亚稳β-Ti合金应力诱发及热诱发微观结构的电子显微学研究

发布时间：2020-05-16 21:19

【摘要】：亚稳β型Ti-Nb系和Ti-Mo系合金凭借良好的生物相容性、无毒性、低杨氏模量以及优良的力学性能等而成为很有发展前途的生物医用植入产品。但是,以往对于这些合金的研究主要集中在性能方面,而对于导致这些性能变化所对应的显微结构本质特征的研究还很缺乏,特别是在原子分辨层次下的微观组织结构特征,还有很多问题急需解决。本论文综合利用各种表征手段,特别是利用球差校正高角环形暗场扫描透射成像技术(High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy,HAADF-STEM)在原子分辨率下对亚稳β型Ti-Nb系和Ti-Mo系合金中具有代表性的应力诱发和热诱发显微结构进行了深入研究,目的在于深化对变形和析出结构的认识,揭示重要基础科学问题,为发展和设计性能更优的亚稳β-Ti合金提供指导与参考。研究取得的重要结果概要如下:一、在室温拉伸变形的Ti-50Nb(wt.%)合金中,通过球差校正HAADF-STEM观察,发现处于生长初期的{112}111变形孪晶的孪晶界面具有“台阶”结构,确认了“台阶”结构的形成与全位错的双交滑移有关,从原子尺度首次证明{112}111变形孪晶的生长机制是由全位错滑移协助的双交滑移生长机制。同时,在原子尺度上观察到在{112}111变形孪晶的孪晶生长前沿和孪晶界面处形成的过渡结构(ω_T相)。ω_T相的形成是由{112}111孪晶剪切诱发所致。β晶格{111}_β面的原子沿111_β方向的原子位移程度或崩塌程度不同,从而可以形成具有渐变结构特征的ω_T相。观察结果表明具有渐变结构特征的ω_T相直接反应出孪晶生长前沿/边界的应力分布状态,并据此探讨了这种ω_T相的形成机制。二、通过球差校正HAADF-STEM成像技术,在原子尺度上对室温拉伸变形Ti-50Nb合金中{112}111变形孪晶的切变转换结构进行了研究,对其形成机制进行了讨论,指出了利用电子衍射和衍衬的方法区分{112}111变形孪晶和应力诱发ω相的局限性。三、在室温拉伸变形可以发生可逆α″马氏体相变的βTi-30Nb-3Pd(wt.%)合金中,观察到一种{112}111_β变形孪晶交互作用的新形式。首次观察到由于孪晶交互作用而形成的{332}113_β变形孪晶,并且证明在β相中观察到的{112}111_β孪晶相互作用是α″马氏体相中{110}110_(α″)孪晶相互作用在应力松弛下的结果。基于α″马氏体孪晶与β孪晶之间良好的晶体学对应关系,提出了与可逆α″马氏体相变密切关联的{112}111_β孪晶交互作用机制。四、通过球差校正HAADF-STEM成像技术,对Ti-Nb系和Ti-Mo系亚稳β-Ti合金中的{332}113变形孪晶的形成机制进行了系统的研究。从原子尺度上揭示了Ti-Nb系亚稳β-Ti合金中形成的{332}113变形孪晶界面结构,发现其孪晶界面处存在具有过渡特征的α″相,由此确定了Ti-Nb系中{332}变形孪晶的形成机制是β→α″→α″_({130}孪晶)→β_({332}孪晶)。而Ti-Mo系亚稳β-Ti合金中{332}113变形孪晶界面处存在新型应力诱发结构(B相),并根据该结构的过渡演变特征,提出了{332}113变形孪晶的新型形成机制(B相相变重组机制)。研究结果首次揭示了{332}113变形孪晶形成机制因合金体系而异,β相的不稳定程度决定了合金可以选择不同的{332}113_β变形孪晶的形成机制。五、在经过748K/48h热处理的Ti-15Mo合金中,通过球差校正HAADF-STEM观察,发现等温ω相的ω/β界面处会形成具有渐变结构特征的过渡区域,明确了Ti-Mo合金中的等温ω相颗粒的长大机制是一种原子的纯位移机制。同时发现,等温ω相颗粒会影响α相板条的形核,存在过渡结构的ω/β相界面处的应力在α相形核时起到了更加重要的作用。六、利用HAADF-STEM成像技术,揭示了经过长时间等温时效形成的单个等温ω相内部存在的亮暗条纹的特征和实质,并从等温ω相颗粒在β相基体中时效生长时应力协调的观点出发,定性地解释了在亮暗相间区域的形成原因。七、对在748K/48h长时间时效处理后的Ti-15Mo合金进行室温拉伸变形,该合金呈现脆断特征,在断口处发现塑性变形局域化带状结构。通过球差校正HAADF-STEM技术,在原子尺度上研究了该变形带的结构特征,并据此提出基于连续相变观点的变形带形成机制。同时指出原子在不同相界面松弛重组的运动,不仅可以释放高应力,而且可以在局部形成塑性变形带。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;TN16

【参考文献】