新型医用亚稳β钛合金中热诱发及应力诱发结构变化的电子显微学研究

Ti基生物医用合金是具有广泛应用前景和重大经济效益的热点材料。然而在原子尺度下对其与时效热处理以及冷加工相关的结构变化的了解尚十分有限。这种现状同时反映了揭示其局域结构特征与变化机制的必要性和困难性。特别是亚稳态的Ti基多组元合金可以表现出异常的变形行为以及高度复杂的变形结构，这为调控材料性能带来新机遇的同时，也提出了新的科学问题。本项目拟以自行设计制备的、具有不同稳定系数的亚稳β型Ti-Zr-Ta-Nb多元合金为载体，综合利用各种先进的电子显微学技术和性能表征手段，在原子尺度上揭示亚稳β合金由热诱发以及内/外应力诱发导致的结构变化特征与相关机制。其中搞清作为相变先驱体而处于极高内应力状态下的亚稳β相的变形行为及变形局域化结构特征是目前急待解决的重要科学问题。这是一个探索发现新现象、新结构提出新问题的过程，同时也能为指导设计新型医用合金、优化其性能提供重要的科学依据。

亚稳β型Ti合金是一类具有重要应用前景的多功能生物医用材料。由于其结构的不稳定性，变形过程中存在多种变形机制开动及相互作用，这导致局域变形结构十分复杂，尚存在很多疑问有待澄清。例如，具有不同稳定度的亚稳β相结构切变模式是否发生转换、因何发生转换以及转换机制等都是尚待搞清的重要问题。本研究着眼于上述问题，综合利用各种电子显微学技术及性能表征手段，对多个亚稳β型Ti合金体系在不同温度和变形条件下的力学行为及对应的各种应力诱发结构的相伴形成及相互转变进行了研究。取得的主要研究成果如下：. 揭示了具有较高稳定系数的亚稳β型Ti-26Nb-28Ta-5.5Zr(wt%)合金的变形结构特征及变形机制，发现在高度压缩变形时，变形局域化及α″马氏体切变导致晶粒被明显细化的变形带的形成。在拉伸变形的亚稳β型Ti-25Nb-25Ta(wt%)合金的研究中发现，以｛332｝孪晶为主的多变形机制协调的结果导致合金塑性变形阶段的应力应变曲线表现出不同程度的锯齿状起伏现象。不均匀变形导致的剪切带形成于变形颈缩阶段, 这种具有纳米晶结构的剪切带形成对变形后期塑性的持续起到关键作用。高密度位错的缠结与相互作用是其内部晶粒细化乃至纳米晶二次剪切带形成的关键因素。通过揭示不同变形温度下形成的{112}孪晶与ω相的切变伴生组态，首次提出以ω相为母相向｛112｝孪晶结构转变的剪切模型；针对亚稳β型Ti-24Nb-0.81Ta-1.78Zr（at%）合金变形结构的研究表明，{112}变形孪晶可以与应力诱发ω相伴生并形成twin-ω-twin 型Z字形剪切转换组态，同时也首次发现了ω-twin-ω型Z字形剪切转换组态的存在以及各种剪切组态形成的中间状态。特别值得指出的是，在该合金中首次发现了通常bcc结构金属及合金中鲜有存在的层错型面缺陷，该缺陷的存在是触发孪生和ω切变两种不同切变模式发生相互转换的关键因素。在研究变形亚稳β型Ti-Nd-Pd合金中不同取向变体间孪生切变相互作用时，首次观察到两个共轭{112}<111>变形孪晶变体可以相互穿插并在交叉区域形成{332}<113>孪晶的新奇现象。这与基于传统切变过程的理论预测结果完全不同。总之，本项目研究取得的结果，加深和丰富了对变形亚稳β结构中各种剪切模式转换特征的了解，同时也为持续深入开展前沿性研究奠定了良好的基础。