1、第 卷 第 期 年 月电 子 显 微 学 报 ，文章编号：（）亚稳 型（）合金的力学性能与微观结构研究任抒琪，刘翠秀，齐悦童，黄子坤，刘林林，孙 威（北京工业大学 材料与制造学部固体微结构与性能研究所，北京）摘 要 本文对亚稳 型（）、（）、（）和（）合金的力学性能和微观结构进行了研究，并探讨了 元素的添加对 合金力学性能影响的作用机理。结果表明：添加 元素可以提高 合金的抗拉强度和塑性，但 元素替代相同原子比的 元素与替代相同原子比的 元素的作用机理不同。分析认为在一定原子比范围内，当 元素替代相同原子比的 元素时，合金的 相稳定性提高，元素的添加对合金起到固溶强化的作用；而当 元素替代相同
2、原子比的 元素时，随着 元素含量的增大、元素含量的减少，合金的 相稳定性降低，塑性变形过程中应力诱发相变与变形孪晶易产生，合金的强度与塑性得到提高。（）合金室温塑性变形过程中，变形孪晶起主导作用，在合金晶粒内部产生多种孪晶变体，不同孪晶变体之间会发生交互作用，为了进一步协调应力会在粗大的一次孪晶中形成二次孪晶。关键词 亚稳 钛合金；室温拉伸变形；添加；变形孪晶中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修订日期：基金项目：北京市自然科学基金资助项目（）作者简介：任抒琪（），女（汉族），山西人，硕士：通讯作者：刘翠秀（），女（汉族），山西人，副研究员：孙威（），男（汉族），辽宁人，博士研究生导师：传统
3、的生物医用植入材料如不锈钢、钴基合金因毒副作用和“应力屏蔽”等问题不能满足人们的需求，而钛合金由于综合力学性能优异（比强度高、断裂韧性强、耐磨性高等），性价比合适等特性脱颖而出，是较为推荐使用的生物医用植入材料之一。其中亚稳 钛合金（例如：系合金、系合金等）是钛合金中弹性模量较低且强度较高的一类，作为医用植入材料较为合适，因此受到研究者的广泛关注。亚稳 钛合金具有优良的冷加工性能，不同的冷加工变形方式可以使合金获得不同的性能，因此为了更好地设计出性能优异的钛合金，课题组对亚稳 钛合金的塑性变形行为进行了分析研究。研究表明，亚稳 钛合金的变形行为与 相的稳定性密切相关。通常认为，随着钛合金中 相
4、稳定性的提高，应力诱发马氏体相变，应力诱发 相相变，变形孪晶以及位错滑移变形机制随之开动。这些变形机制往往不是单一出现，而是多种并存，多种应力诱发微观结构相互作用、相互转变，导致亚稳 钛合金的变形行为和微观组织结构演变过程较为复杂，为研究带来困难。合金化元素的添加可以改变合金 相的稳定性，从而影响变形机制类型，最终达到调控合金性能的目的。研究者们在亚稳 钛合金中添加、等无毒元素以提高合金的性能。等尝试在 合金中添加、元素以探究合金化元素对钛合金弹性模量与超塑性的影响，最终获得了较低弹性模量和综合力学性能优异的 合金。有研究表明，元素的添加可以提高合金 相的稳定性，抑制 相向 相转变。等通过测量
5、不同 含量的 型 合金的（）相界，发现 元素的添加可以降低马氏体相变温度，说明 元素对 相的稳定性有很大的影响，而且随着合金中另一种 稳定剂元素（即）含量的增加，元素对 相的稳定化效果增强。等通过对（）（）（）一系列合金的性能进行表征，发现添加 元素会降低 合金的马氏体相变温度 和逆相变温度，且在室温下保持 相的最小 元素含量随着 元素含量的增加而不断降低，说明 元素的添加是可以提高 相的稳定性。现有研究都是通过大量力学性能实验总结出 元素对 相 电子显微学报 第 卷的稳定性有影响，需要对其产生影响的作用机理进行进一步的研究分析，为研发出性能更加优异的钛合金提供理论基础。综上所述，通过调控 合
