本文選題：Ti基塊體非晶合金　切入點：原子結(jié)構(gòu)　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：Ti基塊體非晶合金由于其低密度、高強度、高彈性極限、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的生物相容性等諸多優(yōu)點而受到研究者的廣泛關(guān)注,在生物醫(yī)用、航空航天和海洋工程等方面都具有良好的應(yīng)用前景�，F(xiàn)有的Ti基塊體非晶合金為了獲得高非晶形成能力,合金成分中往往含有大量的生物毒性元素Be、Ni以及貴金屬元素Pd。鑒于Ti基塊體非晶合金具有良好的生物醫(yī)用前景,因而有必要開發(fā)出一種不含Be、Ni和貴金屬Pd、且具有抑菌功能的新型Ti基塊體非晶合金。另一方面非晶合金獨特的原子結(jié)構(gòu)特征導致其具有較大的室溫脆性,極大地限制了塊體非晶合金在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。本論文以發(fā)展具有生物醫(yī)用前景的新型Ti基塊體非晶合金及其復合材料為目標,首先利用第一性原理分子動力學(AIMD)方法系統(tǒng)研究了 Ti_(60)Cu_(40)、Ti56Cu44和Ti56Cu4αAg4合金成分的液固轉(zhuǎn)變特征以及非晶態(tài)合金的原子堆垛結(jié)構(gòu),從而為新型Ti基塊體非晶合金的成分設(shè)計提供理論指導。研究結(jié)果表明,液態(tài)合金中的原子擴散能力與體系的非晶形成能力具有較好的相關(guān)性,三個合金體系液態(tài)合金中原子擴散能力由高到低依次是Ti_(60)Cu_(40)、Ti56Cu44和Ti56Cu40Ag4合金。Ag的添加降低了 TiCu合金體系中原子的擴散能力,從動力學方面有利于合金體系非晶形成能力的提高。與Ti_(60)Cu_(40)合金相比,Ti56Cu44合金非晶態(tài)構(gòu)型中局域結(jié)構(gòu)的二十面體化程度更高。Ag的添加降低了合金體系中完整二十面體含量,但是增加了合金體系中二十面體的多樣性。在Ti56Cu40Ag4合金體系中,二十面體團簇通過共點、共線、共面、嵌套等多種連接方式形成了納米尺度的二十面體中程序結(jié)構(gòu),提高了合金體系中的局域原子堆垛密度,有利于合金體系非晶形成能力的提高�；谏鲜鯝IMD計算模擬結(jié)果,在(Ti,Co,Sn)56Cu44合金成分基礎(chǔ)上,研究了 Zr和Si的添加對該體系合金非晶形成能力的影響,獲得了一系列直徑 2-3 mm 的 Ti46Zr12.5-xCu31.5Co7Sn3Six(x=0,0.5,1,1.5)塊體非晶合金體系。該合金體系不含Be、Ni和貴金屬元素Pd,具有較好的生物醫(yī)用前景。研究表明,當Zr的添加量為12.5 at.%時,Ti46Zr12.5Cu31.5Co7Sn3直徑2 mm的樣品為全非晶結(jié)構(gòu),Zr的添加有效地提高了合金的原子尺寸差、電負性差和混合焓,有利于合金非晶形成能力的提高。當Si的添加量為1 at.%時,Ti46Zr11.5Cu31.5Co7Sn3Si1的非晶形成能力進一步提高,可以形成直徑3 mm的全非晶結(jié)構(gòu),且該成分具有良好的壓縮性能,其屈服強度和斷裂強度分別為2478 MPa和2623 MPa,Si的添加同時促進了剪切帶的萌生和擴展,將合金的壓縮塑性從0提高到了 0.83%。為了進一步發(fā)展具有抑菌功能的Ti基塊體非晶合金,本論文系統(tǒng)研究了Ti46Zr11.5Cu31.5-xCo7Sn3Si1Agx(x = 0,1,2,3,4,5)合金體系的微觀組織演化、熱力學穩(wěn)定性、力學性能、抗腐蝕行為和抗菌性能。研究表明,通過適量Ag的添加將合金體系的非晶形成能力從3 mm提高到5mm。Ag的添加降低了合金的熔點但提高了合金的晶化激活能。當添加1 at.%的Ag時,Ti46Zr11.5Cu30.5Co7Sn3Si1Ag1合金的屈服強度和屈服應(yīng)變分別為2604 MPa和2.55%。此類塊體非晶合金的剪切斷裂機制符合Tresca準則。Ti46Zr11.5Cu27.5Co7Sn3Si1Ag4塊體非晶合金與Ti-6A1-4V合金相比,在四種不同的腐蝕介質(zhì)中均表現(xiàn)出更低的自腐蝕電流密度和更高的自腐蝕電位,表明該類非晶合金優(yōu)異的抗腐蝕性能�？咕囼灡砻�,該類非晶合金對金黃色葡萄球菌具有良好的殺菌效果,與Ti-6A1-4V合金相比,Ti46Zr11.5Cu27.5Co7Sn3Si1Ag4塊體非晶合金的抗菌率高達96.81%。本論文研究了不同含量Nb的添加對Ti46Zr11.5Cu31.5Co7Sn3Si1塊體非晶合金組織與力學性能的影響規(guī)律。研究表明,當Nb的添加量為1 at.%時,Ti46Zr10.5Cu31.5Co7Sn3Si1Nb1合金非晶基體上均勻分布著尺寸在5-30 μm的晶化相,合金表現(xiàn)出優(yōu)異的壓縮性能,屈服強度2362 MPa,塑性應(yīng)變6.8%,斷裂時總變形量為10.1%。高Nb含量的添加促進了合金組織中β-Ti枝晶的形成,隨著Nb含量的增加,合金的塑性應(yīng)變從Ti57.5Cu25.5Co7Sn3Si1Nb6合金的6.74%提高到了 Ti57.5Cu17.5C07Sn3Si1Nb14合金的23.21%。在壓縮加載過程中,Ti60Cu14Ni12Sn4Ta10納米晶-枝晶復合材料基體中共晶區(qū)域的B2NiTi相在彈性階段發(fā)生了馬氏體相變。該合金1.92%的彈性應(yīng)變應(yīng)歸因于彈性階段發(fā)生的馬氏體相變以及組織中β-Ti和CuTi_2相的彈性變形。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG139.8;TB33

【參考文獻】

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本文編號：1594488