程材料的高应变率力学性能明显不同于在准静态条件下观察到的。例如,在准静态加载下,断裂机制是由韧性或脆弱的模式,而在冲击荷载下,试样断裂主要是由于绝热剪切带的形成由于塑性流动的本地化。绝热剪切带的形成一直得到广泛的研究(13- - - - - -16]。总的来说,结果表明,剪切带的形成是敏感,应变速率和变形温度。

内的流动应力诱导变形材料也依赖于应变率和温度。具体来说,流动应力随应变率不断增加,但随温度增加。高应变率力学性能的结构材料通常评估使用分离式霍普金森压杆(SHPB) [17,18]。不同的变形行为观察在不同的应变率和温度已被各种由于位错阻尼(19),热激活(20.),位错一代(21),等等。然而,变形机制和动态行为之间的相关性高应变率和温度下的316 l SS尚未报道。因此,本研究利用压缩SHPB系统探讨动态力学行为的316 l不锈钢在应变率从1×10³年代⁻¹5×10³年代⁻¹和温度25°C到800°C。316 l不锈钢试样的断裂机理是通过扫描电子显微镜(SEM)研究。此外,微观结构影响标本的观察使用光学显微镜(OM)。最后,相关性的macromechanical响应316 l SS标本及其微观结构演化研究和讨论。

2。样品制备和ExperimentalProcedure

的影响进行了测试使用商用316 l不锈钢的化学成分(wt. %)表所示1。收到基材料是冷拔杆直径13毫米和随后退火温度达到1000°C 50分钟为了释放在绘图过程中产生的残余应力。标本的长度毫米,直径7.2毫米从酒吧和加工完成最后一个直径通过centre-grinding mm的过程。使用一个SHPB动态的影响进行了测试系统1×10的应变率³年代⁻¹,3×10³年代⁻¹,5×10³年代⁻¹分别和温度25°C, 200°C, 400°C, 800°C。在每次测试中,样品被夹在SHPB的事件栏和发射机栏系统,然后事件栏是影响发射的前锋酒吧瓦斯枪(见图1)。

测试温度的200°C, 400°C, 800°C被拟合获得隧道式电炉面临结束的事件和发射机酒吧。提高测试温度诱导温度梯度沿两个压力棒的长度;引起的弹性模量的变化酒吧和压力脉冲的传播速度。因此,原始方程的应变,应变速率和应力形式由Chiddister和莫尔文的修改(22和当前的作者23]。(注意,实验过程的全部细节和分析技术用于建立的动态力学响应当前作者提出了影响标本的(24])。

标本进行显微结构的分析使用标准金相技术准备。绝热剪切带的成核和增长使用光学显微镜检查(200年Axiovert垫光学显微镜)。最后,观察骨折标本的表面使用范广达400 F扫描电子显微镜的操作电压30千伏。

3所示。结果与讨论

3.1。机械特性和真实应力-应变曲线

数据2(一个)- - - - - -2 (d)现在的316 l不锈钢试样的应力-应变曲线的函数的应变速率变形温度25°C, 200°C, 400°C,分别和800°C。一般来说,所有的值的数据显示,变形温度、流动应力取决于应变和应变率。具体来说,恒应变速率,增加流动应力逐渐增加压力,在恒定应变,流动应力随应变速率逐渐越来越增大。只是观察到这些标本变形在高应变率的5×10³年代⁻¹和温度25°C或200°C的骨折。换句话说,它是推断,316 l不锈钢合金具有良好的延性低应变率和高温条件下。

图3比较了实验获得的应力-应变曲线为当前的316 l不锈钢合金的应变速率1×10³年代⁻¹和25°C的温度曲线提出了目前集团在先前的研究生物医学钛合金25),unweldable Al-Sc合金(26),可焊Al-Sc合金(27],Al-Sc合金(28在广泛的等效荷载条件下)。可以看出,316 l不锈钢试样的流动应力最高的五合金0.4的真实应变。结果还表明,316 l不锈钢的力学性能优于Al-Sc合金;表明Al-Sc合金不太适合生物医学应用。而生物医学钛合金和316 l不锈钢有良好的生物相容性和强度特性,316 l不锈钢的可变形性和断裂性能优于生物医学钛合金(见图3)。此外,316 l SS是比生物医学钛合金便宜。因此,两种合金,316 l不锈钢更适合生物医学应用。

