二元Ti-Nbβ钛合金的塑性变形机制

发布时间：2017-10-27 17:30

  本文关键词：二元Ti-Nbβ钛合金的塑性变形机制

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【摘要】：Ti-Nb系β钛合金具有良好的生物相容性、低弹性模量、高强度、良好耐磨性和耐腐蚀性等,可作为人体植入物,是最理想的医用钛合金之一。研究二元βTi-Nb合金的变形机制,有助于理解多元βTi-Nb合金的塑性变形行为和设计力学性能优良的βTi-Nb合金。另外,β钛合金中孪晶、ω相和α"相都存在多种等效位向的变体,这使得电子衍射分析变得复杂和困难。本文首先通过分析β钛合金中各相位向关系并模拟各种复合衍射花样,以有效分析实际的复杂衍射花样;用透射电子显微技术系统研究了成分分别为Ti-40Nb、Ti-50Nb、Ti-65Nb、Ti-85Nb(质量分数)的β钛合金的相稳定性、塑性变形机制,并探讨相稳定性对塑性变形机制的影响。得到以下主要结论:1、基体β相中存在4种位向的{112}111孪晶(即4个变体)、4个ω相变体及6个α"相变体,每个位向的{112}111孪晶或ω相有3个可能的共111轴的{112}惯习面。衍射花样模拟结果表明,分别在基体[011]、[012]和[1-13]三个晶带轴下:4个位向的{112}111孪晶中都只有2个同时出现与基体花样呈孪晶对称关系的衍射花样;4个ω变体中均只有2个同时出现可反映位向关系的衍射花样;ω相的衍射规律与{112}111孪晶完全相同,即当入射电子束与任意一个可能的惯习面平行,特征斑点就会显现。在基体[100]、[011]、[1-13]三个晶带轴下,6个α"变体中分别只有2个、1个、3个同时出现特征斑点。实验中拍到的ω、α"电子衍射花样比模拟花样斑点更多,说明发生了二次衍射。2、透射电镜分析可知,Ti-40Nb塑性变形时发生应力诱发α"相变和位错滑移,Ti-50Nb塑性变形时主要发生{112}111孪生和应力诱发ω相变,不仅可以产生单方向的孪晶和ω板条,还能产生V形ω、Z形孪晶-ω板条,Ti-65Nb中主要发生位错滑移,有极少量的应力诱发ω相变,Ti-85Nb塑性变形时只有位错滑移。非热ω相的相对衍射强度变化表明,Ti-Nb合金中β相稳定性随着Nb含量增加而升高。因此:当β相稳定性较低时,βTi-Nb合金塑性变形时容易发生α"马氏体相变;当β相稳定性适中时,容易发生应力诱发ω相变和{112}111孪生;当β相稳定性进一步升高时,塑性变形只能通过位错滑移进行。3、Ti-50Nb中的Z形组织中,一个方向板条全是{112}111孪晶另一个方向板条全是ω相,惯习面分别为(1-21)和(11-2),该特殊结构的形成过程如下:首先,(1-21)面上一个1/2[111]螺位错可以分解为3个1/6[111]不全位错,1/6[111]位错在连续的(1-21)面上滑移,形成(1-21)[111]孪晶。当1/6[111]不全位错运动到(0-11)面时被阻碍,应力上升迫使扩展位错收缩成新的1/2[111]螺位错并交滑移到(11-2)面。1/2[111]螺位错分解为1/12[111]、1/3[111]和1/12[111]不全位错并分别在连续的(11-2)面上滑移,形成了ω相。由此交替反复,便形成了规则排布的Z形孪晶-ω板条组织。合金中形成该Z形板条需要以下必要条件:1)相对较高的β相稳定性,2)适中的{112}面层错能,3)(0-11)面阻挡不全位错的继续运动,4)应力在两惯习面上的不对称分布。
【关键词】：β相稳定性 塑性变形机制 Z形板条 电子衍射 模拟花样
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 引言9
• 1.2 βTi-Nb系合金及应用9-16
• 1.2.1 二元Ti-Nbβ 合金9-11
• 1.2.2 多元Ti-Nbβ 合金11-16
• 1.3 βTi-Nb系合金的塑性变形机制16-22
• 1.3.1 位错滑移16-17
• 1.3.2 机械孪生17-18
• 1.3.3 应力诱发 ω 相变18-20
• 1.3.4 应力诱发 α"相变20-21
• 1.3.5 塑性变形与 β 相稳定性的关系21-22
• 1.4 课题研究意义及研究内容22-24
• 第2章 实验材料及研究方法24-28
• 2.1 合金制备24-25
• 2.2 研究测试方法25-28
• 2.2.1 压缩实验25-26
• 2.2.2 透射电镜（TEM）表征26-28
• 第3章 β 钛合金中的位向关系转换及衍射花样模拟28-51
• 3.1 {112}<111>孪晶与基体 β 相的位向关系及转换28-30
• 3.2 {112}<111>孪晶与 β 相复合电子衍射花样的模拟30-33
• 3.3 ω 相与 β 相的位向关系及转换33-35
• 3.4 ω 相与 β 相复合电子衍射花样的模拟35-39
• 3.5 α"相与 β 相的位向关系及转换39-43
• 3.6 α"相与 β 相复合电子衍射花样的模拟43-48
• 3.7 多相复合衍射花样的模拟48-50
• 3.8 本章小结50-51
• 第4章 相稳定性对 βTi-Nb合金塑性变形机制的影响51-65
• 4.1 引言51
• 4.2 Ti-Nb合金变形前后的显微结构51-59
• 4.2.1 Ti-40Nb51-54
• 4.2.2 Ti-50Nb54-57
• 4.2.3 Ti-65Nb57-58
• 4.2.4 Ti-85Nb58-59
• 4.3 二元Ti-Nbβ 合金的相稳定性59-61
• 4.4 二元Ti-Nbβ 合金的塑性变形机制61-62
• 4.5 相稳定性对塑性变形机制的影响62-63
• 4.6 本章小结63-65
• 第5章 Z形孪晶-ω 组织的研究65-75
• 5.1 引言65
• 5.2 Z形孪晶-ω 的惯习面65-67
• 5.3 Z形孪晶-ω 中的(0-11)面67-69
• 5.4 Z形孪晶-ω 的形成过程69-72
• 5.5 Z形孪晶-ω 的形成条件72-73
• 5.6 本章小结73-75
• 第6章 全文结论75-77
• 参考文献77-87
• 致谢87-88
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的文章88-90

【参考文献】

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1 郭文渊;亚稳β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金的显微组织与性能[D];上海交通大学;2008年

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本文编号：1104489