ZEK100 镁合金多工况与预腐蚀下的棘轮行为

ZEK100 镁合金多工况与预腐蚀下的棘轮行为

背景与引言

棘轮（ratcheting）指材料在非对称应力循环——即平均应力不为零的循环——下塑性应变逐圈单向累积的现象。它与疲劳常被混为一谈，但二者指向不同：疲劳关心裂纹何时萌生与扩展，棘轮关心的是变形本身在一点点长出去。对可降解镁合金植入物，这点格外关键：它一边在体内承受非对称循环载荷，一边在体液里腐蚀，设计者要回答的不是"它会不会坏"，而是"泡过一段时间之后，循环变形的账还和没泡过时一样吗"。凡是承受非对称循环的承力构件，棘轮都是那本常被漏算的账。

试验方法与手段

以天津大学高红、高丽兰团队研究的 ZEK100 镁合金为例，能牵动棘轮响应的至少有四要素：平均应力、应力幅、试样取向与加载历史。其中"加载历史"容易被忽视、也颇难开展——同样的应力水平，先加多大幅值、按什么顺序加，末态棘轮应变都不同；多步加载中幅值一旦升高，棘轮应变率会被重新激活，前半段历史被"写"进后半段响应。取向同样不能省：轧制板材有轧向（RD）与横向（TD）之分，两向棘轮行为本就不同。再加上预腐蚀时长，棘轮试验升级为"编排一整张矩阵"：试样按取向切片、按浸泡时长分组、每组再套多步加载方案。

图1　ZEK100 镁合金轧态显微组织（金相照片，引自论文原图）

量化棘轮须同时满足三件事：多步加载历史可程序化编排；位移控制与应力控制能在同一根试样上平滑切换而不扰动滞回环；设备能扛住数十组试样按同一参数基准连续运行。试验在凯尔测控 IBTC-5000 原位拉压力学试验系统上完成：系统支持多步加载历史的程序化编排，论文中"同应力水平、不同加载顺序"的对照方案（如 R01 至 R06）可直接在软件里定义并自动执行；0.1 mm/s 位移控制与应力控制棘轮加载可平滑切换，配合引伸计闭环使位移段与应力段数据在同一时间轴上连续记录；0.1 μm 位移分辨力保障薄板小变形的测量精度，载荷闭环的长期稳定性让数十组试样按同一基准执行。

结论

结果给出四个层次。其一，平均应力、应力幅与预腐蚀时长对棘轮响应有显著影响，应力幅越大累积越快；其二，材料对加载历史敏感，多步幅值升高会重新激活棘轮应变率，这正是"历史效应"被实打实测出的证据；其三，表现出明显各向异性，横向（TD）试样的末态棘轮应变始终大于轧向（RD）试样；其四，在模拟生理环境的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中浸泡后，材料以点蚀为主，腐蚀速率指数下降后趋于稳定、稳定值约为 2.4 g/(m²·d)，且预腐蚀时间越长，棘轮累积越明显。

图2　同一平均应力下 RD 与 TD 试样棘轮应变随循环数的演化对比（引自论文原图）

图3　三步加载的滞回环与不同加载顺序下的棘轮应变演化（引自论文原图）

图4　PBS 溶液中预腐蚀后试样的点蚀形貌（引自论文原图）

科研意义与价值

把腐蚀史、加载史和取向一起算进棘轮的账本，是这类可降解植入物设计绕不开的一步。结论对选材直接可用：取向要选（RD 优于 TD）、载荷谱要按历史效应修正、腐蚀动力学要和循环变形耦合考虑。四要素里忽略任何一项，寿命预测都会系统性偏乐观。对更一般的轻合金棘轮研究，这组数据再次确认了棘轮应变的"四要素"框架：平均应力、应力幅、加载历史与环境损伤史，缺一项，模型就少一个自变量。而能让这张账本成立的，是一台既能编排复杂加载历史、又能把数十组薄板试样稳定跑完的平台。

论文信息：Ratcheting behavior of ZEK100 magnesium alloy with various loading conditions and different immersing time ／ Hong Gao、Wenbo Ye、Zhe Zhang、Lilan Gao（天津大学化工学院；高丽兰兼任天津理工大学机械工程学院）／ SCI 3 区期刊，2017 ／ IBTC-5000 原位拉压力学试验系统