数据4(一)- - - - - -4 (d)现在的加工硬化率316 l不锈钢试样的应变率的函数在温度25°C, 200°C, 400°C,分别和800°C。为每个测试温度,结果表明,加工硬化速率恒定应变率随应变增大而减小,但随着应变率的增加而增加一个恒定的压力。此外,比较这四个数字,看到的是加工硬化率下降而增加温度恒定应变率和应变。从冶金的角度,加工硬化率反映了竞赛的结果加工硬化机制和thermal-softening机制之间的过程。一般来说,加工硬化效应引起的位错增殖,双胞胎的形成,和马氏体转变29日]。由于所涉及的短时间尺度动态加载,塑料工作所产生的热变形过程中有足够的时间消散。因此,发生局部温度上升;导致thermal-softening变形的材料(30.,31日]。有人指出thermal-softening效应观察在高温下可以将至少部分归因于马氏体形成的抑制。

表2表明五合金的加工硬化率如图30.1的真实应变,温度25°C,和一个类似的应变率。可以看出,目前的316 l不锈钢合金的加工硬化率高于Al-Sc合金(26- - - - - -28生物医学钛合金[]或25类似的加载条件下)。

3.2。应变率敏感性和热活化能

中给出的应力-应变曲线数据2(一个)- - - - - -2 (d)表明,316 l不锈钢合金的力学行为显著依赖于应变率。316 l不锈钢的应变率依赖标本可以调查策划流动应力对对数应变速率恒定压力。图5显示了流动应力的变化与对数应变率作为温度的函数在真正的0.1和0.3,分别。看到,流动应力急剧增加越来越应变率和越来越紧张。流动应力在较高应变率越高表明316 l SS的动态变形行为是由不同的速率控制机制在不同的应变率范围。一般来说,在一个给定的应变率效应温度可以通过下面的应变率敏感性量化参数(32]: 流的压力和得到的平均应变率影响测试吗和分别在相同的值和计算塑性应变。图6(一)显示目前的应变速率敏感性的变化316 l SS标本与真正的应变在不同温度和应变率。结果表明,应变速率敏感性应变和应变速率增加而增加,但随着温度增加而减小。表3表示各种合金的应变速率敏感性如图30.1的真实应变和温度25°C。发现的应变率范围1000 - 3000年代⁻¹,目前的316 l不锈钢合金应变率敏感比Al-Sc合金(27,28),但不太敏感的应变率比生物医学钛合金(25]。

一般来说,材料的应变速率敏感性指数代表的程度流动应力应变速率的影响。Al-Sc合金的应变速率敏感性较低相比,316 l不锈钢和生物医学钛合金意味着这种合金是不够坚固耐用承受高生理负荷期间服务生活。因此,它们不适合生物医学应用。表3表明,生物医学钛合金的应变率敏感性明显高于316 l SS。换句话说,生物医学钛合金流动应力的增加速度高于316年在动态加载条件下l SS。因此,强度不匹配之间发生人工植入物的生物医学Ti合金和周围的自然结构。总的来说,表中给出的结果3表明,316 l不锈钢是一种更合适的材料为生物医学应用程序由于其相对较低的应变速率敏感性,这反过来导致较低的植入物和周围结构强度不匹配。因此,316 l SS等生物医学应用程序适合骨,髋臼杯(人工髋关节的一半),和膝盖骨的替代品,以及螺丝,盘子,假体在牙科学和骨科应用程序。

316 l SS的塑性变形是热激活过程,可以用以下阿仑尼乌斯方程的形式表示(33]: 在哪里是频率因子,活化能,玻耳兹曼常数,是绝对温度。根据(34,35),可以推导出 在哪里是激活体积,可以获得36] 图6 (b)礼物的激活体积的结果现在316 l SS标本用应力-应变数据数据2(一个)- - - - - -2 (d)到(4)。(注意,激活体积数据恢复到正常水平³,b是汉堡的向量和的值为316年的2.58 l SS)。可以看出,不断的应变和应变速率,激活体积随温度增加而增大。然而,对于一个恒定的温度,激活体积随应变速率增加而减小。表4比较当前的激活体积316 l不锈钢合金与Al-Sc合金测试(26- - - - - -28)和生物医学钛合金测试(25]。请注意,在任何情况下,真正的应变等于0.1和温度= 25°C。看到的激活体积316 l SS高于生物医学钛合金,但低于Al-Sc合金。