6、金中 元素的比例，可以达到调控 合金的综合力学性能的目的，即降低合金的弹性模量，保证或提高合金的强度。因此本文拟设计合适成分的合金比例，制备四种不同成分的（）合金。通过对比 （）、（）、（）、（）四种合金的力学性能（包括弹性模量，抗拉强度）和塑性变形后的微观组织，分析 元素对合金力学性能及塑性变形行为的影响，探讨 元素对 合金力学性能影响的作用机理。材料与方法 按照合金设计成分比例（见表）量取高纯（）、（）、（）金属颗粒，放至高真空钨极电弧熔炼炉中熔炼，为了保证合金铸锭熔炼的均匀性，在熔炼过程中每个合金铸锭上下翻转熔炼 次，且需要多次磁控搅拌，每次熔炼 左右，得到纽扣状合金铸锭。通过 射线荧光
7、光谱仪（）分析各个铸锭实际成分，确定与名义成分相符。然后将铸锭在 下固溶 ，水淬冷却。各合金的、计算如表 所示，多种方法计算结果均表明这四种合金均为亚稳 钛合金。通过 射线衍射仪（，）确定样品的相组成。使用纳米压痕仪（）测试样品的弹性模量，使用 压头，测试方法为连续刚度测量法（），设置压入深度 。从固溶铸锭中切取拉伸样品，标距段尺寸为 。在 型电子万能试验机上进行室温拉伸实验，拉伸速率为 。由于试样尺寸较小，为保证实验的真实性和可靠性进行多次平行实验，通过实验发现样品应力应变曲线趋势相同，且测试结果相近，故选取其中一个进行分析。使用扫描电子显微镜（）对固溶样品和拉伸前后样品进行 表征。加速电压
8、为 ，测试样品需进行电解抛光，电解抛光液成分为（），实验电压为，实验温度为 ，抛光时间约为；对固溶样品采用离子减薄（）的方法制备 观察样品，使用透射电子显微镜（）进行观察，加速电压为 。表 （）合金的名义成分及其，值 ，（）（）实验结果与讨论 力学性能 室温拉伸应力应变曲线分别对、和 四种合金进行室温拉伸实验，室温拉伸应力应变曲线如图 所示。从室温拉伸应力应变曲线可观察出，四种合金的塑性变形过程均可分为三个阶段，第一阶段是包括弹塑性变形的初期阶段。需要注意的是，由于小试样拉伸相对放大了变形初期由于夹具微小脱滑引起的误差，因此初始阶段的应力应变曲线并不准确，但对试样屈服后进入塑性变形阶段的应力应
9、变曲线影响很小。第二阶段为均匀塑性变形阶段（固溶态 合金变形量为 到，固溶态 合金变形量为，固溶态 合金变形量为，固溶态 合金变形量为 ），在这一阶段可以观察到加工硬化效果使应力随着应变的增加不断增大，直到到达合金最大的抗拉强度；第三阶段为不均匀塑性变形阶段（固溶态 合金变形量为 ，固溶态 合金变形量为，固溶态 合金变形量为，固溶态 合金变形量为 ），随后试样出现颈缩，并很快被拉断。从图 可知，固溶态、与 合金的最大抗拉强度分别为 、与 。通过对比、合金应力应变 第 期任抒琪等：亚稳 型（）合金的力学性能与微观结构研究 曲线发现，在 元素含量不变的前提下，添加 的 元素使合金得到强化，抗拉强度
