医用镍钛管永久变形量影响因素的研究

镍钛合金材料具有良好的形状记忆效应、超弹性、耐疲劳性、耐腐蚀性和生物相容性，在生物医学领域具有广泛的应用[1-2]。特别是在血管条件相对迂曲的颅内血管疾病治疗领域，镍钛材料被越来越多地制作成各种类型的血管支架[3]，如狭窄扩张支架 Wingspan、取栓支架 Solitaire、弹簧圈栓塞辅助支架 LVIS 和血流导向装置 Silk 等。

通常情况下，为了保证镍钛支架的尺寸稳定性和耐疲劳性，在设计和制造时需要考虑镍钛材料在受力状态下的残余变形机制及其影响因素[4]。Rebelo等[5] 通过 Abaqus 模拟了镍钛材料的单轴拉伸力学行为。结果表明，应变超过 6% 时将改变镍钛材料的相变平台应力，并且应变幅度较大时容易产生永久变形量。Schlun 等[6] 研究了循环加载对镍钛材料 单轴行为的影响。结果表明，在预应变为 8% 并引入足够大的应变幅（1%）时，会降低镍钛材料的平台应力，并产生额外的永久变形量。Miyazaki 等[7] 研究了循环变形对镍钛合金超弹性的影响。结果表明，镍钛材料的残余塑性变形量会随着循环加载次数的增加而增大。Adarsh 等[8] 使用 MSC Mentat 软件分析了不同温度下镍钛材料的单轴拉伸行为，以模拟镍钛材料在拉伸过程中的相变和残余变形行为。这些研究主要从加载应变和循环加载方面定性地研究了镍钛材料的永久变形行为。本文将分别从时效温度、时效时间、加载应变、循环加载次数和加载速率等方面定量地研究医用镍钛管的永久塑性变形行为，并分析影响永久变形的主要因素，研究结果对镍钛医疗器械的设计和制造具有一定的参考 意义。

1、实验材料及方法

1.1 实验材料

本实验采用的医用镍钛材料是 Nitinol SE 508镍钛管（Furukawa Techno Material），该材料是近等原子比镍钛合金，其成分符合 ASTM F2063—18 的要求（Ni 的原子分数为 49.4%～52.0%，对应的质量分数为 54.5%～57.0%），如表 1 所示。该镍钛管为冷拔态，外径为 3 mm，壁厚为 0.11 mm，相变温度Af 为 (0±10) ℃，极限拉伸强度大于 1 133 MPa，断裂伸长率大于 13%，应变为 8% 时永久加载应变不超过 0.50%。

使用激光切割机（Starcut Tube Fiber，Rofin）将Nitinol SE 508 镍钛管按照如图 1 所示的尺寸切割成拉伸试样。试样总长 40 mm，平行长度 20 mm，标距 16 mm，平行部分宽度 0.55 mm，夹持部分长度10 mm，夹持部分宽度 1.56 mm，厚度 0.11 mm。

1.2 实验及表征方法

1.2.1 实验方法

时效温度和时效时间的影响：在高温热处理炉（N30/85, Nabertherm）中对拉伸试样进行时效处理，设定温度分别为 360、410、460、510、560 ℃，时间分别为 5、15、30 min，并放入常温水中冷却。使用万能拉伸试验机（5 943，Instron）以 2 mm/min 的加载速率将试样拉伸至应变达 6%，然后以相同的速率进行卸载，记录试样加载和卸载过程中的应力-应变曲线。

循环加载次数的影响：取拉伸试样 1 根，使用与时效实验相同的拉伸设备和参数对试样进行循环加载测试，循环 50 次，记录试样的加载和卸载过程中的应力-应变曲线。

加载应变的影响：取拉伸试样 4 根，使用万能拉伸试验机（5943，Instron）以 2 mm/min 的加载速率分别将试样拉伸至应变为 3%、6%、8%、15%，然后以相同的速率进行卸载，记录试样加载和卸载过程中的应力-应变曲线。

