形变热处理对Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金的织构及超弹性的影响

发布时间：2020-06-06 11:47

【摘要】：β-钛基形状记忆合金具有低密度、较高的比强度、良好的生物相容性、较好的超弹性等,作为生物移植材料,有着广阔的应用前景。然而,与传统的NiTi形状记忆合金相比,该合金的超弹性应变回复率还较低。如何提高β钛合金的超弹性,是该合金得到实际应用所要解决的一个关键问题。热机械处理(冷变形后退火)可以在合金中产生大量的位错,同时细化晶粒,从而提高合金的马氏体相变诱发应力,改善合金的超弹性能。众所周知,合金在进行冷轧变形后,会产生变形织构,而在随后的再结晶退火过程中,也会导致再结晶织构的形成。而β-钛基形状记忆合金的马氏体相变和超弹性能对合金的织构组分及其含量十分敏感,研究不同变形量和退火温度对β钛合金的显微组织(包括织构)演变规律及其对超弹性能的影响,对提高该合金的超弹性有着重要意义。因此,本文以β型Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金为研究对象,采用不同轧制量(40%、75%和95%)对该合金进行室温轧制,然后在不同退火温度下(650 ℃、750 ℃和850℃)对该合金进行再结晶退火处理,研究了变形量和退火温度对合金显微组织、织构的演变规律以及超弹性的影响。主要的研究内容和结果如下:(1)研究了冷轧变形量对Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金再结晶温度的影响,并研究了退火温度对冷轧变形合金显微组织的影响。研究结果表明:随着轧制形变量的增大,该合金的再结晶温度降低,冷轧变形量为40%、75%和95%的合金再结晶温度分别约为755 ℃、700 ℃和660 ℃。Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn在经过轧制量为40%,75%和95%冷轧变形后,合金中主要由β相组成,在经过650-850 ℃退火处理后,合金发生了再结晶,形成了细小的等轴组织,而且随着变形量的增加,在相同温度下退火后得到的再结晶晶粒减小。(2)研究了冷轧变形量对合金变形织构的影响。研究结果表明,经过不同变形量冷轧后,合金产生了{111}110、{111}112及{001}110型轧制织构。而且随着轧制形变量的增加,冷轧织构的强度也随之增大,最终以{111}112型织构以及{111}110型织构为织构强点。(3)研究了退火温度对不同轧制量Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金的再结晶织构的影响。研究结果表明,冷轧形变量越大,其冷轧织构及再结晶织构强度越高,经过650℃退火后,合金中γ取向线的织构强度最高,而在更高温度下退火(750℃和850℃)时,Y取向线的织构强度变弱。因此,经过650 ℃下退火,合金能得到的再结晶织构强度最强,其中以{111}112型织构为最强点。(4)研究了轧制变形量和退火温度对Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金超弹性的影响。研究结果表明,冷轧变形量和再结晶退火温度对Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金的超弹性有着重要影响,经过95%冷轧变形,并在650 ℃退火后的合金表现出较好的超弹性,其应变回复率为71.5%,细小的等轴状组织和较强的{111}112再结晶织构,可以有效提高合金的超弹性能。
【图文】：

钛合金,生物医用材料,保护装置,不锈钢

不含生物毒性元素的钛以及钛合金，因具有低的密度、与人体接近的弹性模逡逑量、优异的超弹性等优点，非常适合做成生物材料。目前己被广泛的应用于很多逡逑领域［Ｍ］，如图１－１所示。逡逑钛合金根据其相组成的不同，可以分为三类医用钛合金，即ａ相钛合金，ｃｔ＋（３逡逑相钛合金以及Ｐ相钛合金［Ｗ２］。最开始是以纯钛以及Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ为主，但由于纯逡逑钛硬度不高，力学性能差等因素限制了它的应用，最终纯钛的应用逐渐减少，进逡逑而被性能更优异的ＴＣ４取而代之，ＴＣ４生物相容性良好，，耐蚀性强，而且综合逡逑力学性能也比较优异，因此得到了更广泛的发展。逡逑１逡逑

微观变形,钛合金,机理

逡逑相，材料变形完全回复，其微观变形机理如图１．２所示。逡逑厂邋ｎ邋薄ｎ逡逑ＩｍＬ逡逑加载逦加载逦Ｉ卸载逡逑Ｔ＜Ａｆ逦Ｔ＜Ａｔ逦ｋＳｉ逦Ｔ＜Ａｉ逡逑Ｊｍｍｊ逡逑Ｕ邋□邋Ｍ邋ＬＪ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．２钛合金其超弹性的微观变形机理逡逑由于人体植入件在人体内力学服役环境复杂，承载各种类型的荷载，如果植逡逑入体的形状记忆性能和超弹性能比较优异，能够大大延长植入体使用寿命以及改逡逑善服役情况，免去给患者带来的二次伤害。逡逑近来，针对ＮｉＴｉ合金中Ｎｉ＋的毒害副作用，为了从根本上解决这一问题，逡逑科学家们都在潜心研发新型无Ｎｉ以及超弹性较好的ｐ钛合金材料。Ｂａｋｅｒ［３１］通过逡逑对Ｔｉ－３５Ｎｂ研宄发现，ｃｔ＂和Ｐ相之间的相互转化使得合金具有形状记忆效应。Ｐ逡逑钛合金的超弹性，是由Ｐ相与马氏体ａ＂相之间可逆的热弹性转变所致。目前钛逡逑钼（Ｔｉ－Ｍｏ）［３２？］、钛钽（Ｔｉ－Ｔａ）［３５１以及钛锆（Ｔｉ－Ｚｒ）１３６］等为基体的Ｐ钛合金得到广泛而逡逑系统的研究，与其他常用的钛合金相比，这类钛合金强度更高而且弹性模量也更逡逑低。其中这类合金添加了铌（Ｎｂ）［３７＿３９］、钼（Ｍｏ）［＿］、锡（Ｓｎｆ９］、钽（Ｔａ）［４４’４５］以逡逑及锆（Ｚｒ）邋［４６４８１等无毒“生物金属元素”的Ｔｉ－Ｎｂ基合金因具有较好的形状记忆逡逑效应、低的弹性模量和无毒性成为最具有发展前景的新型生物医用钛合金。新型逡逑Ｔｉ－Ｎｂ基合金因具有重要的学术研究和临床实用价值
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG156;TG146.23

【参考文献】