图6 (c)情节的活化能的变化流动应力在真正的0.1和0.3菌株,分别。结果表明,流动应力增加,活化能降低。换句话说,活化能降低,移动混乱畸形的显微组织的能力克服短程障碍也会降低,因此流动应力增加。表5比较当前的最大活化能316 l不锈钢合金与unweldable Al-Sc合金(37和生物医学钛合金25]。看到,316 l不锈钢合金的最大活化能略低于生物医学的合金,但明显高于unweldable Al-Sc合金。

3.3。温度效应

在实践中,它几乎是不可能的测量温度上升()诱导在高应变率加载使用直接的实验方法。作为一个结果,通常是使用积分方程估计(38),密度(8.0克/厘米吗³),热容(500 J /公斤·K)),是压力,是应变区间。表6礼物的变化与真正的应变应变率和温度的函数。这是观察到,应变速率和应变增加而增加,但随着温度增加而减小。thermal-softening效应引起的局部温升可以通过以下温度敏感性量化参数(39]: 的压力和从温度进行测试了吗和,分别。如数据所示7(一)- - - - - -7 (c),316 l SS标本温度敏感性的增加显著增加温度。此外,对于一个恒定的温度和应变,温度敏感性随着应变率的增加而增加。因此,可以推断,应变rate-induced加强效应由thermal-softening抑制效应。这种抑制效应特别明显在较高应变率(5×10³年代⁻¹)和较高的温度(800°C)。

3.4。断裂表面的观察和显微结构的进化

在测试执行的影响在这项研究中,只有那些标本变形的应变率5×10³年代⁻¹和温度25°C或200°C遭受了灾难性的失败。数据8(一个)和8 (b)目前扫描电镜标本变形的显微图25°C和200°C,分别。两个断裂表面的特点是晶内dimple-like结构。因此,推断出这两个标本骨折的主要是由于局部剪切韧性模式。比较这两个数据,看到酒窝的密度随温度增加而增大。换句话说,316 l不锈钢的延性增加更高的温度。

图9提出了一种光学未变形的316 l不锈钢试样的显微照片。少量的退火双胞胎中观察到的谷物,这表明微结构的FCC结构。数据10 ()和10 (b)目前的光学显微镜图316 l SS标本变形温度25°C和应变率1×10³年代⁻¹和5×10³年代⁻¹,分别。图10 ()表明高应变率加载提示谷物中的滑移带的形成。指出,滑带内每个粮食直和并行,但面向不同的角度从邻近的谷物。观察图10 (b),看到滑脱带数量的增加随着应变率增加。类似的趋势在200°C的标本变形温度升高时,400°C,分别和800°C(见图10 (c)- - - - - -10 (h))。根据Fujita et al。40和酒井法子41),动态再结晶(或其他形式的恢复机制)通常发生在高温变形条件下。在当前影响测试,变形温度最高(800°C)超过50%的316 l不锈钢的熔点(1380°C)。因此,如图10 (h),样品的微观结构变形的应变率5×10³年代⁻¹和温度为800°C的动态再结晶在某些地区的迹象。

一般来说,目前的结果表明,流动应力在316年l SS随着应变率的增加而增加,但随着温度增加而减小。此外,微观结构的观察表明,滑带内单个颗粒数量的增加随着应变率增加或温度降低了。滑带作为阻碍位错运动,提高交互的混乱与周围滑带。因此,遇到的阻力由移动混乱增加在高应变率和低的温度下。这占观察到更高的应变率强化效应和较低温度图2。

4所示。结论

本研究检验了生物医学的动态力学性能下316 l SS应变率从1×10³年代⁻¹5×10³年代⁻¹和温度25°C到800°C。总的来说,结果表明,动态力学行为和316 l不锈钢显微组织演化的显著依赖于应变率和温度。应力-应变曲线表明,流动应力和加工硬化率随应变速率增加而增加,但随着温度降低。应变率敏感性随温度增加。相反,温度热活化能增加而增加,但随流动应力增加而减小。在高应变率加载条件下,发生显著的deformation-induced温度上升,导致热软化效应。所有的标本中,只有那些变形的应变率5×10³年代⁻¹和温度25°C或200°C遭受灾难性的失败。因此,推断,316 l不锈钢合金具有良好的高温低应变速率和加载条件下的延性。SEM观察结果表明,断裂表面的特点是穿晶dimple-like结构。换句话说,标本失败主要韧性模式。最后,显微结构的观察表明,变形组织的动态再结晶发生在测试标本在变形温度最高的800°C。

承认

作者欣然承认金融支持提供给这项研究由美国国家科学委员会(NSC)下的台湾批准号NSC - 006 - 020 99 - 2221 e。