加载速率的影响：取拉伸试样 4 根，使用万能拉伸试验机（5943，Instron）分别以 2、4、8、15 mm/min的加载速率将试样拉伸至应变为 6%，然后分别以相同的速率度进行卸载，记录试样加载和卸载过程中的应力-应变曲线。

1.2.2 永久变形量的表征方法Af

图 2 为镍钛材料在高于相变温度下进行拉伸测试时永久变形量的表示方法。由图 2 可知，当镍钛试样拉伸至超过其胡克弹性极限时，在一个临界应力处有一个明显的“屈服”，表示应力诱导奥氏体开始向马氏体转变。随着应力的增大，马氏体含量增多，加载平台应力保持不变，直至奥氏体完全转变为马氏体。当应力移除后，马氏体立刻发生弹性回复，在卸载应力平台上向奥氏体转变。通常情况下，镍钛材料的应变不会完全回复，而出现一个残余应变，这个应变叫做永久变形量。

2、 结果与讨论

2.1 时效温度和时间对永久变形量的影响

图 3 是经不同温度（360、410、460、510、560 ℃）和不同时间（5、10、15 min）时效处理的试样在进行拉伸至应变达到 6% 时的滞后应力和永久变形量曲线。其中，滞后的应力是加载平台应力与卸载平台应力之差，是由微结构摩擦效应产生的。在较小的拉伸应变下（通常≤8%），镍钛材料的永久变形量主要由滞后的应力引起，滞后的应力越大，永久变形量越大。

由图 3 可知，当时效温度升高至 460 ℃，滞后的应力增大而使试样的永久变形量增大；但当时效温度继续增加至 560 ℃，滞后的应力变小而使试样的永久变形量减小。此外，在相同的时效温度下，随着时效时间的延长，滞后的应力增大而使试样的永久变形量增大。在时效处理时间为 5 min 和 15 min时，经不同时效温度处理的试样的永久变形量差异 不大，基本都在 0.500% 以内；然而，在 460 ℃ 下时效时间延长至 30 min 时，试样的永久变形量得到大幅增加，达到 3.350%。

时效温度为 360～460 ℃ 有富镍相 Ti11Ni14 析出，其含量随温度的升高而增多，使母相中的镍含量逐渐减少，相变温度 Af 增大而使滞后的应力增大[9]，造成试样的永久变形量增大；随着时效温度从 460 ℃ 继续升高至 560 ℃，析出相 Ti11Ni14 逐渐溶解，相变温度 Af 降低而使滞后的应力减小[9]，从而使试样的永久变形量减小。因此，短时低温时 效处理易于获得较好的超弹性和较强的耐应力永久变形能力。

2.2 循环加载次数对永久变形量的影响

图 4 是试样在 6% 应变下循环加载 50 次的应力-应变曲线。图 4(b) 中，ε1、ε2、ε3、ε4、...、ε50ε′1、ε′2、ε′3、ε′4、...、ε′50分别为第 1、2、3、4、…、50 次的永久变形量，分别为第 1、2、3、4、…、50 次的累积永久 变形量。图 5 为循环加载 1～50 次的永久变形量和累积永久变形量。由图 4(b) 和图 5 可知，随着循环加载次数的增加，试样的永久变形量逐渐减小，其累积永久变形量逐渐增大，直至循环加载达到 45 次后，试样的永久变形量和累积永久变形量基本趋于稳定。随着循环加载次数的增加，应力诱发马氏体相变的临界应力（加载平台应力）减小，而逆相变的临界应力（卸载平台应力）基本保持不变，导致滞后的应力下降，从而使永久变形量逐渐减小。因此，在实际工程应用中，如血管支架，若要保持支架制造尺寸的稳定性，在制造过程中应尽量避免或减少支架反复变形的次数；若要保证支架在脉动应变下的疲劳寿命，应在支架的结构和尺寸设计时充分考虑循环脉动应变的影响。

