亚稳β钛合金多次冲击下的组织演化
目 录
1 绪论 1
1.1 钛合金 1
1.2 剧烈塑性变形 3
1.3 剧烈塑性变形工艺的应用前景与问题 5
1.4 研究目的及主要内容 6
2 试验材料及试验方法 7
2.1 选择试样 7
2.2 试样的加工及准备 8
2.3 测试方法 9
3 实验结果与讨论 10
3.1 Ti1023合金经固溶处理后的光学显微形貌 10
3.2 Ti1023合金经不同应变后的光学显微形貌 11
3.3 Ti1023合金在不同应变后的XRD图谱 13
3.4 Ti1023合金经不同应变后的TEM形貌 13
3.5 不同应变对Ti1023力学性能的影响 15
3.6 讨论 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 钛合金
1.1.1 钛合金的发展历史
钛是上世纪50年代兴起的一种结构金属，由于钛合金的高强度、高耐热性、好的耐蚀性等特点被用于各个领域。如今很多国家都认识到了钛合金材料的重要性，并对其开展研究与实际应用。
20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r(TiAl)基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展[1,2]。
1.1.2 钛合金的分类
根据钛合金退火组织的不同，钛合金可以分为三大类，分别叫α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。分别用TA、TB、TC加顺序号来表示他们。如TA5、TB3、TC4等。
α型钛合金：它是由单相α固溶体组成的单相合金，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强，不能热处理强化，通常在退货状态下使用。通常用TA5、TA7等表示。
β型钛合金：它是由β相固溶体组成的单相合金，室温强度高，但热稳定性差，不适宜在高温下使用。通常用TB2、TB3、TB4表示。
α+β型钛合金：它是由α和β共同组成的双相合金，综合性能优异，稳定性好，有好的塑性、韧性和高温形变能力。通常用TC4等表示。
1.1.3 亚稳β钛合金的组织状态
在文献3中，通过图1-1亚稳β钛合金热处理后的低倍组织及SEM照片显示，当固溶温度为850℃时，合金基本没有发生再结晶，由于晶界不连续且晶内次生 α相呈现非常细小的粒状，在光镜下难以进行辨别，见图1-1(a)，在高倍SEM照片中，850℃固溶后沿原始晶界内析出的尺寸较大的初生 α相及时效析出的细小的片状次生 α相清晰可见，见图1-1(d)。当固溶温度为880℃时，由于发生了相变再结晶，光镜下表现为典型的等轴组织，见图1-1(c)，高倍的SEM照片中则反映出β晶内细小的片层组织，见图1-1(f)。
图1-1 合金热处理后低倍组织与SEM形貌照片[3]
1.1.4 亚稳β钛合金的性能特性及应用
β钛合金的强塑性与断裂韧性
通常β钛合金的强度和塑性主要受合金元素、相组织和热处理制度的影响。β钛合金的相组织十分复杂，并随着加工和热处理制度变化，其主要组织为β相、αP、αS、β′和ω相。
β晶粒尺寸对β钛合金强度的影响主要取决于合金的热处理状态。时效态的β钛合金的抗拉强度、屈服强度与β晶粒的尺寸无太大关系，其强度主要与时效析出的αS有关，而细小的β晶粒可以提高合金的延伸率和断面收缩率。固溶态的β钛合金的β晶粒尺寸对屈服强度的影响作用符合Hall Petch公式，即β晶粒越小，屈服强度越高。
影响β钛合金的断裂韧性主要有两个因素，即合金成分和显微组织。
随着合金成分中的间隙型元素含量增加，材料韧性降低。β钛合金中的β稳定元素，都有提高强度降低韧性的作用。中性元素Zr与其他β稳定元素相似。值得注意的是，大多数β稳定元素能提高对亚临界裂纹的扩展抗力，其中Mo的效果最显著。
β钛合金的显微组织中的αp，αS和β晶粒尺寸影响着β钛合金的断裂韧性。尤其是αp相的形状和分布对失稳裂纹扩展途径以及断裂韧性都起着重要作用[4]。
生物医用材料通常指人体植入材料，在所有生物医用材料中，金属材料应用最早，而且在目前临床应用中也最为广泛。金属系生物医用材料作为人体植入材料应具备条件为：1)生物学上良好的相容性，根据纯金属及其合金的生物相容性测试可以看出，V、Cd、Co、Hg、Cr、Ni 等元素对细胞的接触毒性较强，Al、Fe元素次之，而Zr、Mo、Sn、Ta、Pd、Hf 属于生物相容性优良的合金添加元素，但Pd、Ta、Hf 因成本较高可少加或不加；2) *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
化学上高度的稳定性；3)优异的抗腐蚀性能及一定的强度、坚硬度、韧性、耐磨性和耐疲劳等机械性能；4)制造上易加工性，价格便宜，使用方便等。