10、增大，延伸率提高；通过对比、和 这三种合金应力应变曲线发现，在 元素含量不变的前提下，随着 元素含量的增加、元素含量的减少，合金的抗拉强度增大，延伸率提高。图 室温拉伸应力应变曲线。；。；弹性模量对比分析 由于本实验的拉伸样品尺寸较小，在拉伸变形初期夹具与样品之间的轻微滑脱导致的实验误差被放大，因此通过拉伸应力应变曲线计算得到的弹性模量会产生较大误差。然而弹性模量是生物医用植入材料力学性能的一项重要指标，因此本实验将使用纳米压痕仪对合金进行弹性模量的测试，测试结果如图 所示。文献报道添加 元素，可以降低 合金的弹性模量，本文的实验结果表明，元素取代合金中的 元素或 元素，对其弹性模量的影响有所
11、差异。由图 可观察出 合金和 合金的弹性模量相近，分别为 和 ；和 的弹性模量有所降低，分别为 和 。电子浓度 是影响包括 型钛合金在内的体心立方过渡金属弹性模量的主要影响因素，值减小则弹性模量降低，。通过计算可知这四种合金的 值分别为 ，。结合四种合金弹性模量与电子浓度可知，在保持 元素含量不变的前提下，随着 元素含量的增加、元素含量的减少，合金电子浓度降低，弹性模量降低。图 固溶态（）合金的弹性模量对比图。（）结构表征与分析 力学性能的变化与合金微观结构息息相关，为了探究本实验合金性能变化的原因，需要对合金物相进行表征分析。固溶态、和 四种合金的 衍射图谱如图 所示。从 图谱可观察出固溶态
12、的 电子显微学报 第 卷合金由单一的 相构成；固溶态的 合金主要由 相组成，此外含有极少量的 相；而 合金和 除了主要的 相以外，还含有一定量的 相。图 固溶态（）合金的 图谱。（）固溶淬火后亚稳 钛合金的相组成与 相的稳定性相关，而合金化元素的种类和成分决定了 相的稳定性。合金较 合金相比，元素的添加使 相的稳定性提高，因此合金相组 成 为 单 一 的 相，与 文 献 报 道 结 果 一致，。而 合金和 合金与 合金相比，元素含量增大、元素含量减小，且 元素对于 相的稳定性的影响小于 元素，因此合金 相的稳定性有所降低，不能抑制 相的产生，所以相主要组成为 相和 相。在四种合金的衍射图谱中均
13、未观察到 相的衍射峰，由于 相尺寸较小，若其含量较低，未能检测到，因此单纯依靠 衍射图谱不能判断合金固溶淬火后是否存在 相，故需要进行 观察。通 过 对 固 溶 态 的、和 四种合金样品进行选区电子衍射，沿着方向观察所得 明场像，白色虚线圆圈区域对应的选区电子衍射花样以及 相对应的暗场像如图 所示。由、和 合金的选区电子衍射花样可看出，在 和 处有衍射斑的存在，说明在这三种合金中存在因淬火产生的绝热 相，由 暗场相可看到细小颗粒均匀分布在基体 相中。结合 结果分析可知、和 合金的固溶态相组成为 相、相和 相。而 合金的选区电子衍射花样未发现 相对应的衍射斑，结合 分析结果可知 合金的固溶态相组
14、成为单一的 相。由图 可以观察到拉伸应力应变曲线的弹塑性阶段均出现了明显的屈服平台。合金固溶态为单一 相，分析认为屈服平台的产生是由于拉伸过程中出现了应力诱发马氏体相变；而、和 这三种合金固溶态相组成为 相、相和 相，所以屈服平台的出现是 相变体的重新取向和 相发生应力诱发马氏体相变共同作用，。室温拉伸应力应变曲线结果表明在 合金中，元素具有一定的强化作用。当 元素替代 元素时，合金的 相稳定性提高，元素起到固溶强化的作用，使得合金的强度提升。当 元素替代 元素时，随着 元素含量的增加、元素含量的减少，且 元素对于 相的稳定性的影响小于 元素，合金的 相的稳定性逐渐降低，将无法抑制 相的产生，
