论文部分内容阅读
Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt.％)(Ti2448)合金是一种新型亚稳β型钛合金,通过合金设计,抑制了ω和α"相交,实现了合金的超低杨氏模量和高强度,同时使合金具有低泊松比和与剪切模量相当的超低体模量。Ti2448合金在弹性变形时表现出约3.3％的超弹性和由弹性软化引起的非线性弹性变形行为；在塑性变形时表现出高度局域化的非均匀塑性变形行为。目前对于Ti2448合金低模量高强度的机理尚不清楚,对其弹性和塑性变形特性的机制也缺乏清楚的认识。本文利用光学浮区生长法制备Ti2448合金的单晶,研究了其弹性参数及弹性、塑性变形行为,探讨了Ti2448合金的弹性本质。
研究表明,β钛合金的价电子浓度e/α决定了合金的弹性性能,随着价电子浓度的降低,弹性常数c单调递减,弹性常数c44变化不大,体模量B降低,晶体的bcc结构的稳定性逐渐降低。弹性常数c、c44和B的共同作用,导致Ti2448合金具有超低的单晶杨氏模量E100=27.1～32.6 GPa,达到人体骨骼的模量水平。同时超低体模量与高强度相互作用,导致合金多晶可能出现一系列bcc结构接近弹性极限才能出现的特殊的性能。
Ti2448合金单晶具有很强的弹性各向异性,沿<100>、<110>和<111>取向拉伸均存在一定的可恢复弹性变形区间,其中,沿<100>方向拉伸表现出明显的弹性非线性,从本质上反映了bcc结构金属弹性非线性的特点。Ti2448合金<100>和<110>方向的有效势能曲线均存在一定的不对称性,反映了单晶的弹性非线性。单晶在弹性变形过程中表现出由于晶格畸变产生的弹性非线性,可以解释其多晶弹性变形时所表现出的非线性现象。Ti2448单晶沿<110>方向原位XRD表明,<110>方向泊松比与取向有关,泊松比v(1)10110为负值,bcc结构原子间作用力决定了其负泊松比存在和合理性。
Ti2448合金单晶的室温拉伸性能和晶体取向有关,<100>方向抗拉强度为631MPa,延伸率～73％；<110>方向抗拉强度为611 MPa,延伸率～22％；<111>方向拉伸抗拉强度为750 MPa,延伸率～13％。室温拉伸过程的塑性变形机制以滑移为主,室温拉伸过程的塑性变形以滑移为主,<100>方向开动{112}<111>滑移系,同时发生应力诱发α"相交,{112}<111>孪晶和应力诱发ω相变等变形方式；<110>方向开动{211><111>滑移系;<111>方向开动{211}<111>滑移系且存在扭折的变形方式。
Ti2448合金单晶压缩时表现出强烈的取向依赖性,同时表现出拉伸和压缩强度不对称性。与过渡族金属的塑性各向异性不同,Ti2448合金表现出与碱金属相似的性质。在应变速率为104 s-1’～10-2s-1的范围,Ti2448合金单晶表现出应变速率敏感性,应变速率敏感指数依次为m100>m110>m111。
Ti2448合金的实际强度较为接近理论强度,块体单晶中可以达到自身理论强度的～28.7％。对晶体理论强度分析表明,Ti2448合金本质上具有脆性。