近年来，在作为人体植入物用金属材料的不锈钢系、钴铬合金系和钛系3大系中，钛及钛合金尤其是β钛合金以其优良的生物相容性、力学适应性、可加工性和在生物环境下的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应用。其临床医学应用包括：骨科、矫形外科、牙科、口腔医学、耳鼻喉科以及手术医疗器械等许多医学领域。
β钛合金在航空航天工业中的应用越来越广，在军民用飞机结构中的作用越来越大。β钛合金性能优异，可热处理到较高的强度(＞1400MPa)，与等强度的α或α+β钛合金相比，有优良的断裂韧性，某些合金的抗疲劳性能也很好。使用β钛合金可以大幅度降低飞机重量。β型钛合金具有良好的冷、热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。随着工艺的改进和低成本β钛合金的研究成功，β钛合的应用前景更加广阔[5]。
1.2 剧烈塑性变形
剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，SPD)作为一种新兴的塑性变形方法，可在变形过程中引入大的应变量，从而有效细化金属，获得亚微米甚至纳米尺寸的晶粒，通过变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体纳米材料。近年来，出现一系列SPD方法，如等通道转角挤压(Equal channel angular pressing，ECAP)，高压扭转 (High pressure and torsion，HPT)，累积轧合(Accumulative Roll Bonding，ARB)，往复挤压(Reciprocal Extrusion and Compression，CEC)。
SPD法制备微纳米材料的变形细化机制比较复杂，目前还没有统一的理论解释，争论比较多的有3种晶粒细化机制：形变诱导晶粒细化、热机械变形细化和粒子细化。
强塑性变形(SPD)是制造块状纳米晶材料最有前途的技术之一[6,7]。迄今为止，已经提出两种主要的晶粒细化机制[8,9]，即位错细分和孪晶断裂。通过位错细分，晶粒尺寸一般在亚微米级变饱和；因此，有限的细化能力被展示在本例中[10]。除增加相邻晶粒的取向差外，进一步的塑性变形不能再细化晶粒。与此相反，通过把原始粗晶粒细分成孪晶/基体薄层，然后孪晶和位错之间的相互作用，孪晶断裂有助于晶粒细化。可容易地将晶粒细化到纳米尺寸状态[9,10]。
1 绪论 1
1.1 钛合金 1
1.2 剧烈塑性变形 3
1.3 剧烈塑性变形工艺的应用前景与问题 5
1.4 研究目的及主要内容 6
2 试验材料及试验方法 7
2.1 选择试样 7
2.2 试样的加工及准备 8
2.3 测试方法 9
3 实验结果与讨论 10
3.1 Ti1023合金经固溶处理后的光学显微形貌 10
3.2 Ti1023合金经不同应变后的光学显微形貌 11
3.3 Ti1023合金在不同应变后的XRD图谱 13
3.4 Ti1023合金经不同应变后的TEM形貌 13
3.5 不同应变对Ti1023力学性能的影响 15
3.6 讨论 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 钛合金
1.1.1 钛合金的发展历史
钛是上世纪50年代兴起的一种结构金属，由于钛合金的高强度、高耐热性、好的耐蚀性等特点被用于各个领域。如今很多国家都认识到了钛合金材料的重要性，并对其开展研究与实际应用。
20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r(TiAl)基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展[1,2]。
1.1.2 钛合金的分类
根据钛合金退火组织的不同，钛合金可以分为三大类，分别叫α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。分别用TA、TB、TC加顺序号来表示他们。如TA5、TB3、TC4等。
α型钛合金：它是由单相α固溶体组成的单相合金，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强，不能热处理强化，通常在退货状态下使用。通常用TA5、TA7等表示。
β型钛合金：它是由β相固溶体组成的单相合金，室温强度高，但热稳定性差，不适宜在高温下使用。通常用TB2、TB3、TB4表示。
α+β型钛合金：它是由α和β共同组成的双相合金，综合性能优异，稳定性好，有好的塑性、韧性和高温形变能力。通常用TC4等表示。
1.1.3 亚稳β钛合金的组织状态
