【摘要】：亞穩(wěn)β型Ti-Nb系和Ti-Mo系合金憑借良好的生物相容性、無毒性、低楊氏模量以及優(yōu)良的力學(xué)性能等而成為很有發(fā)展前途的生物醫(yī)用植入產(chǎn)品。但是,以往對(duì)于這些合金的研究主要集中在性能方面,而對(duì)于導(dǎo)致這些性能變化所對(duì)應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征的研究還很缺乏,特別是在原子分辨層次下的微觀組織結(jié)構(gòu)特征,還有很多問題急需解決。本論文綜合利用各種表征手段,特別是利用球差校正高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射成像技術(shù)(High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy,HAADF-STEM)在原子分辨率下對(duì)亞穩(wěn)β型Ti-Nb系和Ti-Mo系合金中具有代表性的應(yīng)力誘發(fā)和熱誘發(fā)顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,目的在于深化對(duì)變形和析出結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),揭示重要基礎(chǔ)科學(xué)問題,為發(fā)展和設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的亞穩(wěn)β-Ti合金提供指導(dǎo)與參考。研究取得的重要結(jié)果概要如下:一、在室溫拉伸變形的Ti-50Nb(wt.%)合金中,通過球差校正HAADF-STEM觀察,發(fā)現(xiàn)處于生長(zhǎng)初期的{112}111變形孿晶的孿晶界面具有“臺(tái)階”結(jié)構(gòu),確認(rèn)了“臺(tái)階”結(jié)構(gòu)的形成與全位錯(cuò)的雙交滑移有關(guān),從原子尺度首次證明{112}111變形孿晶的生長(zhǎng)機(jī)制是由全位錯(cuò)滑移協(xié)助的雙交滑移生長(zhǎng)機(jī)制。同時(shí),在原子尺度上觀察到在{112}111變形孿晶的孿晶生長(zhǎng)前沿和孿晶界面處形成的過渡結(jié)構(gòu)(ω_T相)。ω_T相的形成是由{112}111孿晶剪切誘發(fā)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,從而可以形成具有漸變結(jié)構(gòu)特征的ω_T相。觀察結(jié)果表明具有漸變結(jié)構(gòu)特征的ω_T相直接反應(yīng)出孿晶生長(zhǎng)前沿/邊界的應(yīng)力分布狀態(tài),并據(jù)此探討了這種ω_T相的形成機(jī)制。二、通過球差校正HAADF-STEM成像技術(shù),在原子尺度上對(duì)室溫拉伸變形Ti-50Nb合金中{112}111變形孿晶的切變轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了討論,指出了利用電子衍射和衍襯的方法區(qū)分{112}111變形孿晶和應(yīng)力誘發(fā)ω相的局限性。三、在室溫拉伸變形可以發(fā)生可逆α″馬氏體相變的βTi-30Nb-3Pd(wt.%)合金中,觀察到一種{112}111_β變形孿晶交互作用的新形式。首次觀察到由于孿晶交互作用而形成的{332}113_β變形孿晶,并且證明在β相中觀察到的{112}111_β孿晶相互作用是α″馬氏體相中{110}110_(α″)孿晶相互作用在應(yīng)力松弛下的結(jié)果�；讦痢羼R氏體孿晶與β孿晶之間良好的晶體學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了與可逆α″馬氏體相變密切關(guān)聯(lián)的{112}111_β孿晶交互作用機(jī)制。四、通過球差校正HAADF-STEM成像技術(shù),對(duì)Ti-Nb系和Ti-Mo系亞穩(wěn)β-Ti合金中的{332}113變形孿晶的形成機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。從原子尺度上揭示了Ti-Nb系亞穩(wěn)β-Ti合金中形成的{332}113變形孿晶界面結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其孿晶界面處存在具有過渡特征的α″相,由此確定了Ti-Nb系中{332}變形孿晶的形成機(jī)制是β→α″→α″_({130}孿晶)→β_({332}孿晶)。而Ti-Mo系亞穩(wěn)β-Ti合金中{332}113變形孿晶界面處存在新型應(yīng)力誘發(fā)結(jié)構(gòu)(B相),并根據(jù)該結(jié)構(gòu)的過渡演變特征,提出了{(lán)332}113變形孿晶的新型形成機(jī)制(B相相變重組機(jī)制)。研究結(jié)果首次揭示了{(lán)332}113變形孿晶形成機(jī)制因合金體系而異,β相的不穩(wěn)定程度決定了合金可以選擇不同的{332}113_β變形孿晶的形成機(jī)制。五、在經(jīng)過748K/48h熱處理的Ti-15Mo合金中,通過球差校正HAADF-STEM觀察,發(fā)現(xiàn)等溫ω相的ω/β界面處會(huì)形成具有漸變結(jié)構(gòu)特征的過渡區(qū)域,明確了Ti-Mo合金中的等溫ω相顆粒的長(zhǎng)大機(jī)制是一種原子的純位移機(jī)制。同時(shí)發(fā)現(xiàn),等溫ω相顆粒會(huì)影響α相板條的形核,存在過渡結(jié)構(gòu)的ω/β相界面處的應(yīng)力在α相形核時(shí)起到了更加重要的作用。六、利用HAADF-STEM成像技術(shù),揭示了經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間等溫時(shí)效形成的單個(gè)等溫ω相內(nèi)部存在的亮暗條紋的特征和實(shí)質(zhì),并從等溫ω相顆粒在β相基體中時(shí)效生長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)出發(fā),定性地解釋了在亮暗相間區(qū)域的形成原因。七、對(duì)在748K/48h長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效處理后的Ti-15Mo合金進(jìn)行室溫拉伸變形,該合金呈現(xiàn)脆斷特征,在斷口處發(fā)現(xiàn)塑性變形局域化帶狀結(jié)構(gòu)。通過球差校正HAADF-STEM技術(shù),在原子尺度上研究了該變形帶的結(jié)構(gòu)特征,并據(jù)此提出基于連續(xù)相變觀點(diǎn)的變形帶形成機(jī)制。同時(shí)指出原子在不同相界面松弛重組的運(yùn)動(dòng),不僅可以釋放高應(yīng)力,而且可以在局部形成塑性變形帶。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.23;TN16

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2667342