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Ni-Ti(Ta)合金的相变和电子结构的研究

宫长伟  
【摘要】:NiTi形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性,在医学领域作为植入物材料显示出诱人的应用前景。NiTi合金作为医用植入器械材料,主要使用的是其良好的超弹性。时效处理是一种有效提高富Ni的NiTi合金超弹性的方法,但对超弹性尚缺乏更深入系统的研究。对NiTi合金而言,由于其高的Ni含量,释放出来的Ni离子的毒性问题存在争议,尚需深入研究。近年来,作为介入医用材料,低的X射线可视性使得在操作时跟踪和定位困难,如何提高其可视性也是当前需要解决的问题。 针对上述问题,本论文研究了时效处理NiTi合金的组织和相变行为;研究了添加高可视性和良好生物相容性Ta的三元NiTiTa合金的组织、相变行为和形状记忆效应,并探讨了Ta对NiTi合金相变行为的影响机制。在实验的基础上,利用第一原理方法研究了NiTi合金中的R相结构、热和应力诱发马氏体相变机制、点缺陷以及Ni-Ti-Ta合金中Ta的占位,研究了与超弹性相关的几个问题。主要结论如下: 时效处理Ti-50.6at.%Ni合金中发生了三阶段相变。三阶段相变的出现是由于析出相引起基体不均匀的成分和应力场所致。随着时效时间的增加,B2(?)R相变温度基本不变化,而R(?)B19′相变温度升高。Ti_3Ni_4析出物严重影响马氏体的形貌,短时间时效马氏体的内部缺陷主要是(001)_M复合孪晶,随着时效时间的增加,逐渐变为011_MⅡ型孪晶。(001)_M复合孪晶是R→B19′相变的点阵不变切变。 Ni-Ti-Ta合金由基体相和网状共晶区组成。共晶区由基体相和β-Ta相构成。共晶区内不均匀分布着(Ti,Ta)_2Ni颗粒。Ni-Ti-Ta合金中的Ta原子占据Ti的位置,而不占据Ni的位置。随着Ta含量的增加,β-Ta相增加,点阵单胞体积增加。Ni_(50)Ti_(45)Ta_5合金的亚结构与Ni-Ti合金的亚结构相似,主要是011_MⅡ型孪晶。 Ni-Ti-Ta的相变行为是一个单一阶段的B2(?)B19′相变。Ta的添加降低了Ni-Ti合金的相变温度。当Ta含量一定时,Ni/Ti越大,相变温度越低。由于大量二次相粒子的存在,热循环对Ni-Ti-Ta合金的相变温度比Ni-Ti合金影响大。时效处理不能诱发R相变。在低于550℃时效处理使得相变温度升高;当超过550℃,相变温度反而降低。 随着Ta含量的增加,β-Ta含量增加,屈服强度降低。这说明,β-Ta是一个软质相。预变形使马氏体稳定化。这主要是由于变形引入位错,增加了相变能垒。对β-Ta而言,超过4%变形就可能诱发塑性变形。Ni-Ti-Ta合金与Ni-Ti合金相比,由于β-Ta


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