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TiNbZrTaβ钛合金冷变形特点及超弹性机理研究

王立强  
【摘要】: 由于钛合金具有高的生物相容性、低密度、高强度、耐体液腐蚀等优点,广泛应用于医用领域。而具有低弹性模量且不含生物毒性元素的β钛合金在身体植入等医学材料方面具有更广阔的应用前景。从二十世纪九十年代开始,新型β钛合金的研制开发就成为医用材料的开发重点。就目前来看,Nb、Ta、Zr和Sn等元素具有较好的生物相容性,对身体具有较小的毒性。形状记忆和超弹性性能的优化对于该类合金的应用具有重要的意义。一般来讲,马氏体孪晶,晶粒取向和织构,析出相以及晶粒度对超弹性有重要的影响。而对于该类合金来讲,冷变形和超弹性机理的研究还不系统,深入。研究在冷变形过程中的马氏体转变特征和变形亚结构,对于进一步了解该类合金超弹性,形状记忆效应有重要的作用。本论文所研究的合金为TiNbZrTaβ钛合金。选择不同的冷变形方式变形后,研究合金的冷变形机制,马氏体转变量和转变特点以及机械性能的变化规律。通过对冷变形和热处理的织构的分析,讨论织构的形成特点。分析织构对合金超弹性各向异性的影响规律。此外,对冷变形试样在不同温度进行热处理,研究时效过程中的析出相对形状记忆效应及力学性能和的影响。 在对TiNbZrTaβ钛合金冷变形特点进行深入系统的研究基础上,在合金中加入稀土元素,稀土的加入能够在净化基体合金,细化晶粒,提高合金的形状记忆效应,同时还能降低基体钛合金中的氧含量生成硬质相稀土氧化物(RE2O3)。已有研究表明,TiB是钛基复合材料中最优良的增强体之一,能有效提高钛基复合材料的强度。而增强体对β钛合金形状记忆效应的影响却鲜为报道。利用真空电弧炉熔炼技术,合成分布有少量TiB, La2O3颗粒的β钛合金,可以使合金获得好的强度和形状记忆效应。添加不同量的LaB6对TiNbZrTaβ钛合金的超弹性和机械性能的影响也将作为本论文的研究重点。利用Ti与LaB6的反应,通过真空电弧熔炼,原位合成TiB和稀土氧化物La2O3增强的钛基复合材料,研究了增强体颗粒在合金细化方面的作用,探讨了添加不同含量的LaB6对合金力学性能的影响以及在改善形状记忆效应方面的作用。 主要研究结果如下: 采用单向轧制和交叉轧制两种不同变形方式研究了不同变形量下的材料微结构特征,分析了不同变形方式后的马氏体变体特征。研究发现,在单向轧制过程中,马氏体由针状的具有平直边界的细小层状组织逐渐变化为“蝴蝶状”马氏体,外观形貌为平行于轧制方向的粗大的片体,并随着冷变形率的继续增大,这种粗大的片体沿着轧制方向呈交织状扩展。在交叉轧制过程中马氏体的变化特点与单向轧制有相似的规律,但是由于交叉轧制切应力的作用,使得马氏体生长没有明显的方向性。在单向轧制过程中,当冷变形率为99%时,马氏体的最大转变量为78.93%左右。而交叉轧制过程中,当冷变形率为40%,马氏体的转变量达到79.63%,并且随着冷变形量的增大,马氏体的相对含量基本保持不变,交叉轧制过程中的应力特点更有利于马氏体的转变。使得沿各个方向的组织更加均匀。在冷轧过程中,随着冷变形率的增大,应变诱发马氏体经历了形核,长大,稳定化的过程。马氏体所涉及的变形机制为马氏体变体内部微孪晶的出现及长大→微孪晶的合并与再取向→马氏体内部新孪晶变体的引入。 冷变形过程中产生的β相织构和应变诱发马氏体α〞相织构对材料的弹性模量和超弹性特征有重要影响。弹性模量和超弹性的各向异性是由于织构的各向异性所致。在单向轧制过程中,随着冷变形率的增大,出现较强的{100}β011β织构。在90%冷变形试样中出现明显的应变诱发(200)α"010α"马氏体织构。不同织构的出现使得沿着各个方向试样的转变应变表现出明显的各向异性。 在冷变形热处理过程中,在573K出现亚稳定相ω,在673K到873K热处理时出现α相。在573K效后,细小弥散分布的ω相增加了合金的临界滑移应力,可明显提高合金的超弹。99%冷变形试样在873K热处理1.2ks后沿着轧制方向,与轧向呈45°方向和垂直于轧向的织构相比较冷轧变形99%的变化不大。出现强的{100}011织构。冷变形试样在1223K热处理1.2 ks后,冷变形织构转变为{112} 011再结晶织构。冷变形{100} 011织构在热处理过程中逐渐转化为{112}011再结晶织构。再结晶时的核心与冷变形态试样有基本相同的位向是由于再结晶形核靠晶界弓出,亚晶界迁移长大的机制中所形成的核心都与形变基体有相同的位向。将1223K热处理试样拉伸变形5.5%出现条状变形孪晶和自协作针状应力诱发马氏体相。这种应力诱发产生的马氏体相在加热后转变为母相,使得合金出现明显的形状记忆效应。 利用原位自生技术,在β钛合金中合成TiB和Re2O3,来提高合金的形状记忆效应和超弹性。基体材料采用本论文所做的Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金。在试验中添加质量分数分别为0.1%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%的LaB6粉末,经过原位反应后生成TiB晶须和La2O3增强体颗粒。在0.1%LaB6添加试样中,原位反应生成的TiB晶须主要出现在晶界上,使得试样的强度有显著的提高。随着添加LaB6量的增多,可观察到较多的TiB晶须和La2O3球状粒子。逐渐增多的La2O3颗粒细化了晶粒,使得在0.5%LaB6添加试样中晶粒尺寸细化到12um。在0.1%和0.2%LaB6添加试样中,材料表现出好的超弹性应变和纯弹性应变。在0.5%LaB6添加试样中,由于晶粒的细化,使得试样的超弹性应变值最大。在原位反应过程中产生的TiB晶须增加了临界滑移应力。因此,在拉伸过程中,较低的外加应力就可使得试样发生β相向马氏体相的转变,这种不断提高的超弹性性能使得该合金的应用逐渐扩展到超弹性紧固件应用领域。 原位拉伸试验中观察了(TiB+La2O3)/(Ti-35Nb-3Zr-2Ta)试样主要的微观变形机制。在低应变量下,沿着拉伸外力的方向,线状位错形核。随着应变量的增大,位错经历了形核,开动和相互间作用几个阶段。伴随着位错的滑移,在位错周围,诱发产生孪晶型自协作状马氏体。在整个拉伸过程中观察到{ 111 }孪晶和(001)复合孪晶片。这种(001)复合孪晶片随着应变率的增大逐渐向邻近的{ 111 }孪晶基体板条扩展并逐渐长大到和原来{ 111 }孪晶板条组织同等大小。


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