【摘 要】
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体心立方（β型）钛合金具有热诱发亚稳相变（α’/α"马氏体、ω相和O’相）和应力诱发塑性变形方式多样性（α’/α"马氏体相变、ω相变、{332}孪生和{112}孪生）的特点,表现出形状记忆效应、超弹性、低模量、相变诱发塑性（TRIP）和孪生诱发塑性（TWIP）效应等诸多优异的功能和结构特性。β型钛合金在航空航天、海洋工程和生物医疗等领域拥有广阔的应用前景。目前钛合金基础研究领域
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体心立方（β型）钛合金具有热诱发亚稳相变（α’/α"马氏体、ω相和O’相）和应力诱发塑性变形方式多样性（α’/α"马氏体相变、ω相变、{332}<113>孪生和{112}<111>孪生）的特点,表现出形状记忆效应、超弹性、低模量、相变诱发塑性（TRIP）和孪生诱发塑性（TWIP）效应等诸多优异的功能和结构特性。β型钛合金在航空航天、海洋工程和生物医疗等领域拥有广阔的应用前景。目前钛合金基础研究领域的关键科学问题是如何确立β型钛合金中出现不同亚稳相和不同变形方式的判定准则。其难点在于探明合金成分、亚稳相和变形方式之间的内在关联性以及亚稳相结构演变规律和变形方式转换机制。本文从典型的β型Ti-Mo二元系钛合金出发,基于第一性原理计算和跨尺度组织表征,在构建团簇结构和团簇加层错结构以及分析电荷密度的基础上,建立特定晶体取向模量软化与热/应力诱发原子剪切、重组和塌陷之间的关联性,探讨各亚稳相之间和ω相自身晶体结构的演变以及{332}<113>孪生机制。论文的主要结论如下:为构建Ti-Mo合金中稳定的β相团簇结构,分析了 Mo原子在β相超晶胞中的占位情况,得出了具有最低结合能的沿<111>β方向排列的直线型-Mo-Ti-Mo-团簇结构。随着Mo原子的增加,<110>β、<100>β和<111>β方向的-Mo-Ti-Mo-团簇结构分别构成稳定的三角型、四面体型、无中心六面体型、中心六面体型和七面体型团簇结构。采用第一性原理计算其总能量和态密度,发现随着Mo浓度的增加,β相的总能量和费米能级处态密度的减小以及成键电子数的增多导致了其稳定性提高。Ti-Mo合金中热诱发形成的α"马氏体和ω相使得杨氏模量的计算值与实验值呈现出相反的变化趋势。基于稳定的-Mo-Ti-Mo-团簇结构单元,分别构建了正交结构α"马氏体和六方结构ω相的-Mo-Ti-Mo-直线型、三角型和四面体型团簇结构。利用第一性原理、X射线衍射和透射电子显微镜,分析了不同Mo浓度合金的亚稳相稳定性及其晶体结构。发现随着Mo浓度的增加,正交度和{110}β面上原子沿<110>β方向的重组量的减小,使得马氏体由密排六方结构转变为正交结构;{112}β面上原子沿<111>β方向塌陷程度的降低,导致ω相由六方结构变为三方结构。杨氏模量（E100）、四方剪切模量（C’）以及剪切模量（G111）的软化分别有利于α"马氏体相变的剪切和重组过程以及ω相变的塌陷过程。上述特定取向模量的竞争关系决定了亚稳相的形成顺序依次为:密排六方结构α’马氏体、正交结构α"马氏体、六方结构ω相和三方结构ω相。利用第一性原理和高角环形暗场扫描透射成像技术,研究了 Ti-Mo合金中热诱发ω相的形成和结构演变。实验观察到经固溶和水冷处理后的Ti-15Mo合金中三方结构ω相形成于纳米尺度的贫Mo区。从富Mo区到贫Mo区ω相的塌陷程度随着Mo浓度而连续变化,表现出其成分和结构的不稳定性。基于构建的团簇加层错结构,在远离团簇结构的贫Mo区,<112>β方向的晶格畸变与剪切模量（G111）的减小,有利于ω相的形成。塌陷过程中电荷密度差的最小值和层错能的最小值所对应的塌陷程度增大,使得ω相由三方结构变为六方结构。基于电子和原子层面的分析,ω相的成分和结构的双重不稳定性归因于团簇结构和层错的耦合作用。利用高分辨透射电镜表征了 Ti-15Mo合金变形前的亚稳相和变形后（应变量0.2%）的{332}<113>孪晶组织。基于-Mo-Ti-Mo-团簇结构,采用第一性原理分析了O’相的稳定性和重组量。实验观察到变形前热诱发ω相为三方结构,变形后在{332}<113>孪晶界附近出现六方结构ω相,以及沿孪晶界分布的应力诱发O’相。O’相的总能量和费米能级处态密度均高于ω相和β相,导致变形前的合金中而无热诱发以相形成。在Mo浓度较高时,杨氏模量（E100）大于四方剪切模量（C’）,导致应力诱发α"马氏体相变的剪切过程难以进行,从而仅发生应力诱发O’相变的重组过程。当O’相的重组量大于4.8/48时,其{130}<310>孪生比{110}<110>孪生更容易出现,并进一步转变为β相的{332}<113>孪晶。最终提出了在热诱发三方结构ω相和应力诱发O’相协同作用下的{332}<113>孪生机制。
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