15、而 相可以提高合金的抗拉强度和塑性，且 相稳定性较低的合金在室温塑性变形过程中易发生应力诱发相变（）和应力诱发孪生（），因此、和 这三种合金抗拉强度与塑性逐渐提高。据文献报道，（）合金中的 相可以显著提高钛合金的抗拉强度，但 相的析出严重恶化了钛合金的塑性，使合金易发生脆性断裂，。在本研究中，、合金和 这三种合金的固溶态中都含有 相，但这三种合金的抗拉强度与塑性均得到提高，这与以往的研究结果不一致，其内在原因有待后续分析和研究。为了进一步了解力学性能变化所对应的微观组织的演变，推测在室温拉伸过程中合金的结构演变过程，本实验选取拉伸裂断前后样品进行 分析，取向图如图 所示。从图 可以观察出 合金
16、拉伸前相组成为单一的 相；从图（）可观察出、和 合金拉伸前相组成为 相和 相。从图（）可观察出，拉伸后的样品晶粒内部存在大量的条带状结构。通过晶体学重位点阵（，）对条带结构的边界进行分析，可知条带状结构边界为重格点阵 的晶界，说明条带状结构为变形孪晶，孪晶界由黑色线标出。从图（）可以观察到四种合金的晶粒内均存在大量的孪晶，且不止一种取向，存在多种变体，不同的孪晶变体之间存在明显的交叉作用，交叉处孪晶界面有明显的曲折、收缩现象。第 期任抒琪等：亚稳 型（）合金的力学性能与微观结构研究 图 固溶态样品的 明场像和对应的选区电子衍射花样，以及 相对应的暗场像。；。，；同时可以观察到部分孪晶板条边界已
17、不能保持平直形貌，扭曲较严重，甚至部分孪晶出现破碎分裂。通过取向差分布分析可知，随着室温拉伸变形量的增大，基体 相与孪晶发生了不同程度的转动，致使孪晶与基体 相不能保持严格的 取向差关系。从图（）白色虚线框内区域可观察到，在、和 合金的某些晶粒内，存在二次孪晶，经过取向分析可知是在 一次孪晶中产生二次孪晶，二次孪晶的产生使合金晶粒进一步的分割细化，协调应力以提高合金的抗拉强度和塑性。结论 本文对（）四种合金的力学性能及结构进行了表征与分析，研究表明 元素的添加可以强化 合金的抗拉强度和塑性，但 元素替代相同原子比的 元素与替代相同原子比的 元素的作用机理不同。分析认为：在一定原子比范围内，当
18、元素替代相同原子比的 元素时，合金的 相稳定性提高，元素的添加对合金起到固溶强化的作用；当 元素替代相同原子比的 元素时，随着 元素含量的增大、元素含量的减少，合金的 相稳定性降低，塑性变形过程中应力诱发相变 电子显微学报 第 卷图 拉伸断裂前后的 取向图。，；，；，；，。，；，；，；，与变形孪晶易产生，合金的强度与塑性得到提高。（）合金室温塑性变形过程中，变形孪晶起主导作用，在合金晶粒内部产生多种 孪晶变体，不同孪晶变体之间会发生交互作用，为了进一步协调应力会在粗大的一次孪晶中形成二次孪晶。第 期任抒琪等：亚稳 型（）合金的力学性能与微观结构研究 参考文献：王宇轩，孙威 亚稳 型 合金变形孪晶交互作用的电子显微研究 电子显微学报，（）：胡常青，刘翠秀，陈斌，等 合金拉伸变形过程中变形孪晶的 研究 电子显微学报，（）：，：，：，（，），：，（）：，：，（）：，（）：，（）（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，：，（），（）：，（）：，（）：，：孟庆坤，张盼，梅碧舟，等 亚稳 型 合金在热机械处理中微观组织和力学性能演化 稀有金属，（）：，：，：，：，：，：，：，：，：，：电子显微学报 第 卷 （），（，），（），（），（）（），（），；