在文献3中，通过图1-1亚稳β钛合金热处理后的低倍组织及SEM照片显示，当固溶温度为850℃时，合金基本没有发生再结晶，由于晶界不连续且晶内次生 α相呈现非常细小的粒状，在光镜下难以进行辨别，见图1-1(a)，在高倍SEM照片中，850℃固溶后沿原始晶界内析出的尺寸较大的初生 α相及时效析出的细小的片状次生 α相清晰可见，见图1-1(d)。当固溶温度为880℃时，由于发生了相变再结晶，光镜下表现为典型的等轴组织，见图1-1(c)，高倍的SEM照片中则反映出β晶内细小的片层组织，见图1-1(f)。
图1-1 合金热处理后低倍组织与SEM形貌照片[3]
1.1.4 亚稳β钛合金的性能特性及应用
β钛合金的强塑性与断裂韧性
通常β钛合金的强度和塑性主要受合金元素、相组织和热处理制度的影响。β钛合金的相组织十分复杂，并随着加工和热处理制度变化，其主要组织为β相、αP、αS、β′和ω相。
β晶粒尺寸对β钛合金强度的影响主要取决于合金的热处理状态。时效态的β钛合金的抗拉强度、屈服强度与β晶粒的尺寸无太大关系，其强度主要与时效析出的αS有关，而细小的β晶粒可以提高合金的延伸率和断面收缩率。固溶态的β钛合金的β晶粒尺寸对屈服强度的影响作用符合Hall Petch公式，即β晶粒越小，屈服强度越高。
影响β钛合金的断裂韧性主要有两个因素，即合金成分和显微组织。
随着合金成分中的间隙型元素含量增加，材料韧性降低。β钛合金中的β稳定元素，都有提高强度降低韧性的作用。中性元素Zr与其他β稳定元素相似。值得注意的是，大多数β稳定元素能提高对亚临界裂纹的扩展抗力，其中Mo的效果最显著。
β钛合金的显微组织中的αp，αS和β晶粒尺寸影响着β钛合金的断裂韧性。尤其是αp相的形状和分布对失稳裂纹扩展途径以及断裂韧性都起着重要作用[4]。
生物医用材料通常指人体植入材料，在所有生物医用材料中，金属材料应用最早，而且在目前临床应用中也最为广泛。金属系生物医用材料作为人体植入材料应具备条件为：1)生物学上良好的相容性，根据纯金属及其合金的生物相容性测试可以看出，V、Cd、Co、Hg、Cr、Ni 等元素对细胞的接触毒性较强，Al、Fe元素次之，而Zr、Mo、Sn、Ta、Pd、Hf 属于生物相容性优良的合金添加元素，但Pd、Ta、Hf 因成本较高可少加或不加；2) *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
化学上高度的稳定性；3)优异的抗腐蚀性能及一定的强度、坚硬度、韧性、耐磨性和耐疲劳等机械性能；4)制造上易加工性，价格便宜，使用方便等。
近年来，在作为人体植入物用金属材料的不锈钢系、钴铬合金系和钛系3大系中，钛及钛合金尤其是β钛合金以其优良的生物相容性、力学适应性、可加工性和在生物环境下的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应用。其临床医学应用包括：骨科、矫形外科、牙科、口腔医学、耳鼻喉科以及手术医疗器械等许多医学领域。
β钛合金在航空航天工业中的应用越来越广，在军民用飞机结构中的作用越来越大。β钛合金性能优异，可热处理到较高的强度(＞1400MPa)，与等强度的α或α+β钛合金相比，有优良的断裂韧性，某些合金的抗疲劳性能也很好。使用β钛合金可以大幅度降低飞机重量。β型钛合金具有良好的冷、热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。随着工艺的改进和低成本β钛合金的研究成功，β钛合的应用前景更加广阔[5]。
1.2 剧烈塑性变形
剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，SPD)作为一种新兴的塑性变形方法，可在变形过程中引入大的应变量，从而有效细化金属，获得亚微米甚至纳米尺寸的晶粒，通过变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体纳米材料。近年来，出现一系列SPD方法，如等通道转角挤压(Equal channel angular pressing，ECAP)，高压扭转 (High pressure and torsion，HPT)，累积轧合(Accumulative Roll Bonding，ARB)，往复挤压(Reciprocal Extrusion and Compression，CEC)。
SPD法制备微纳米材料的变形细化机制比较复杂，目前还没有统一的理论解释，争论比较多的有3种晶粒细化机制：形变诱导晶粒细化、热机械变形细化和粒子细化。
强塑性变形(SPD)是制造块状纳米晶材料最有前途的技术之一[6,7]。迄今为止，已经提出两种主要的晶粒细化机制[8,9]，即位错细分和孪晶断裂。通过位错细分，晶粒尺寸一般在亚微米级变饱和；因此，有限的细化能力被展示在本例中[10]。除增加相邻晶粒的取向差外，进一步的塑性变形不能再细化晶粒。与此相反，通过把原始粗晶粒细分成孪晶/基体薄层，然后孪晶和位错之间的相互作用，孪晶断裂有助于晶粒细化。可容易地将晶粒细化到纳米尺寸状态[9,10]。
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