【摘 要】
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钛及钛合金因高的比强度、良好的耐腐蚀性、优异的生物相容性以及较低的弹性模量而被广泛应用于生物医用领域。以应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金为例,其弹性模量约为110GPa,大幅度低于医用不锈钢（210GPa）以及医用钴合金（240GPa）,但距离人骨模量（10～30GPa）仍有不小的差距。值得注意的是,Ti-6Al-4V合金中的Al元素和V元素具有生物毒性,长期存在于人体会对人体健康造成伤害。因
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钛及钛合金因高的比强度、良好的耐腐蚀性、优异的生物相容性以及较低的弹性模量而被广泛应用于生物医用领域。以应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金为例,其弹性模量约为110GPa,大幅度低于医用不锈钢（210GPa）以及医用钴合金（240GPa）,但距离人骨模量（10～30GPa）仍有不小的差距。值得注意的是,Ti-6Al-4V合金中的Al元素和V元素具有生物毒性,长期存在于人体会对人体健康造成伤害。因此,由完全无生物毒性元素组成的β型钛合金凭借其更好的生物相容性以及更低的弹性模量而成为生物医用材料领域的研究热点。在前期,本课题组通过调控合金中β稳定元素含量外加适当的热机械处理最终制备出兼具超低模量和高强度的亚稳β型Ti-33Nb-4Sn合金,但其中涉及的关键科学问题:超低弹性模量的物理机制以及合金中马氏体相变与力学行为的相关性尚不清楚。本文采用X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）、透射电子显微镜（TEM）、力学性能测试（Tensile test）和原位同步辐射（SXRD）等测试方法系统地研究了Ti-33Nb-4Sn合金中马氏体相变对合金力学行为的影响,旨在揭示合金中超低弹性模量的物理机制和马氏体相变、微观组织以及力学行为三者之间的内在相关性,主要研究结果如下:Ti-33Nb-4Sn合金由于较低的β稳定元素含量而在固溶淬火后形成了大量的α″马氏体。在经过冷轧处理与400℃下短时退火20min后,Ti-33Nb-4Sn合金中的晶粒得到了明显细化,合金中α″马氏体相消失,大量位错以及纳米尺度的α强化相存在于β基体上,位错与α相的交互作用使得合金强度得到了明显提高。课题组选取其中模量与强度匹配性较好的冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金（E=36GPa,σs=850MPa）来研究其超低弹性模量的物理机制。根据Hill关系,合金的多晶弹性模量取决于其单晶弹性常数,本文所研究的Ti-33Nb-4Sn合金由于其较低的β相稳定性而无法制取单晶,因此课题组采用弹塑性自洽模型结合同步辐射技术来抽取冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金的单晶弹性常数,从而使得进一步研究弹性模量与弹性常数的相关性成为可能。最终研究结果表明,与二元钛合金相比,冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金的剪切模量C′和C44明显偏低,这意味着合金中无论是关于{110}＜11?0＞剪切还是关于{001}＜100＞剪切的β相的稳定性保持一个较低的水平,而这赋予了冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金超低的弹性模量。Ti-33Nb-4Sn合金中β相的稳定性除了能够对合金的弹性模量产生影响外,还会显著影响合金在拉伸过程中的力学行为。固溶态Ti-33Nb-4Sn合金在拉伸过程中呈现以“应力平台”为特征的“双屈服”变形行为。冷轧态Ti-33Nb-4Sn合金在拉伸过程中并未出现“应力平台”,转而呈现为一种非线性的变形行为,这主要归因于合金在冷轧过程中引入的位错和晶界对马氏体相变的迟滞作用。冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金能呈现大的弹性应变量（约为3%）,显著高于目前公开报道的大部分钛合金,并且也明显优于目前大多数采用的弹性金属材料。这种极佳的弹性变形能力主要归因于冷轧退火态Ti-33Nb-4Sn合金中适中的β相稳定性以及合金中位错晶界等结构因素对马氏体相变的抑制作用。进一步研究表明,预变形处理对固溶态与冷轧态Ti-33Nb-4Sn合金的力学行为产生显著影响,具体表现为在预变形处理后都呈现近乎完全线弹性的变形行为。这主要归因于在预变形处理后合金中发生的应力诱发马氏体相变是程度低且可逆,并且是连续发生在较宽应力范围内的。上述的研究结果表明:通过适当的热机械处理辅以预变形处理,可以调控β+α″双相钛合金中的马氏体相变特征,从而使其具备良好的力学性能（低模量和高强度）以及线弹性变形行为,这改变了传统双相钛合金由于“应力平台”的存在而无法具备良好应用前景的现状。基于上述设计思路,课题组通过冷拔处理制备了Ti-36Nb合金丝材。冷拔态Ti-36Nb合金经预变形处理后,其弹性模量达到30GPa,拉伸强度达到670MPa,弹性应变量达到2.14%,这一结果有望推动大线弹性变形β钛合金的设计和发展。
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