“软”纳米钛合金的强韧化机理研究

Ti2448合金是一种具有特殊的非线性弹性变形行为和高度局域化塑性变形行为的高强度低模量多功能钛合金。由于组织细化对该合金的强化效应微弱，我们将定义为"软"纳米金属材料。相对于位错、孪晶、相变等常规的组织细化机制，高度局域化变形机制具有显著的组织细化作用，采用冷轧板机可以轧制出大规格的均匀纳米晶粒板材。本项目拟在前期中温轧制工艺制备高韧性纳米晶粒板材的工作基础上，主要研究如下问题：1）高度局域化变形行为与变形温度和晶体取向的依赖关系；2）晶粒尺寸和变形温度对马氏体相变临界诱导应力的影响关系；3）晶粒尺寸纳米化对均匀形核的高强度可逆弹性变形机制的作用；4）纳米强化相的析出规律及其形态控制。根据以上研究结果，探寻Ti2448合金的塑性变形行为的新机制，探讨中温轧制纳米晶粒板材的高韧性机理，探索改善其韧性的新工艺，为通过合金设计方法优化纳米金属材料的强韧关系提供新思路。

Ti2448 合金是一种具有特殊的非线性弹性变形行为和高度局域化塑性变形行为的高强度低模量多功能钛合金。前期研究显示组织细化对该合金的强化效应微弱，我们定义为"软"纳米金属材料。通过研究Ti2448合金的强韧化机理，发展了一种中温变形组合加工工艺，提高了合金强度和韧性，实现了高强度、低模量和高韧性的更优匹配；研究了不同温度和应变速率下合金变形行为和组织演变机制；探索了Ti2448合金玻璃化转变的纳米组织结构及形成机制；研究了晶粒尺寸对均匀形核高强度可逆弹性变形机制及疲劳性能的影响；建立了纳米晶Ti2448合金在仿生环境中的抗腐蚀模型，揭示了纳米化对合金电化学腐蚀行为的影响。主要研究结果包括：. 采用中温加工组合工艺，控制纳米强化相的析出和形态，最终得到晶粒小于100纳米、析出相小于20纳米的均匀纳米组织。中温旋锻有效的细化前期热锻形成的亚晶组织，且材料塑性没有明显降低。纳米强化α相在亚晶界优先析出并抑制β相晶粒长大，在中温轧制中，晶粒被进一步细化。最终获得的纳米组织，其室温塑性大于8%、强度大于1150MPa、弹性模量约56GPa，具有更好的生物医用性能。Ti2448合金在β单相区内在低应变速率和高应变速率条件下变形，真应力和应变速率的双对数关系可以通过2个线性关系分别表征，这种特殊的双线性关系与高应变速率导致的局域化非均匀塑性变形行为和动态再结晶相关。高应变速率使得组织演变从动态回复向动态再结晶转变，动态再结晶是实现Ti2448合金高温高应变速率变形过程中组织细化的主要机制。. Ti2448 合金单晶具有很强的弹性各向异性，沿<100>、<110>和<111>取向拉伸均存在一定的可恢复弹性变形区间，其中，沿<100>方向表现出的明显弹性非线性从本质上反映了bcc 结构金属弹性非线性的特点。单晶在弹性变形过程中表现出由于晶格畸变产生的弹性非线性，可以解释其多晶弹性变形时所表现出的非线性现象。通过开展原位加载高能同步X射线的实验研究，在高应力条件下发现马氏体相的尺度约为2纳米，并且具有等轴组织的特性。Ti2448合金在低应变循环载荷条件下保持晶体结构的稳定性，与可逆马氏体相变型合金比较，该合金的应变控制疲劳性能更加优异。在多种溶液中，纳米晶均表现出较低的腐蚀电流密度；其优异的耐腐蚀性能可归结于纳米化对合金钝化性能的影响；其表面能生成更厚、更致密钝化膜。