2.3 加载应变对永久变形量的影响

图 6 是试样分别在加载 3%、6%、8%、15% 的应变下的应力-应变曲线，产生的永久变形量分别为0.038%、0.042%、0.072% 和 8.350%。由图 6 可看出，加载 8% 以内的应变时试样的永久变形量都很小（低于 0.100%）；但随着应变增大至 15% 时，试样的永久变形量增大到 8.350%。这主要与不同阶段的变形机制有关。在第 I 阶段（应变 0～1.2%），变形机制是母相的弹性变形；在第 II 阶段（应变 1.2%～6.2%），变形机制为应力诱发马氏体相变，同时伴有微小的塑性变形；在第 III 阶段（应变 6.2%～8.6%），

变形机制主要为应力诱发马氏体的再取向与塑性变形；在第 IV 阶段（应变>8.6%），变形机制为再取向马氏体的塑性变形。由此可知，随着拉伸应变由阶段 I 发展到阶段 IV，试样的变形机制逐渐向马氏体的塑性变形机制转变，永久变形量逐渐增大。因此，在实际工程应用中，如血管支架，在设计时应考虑支架能够暴露在一定的脉动应变下而不产生较 大的永久变形量。

2.4 加载速率对永久变形量的影响

图 7 是试样在不同加载速率下（2、4、8、15 mm/min）拉伸至 6% 的应变后再卸载的应力-应变曲线，产生的 永 久 变 形 量 分 别 为 0.059%、 0.038%、 0.053% 和0.130%。由图 7 可看出，随着加载速率的增加，试样的永久变形量增大。将加载速率转换为“应变/时间 ” 后 分 别 为 9.5%/min、 19.0%/min、 38.0%/min 和70.0%/min。当加载速率超过 10.0%/min 时，马氏体与母相之间的界面没有足够的时间释放由界面运动所产生的应力，导致加载速率越大，应力诱发马氏体相变的临界应力（加载平台应力）越高，卸载过程中逆相变的临界应力（卸载平台应力）越低[10]，造成滞后的应力增大而使永久变形量增大。此外，试样的永久变形量都较小（小于 0.5%），这主要是因为试样的加载应变较小（小于 6.0%）时，变形机制主要是应力诱发马氏体相变。因此，在实际工程应用中，如血管支架，在设计时应考虑支架需要在一定的脉动频率下保持所需的疲劳寿命。

2.5 对比分析

表 2 总结了时效温度、时效时间、加载次数、加载应变及加载速率对镍钛材料永久变形量的影响，并对比了以上参数的极限条件下（如表 2 中的粗体部分）的最大永久变形量，以分析影响镍钛材料永久塑性变形量的主要因素。由表 2 可知，对永久变形量影响较大的因素分别是时效温度、时效时间和加 载 应 变 （ 产 生 的 永 久 变 形 量 分 别 为 3.350% 和8.350%），这主要由镍钛材料的变形机制所决定。当调整时效温度和时效时间增加镍钛材料的相变温度 Af 时，其永久变形机制为应力滞后；当不断对材料进行加载（即，增加加载应变），直至进入马氏体的塑性变形阶段时，其永久变形机制为塑性变形。虽然加载次数和加载速率对永久变形量也有一定的影响，但只要其加载应变控制在 6% 以内，其永久变形量均不超过 0.5%。

3 、结 论

（1）经过 5 min 和 15 min 时效处理的试样的永久变形量较小（<0.500%），并且在不同时效温度下的变形量差别不大；但在 460 ℃ 时效处理 30 min时，试样的永久变形量增加到 3.350%。

（2）随着加载次数的增加，试样的永久变形量逐渐减小，其累积永久变形量逐渐增大，直至循环加载达到 45 次后，永久变形量和累积永久变形量均趋于稳定。

（3）当加载应变不超过 8% 时，试样的永久变形量较小（<0.100%）；但随着应变增大至 15% 时，试样的永久变形量增加到 8.350%。

（4）随着加载速率的增大，试样的永久变形量增大。

（5）对永久变形量影响较大的因素分别是时效温度、时效时间和加载时的应变。

参考文献：

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