手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

超弹性TiNbZr合金的设计与性能研究

李强

  本文以设计和研究由无毒元素组成的超弹性β型钛合金为目标,通过钛合金的d电子合金理论设计一系列Ti-Nb-Zr(-Sn)合金,采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光学金相显微镜(OM)等设备,测试和分析组织结构变化和变形机制;使用U型法和拉伸加载卸载测试评价合金的超弹性性能。 Sn元素的添加能显著提高固溶态合金的强度,且对塑性的影响较小。Sn具有比Nb和Zr更强的稳定β相的作用。尽管所设计的合金均位于Bo ? Md图中的亚稳定β相区,但由于Sn强烈降低马氏体转变开始温度(Martensite transformation start temperature, Ms ),添加2at% Sn的合金具有稳定的β相。只有Ti-24at%Nb-2at%Zr和Ti-24at%Nb-4at%Zr合金加载过程发生应力诱发马氏体转变,具有一定的超弹性。通过U型法对573 ~ 1073 K退火的合金超弹性评价表明,573 K退火析出的少量ω相能显著提高合金强度,增强合金超弹性,但会导致塑性急剧降低。823 K退火析出的α相的弥散强化作用小于ω相,对提高合金超弹性贡献很小。 固溶后在573 K的时效过程中析出的富钛ω相使得合金母相中β相稳定元素含量提高,并对β相的切变产生机械阻碍作用。它的析出和生长抑制{332} 孪晶和应力诱发马氏体转变,使合金的变形机制逐渐由{332} 孪晶、应力诱发马氏体和滑移三种模式并存,逐渐转变为应力诱发马氏体和滑移两种模式共存,最终转变成仅有滑移存在的单一变形模式。 时效过程中,富钛的ω相的析出使合金Ms点降低,并能提高合金强度。强度和Ms点良好的配合使合金具有良好的超弹性。由于塑性变形和诱发α′′相的残留,当累积的加载应变超过6%时,固溶和短时间时效的合金回复应变会随加载应变的增加而降低。经一定的时间时效后,适量ω相抑制β相和α′′相的塑性变形,避免α′′相的残留,使合金具有稳定的超弹性性能。过量的ω相会抑制应力诱发马氏体转变,超弹性性能降低。时效ω相能显著提高强度且对塑性的影响较小。Ti-24at%Nb-2at%Zr合金573 K时效7.2 ks后,杨氏模量为64.4 GPa,抗拉强度约为710 MPa,延伸率为14%左右,且具有稳定的超弹性回复应变(4.3%)。Ti-24at%Nb-4at%Zr合金573 K时效3.6 ks和7.2 ks后,杨氏模量约为61.5 GPa,抗拉强度在600 ~ 650 MPa之间,延伸率高于15%,并具有良好的超弹性性能。 通过对固溶和时效的Ti-24at%Nb-2at%Zr合金进行电化学阻抗谱、极化曲线等电化学测试,表明合金经时效析出ω相后耐蚀性没有降低。该合金的耐蚀性高于其他报道的β型钛合金。 具有理想的超弹性、优越的力学性能和耐蚀性的Ti-24at%Nb-2at%Zr合金可成为生物医用材料。……   
[关键词]:生物医用材料;钛合金;超弹性;机械性能;耐蚀性
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:天津大学2011年
App内打开