β鈦合金的馬氏體相變與力學行為的相關性研究

《β鈦合金的馬氏體相變與力學行為的相關性研究》是依託北京航空航天大學，由趙新青擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：β鈦合金的馬氏體相變與力學行為的相關性研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：趙新青
• 項目類別：面上項目

項目摘要

由於馬氏體相變在改善材料力學性能和實現功能特性方面的重要作用，馬氏體相變與力學行為的關係一直是材料科學與工程領域的關鍵問題。我們在近期的實驗研究中發現，TiNb系β鈦合金中的馬氏體相變與合金的力學行為，特別是與合金的強度和彈性模量具有高度相關性；通過熱誘發和應力誘發馬氏體相變並輔以熱-機械處理，可使β鈦合金兼具高強度和低（或超低）彈性模量，這為新型高強低彈模β鈦合金設計提供了新思路。闡明與此相關的物理機制具有很高的學術價值，對研發具有重要套用前景的低彈模鈦合金和高彈性鈦合金具有指導意義。本項目旨在以TiNb系β鈦合金為研究對象，弄清楚β鈦合金的結構穩定性、馬氏體相變與合金力學行為之間的相關性，研究馬氏體相變、析出相變和微觀組織演變對TiNb系亞穩β鈦合金的力學性能的影響規律，揭示馬氏體相變和力學行為相關性的內在機制，豐富和深化β鈦合金中的馬氏體相變研究，為新型β鈦合金設計和研發奠定基礎。

結題摘要

製備出了具有不同β穩定性的TiNb系β鈦合金，並對其成分、相變及微觀組織及力學性能進行分析和表征，確定了合金的結構穩定性與馬氏體相變對TiNb系β鈦合金力學行為的影響規律。深入研究了熱－機械處理對TiNb系β鈦合金微觀組織演變的影響，結果表明，亞穩β鈦合金的處理狀態與合金的微結構及β相的結構穩定性高度相關，從而顯著影響合金的力學行為，如強度和彈性模量。研究中我們採用劇烈冷軋和短時時效的方法，獲得了具有超低彈性模量的TiNbSn亞穩β鈦合金，揭示了合金在獲得高強度的同時具有超低彈性模量的物理機制，即：具有低結構穩定性的合金如果在降溫過程中不發生馬氏體相變，那么合金的彈性模量則隨著溫度的下降而降低，從而使得合金在室溫獲得超低彈性模量。在此基礎上，提出了低彈模和高強度兼備的β型鈦合金的設計準則：適度降低鈦合金中β穩定化元素含量，然後對合金輔以冷軋和短時時效處理引入的大量位錯和晶界以提高β相的結構穩定性，同時利用冷軋和短時時效處理後合金中析出的細小α強化相對位錯運動的阻礙作用，從而實現低彈模甚至超低彈模鈦合金的設計。利用該設計原則，本研究結合當前TiNb系生物醫用鈦合金的熱點和前沿，將馬氏體相變與力學行為相關性研究成果擴展到其他TiNb系高強低彈性模量合金設計，並製備了兼具高強度和低彈性模量的TiNbSn、TiNbMoSn、TiNbZr和TiNbZrSn等亞穩β鈦合金。本研究結合馬氏體相變與力學行為的相關性，闡明了高強度和低彈性模量的物理機制，豐富和深化β鈦合金中的馬氏體相變研究，為新型β鈦合金設計和研發奠定了基礎。