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论文作者:杨锐等 期刊:PRL 发布时间:2009-2-10 13:11:48
多功能钛合金非线弹性形变机理研究

    图题:M-Ti2448合金形变前(a)和弹性形变范围内加载时(b)的高分辨像。(b)中左下角插图为所给区域的傅利叶变换图。(c)为(b)的一维傅利叶过滤像,从中可见明显的晶格畸变区域(1, 2, 3)。(d-h)是加载条件下继(c)之后不同时刻的系列高分辨像的一维傅利叶过滤像,从中可见区域2内位错偶的产生、扩展运动及逆过程。 

沈阳材料科学国家(联合)实验室近期在新型多功能钛合金非线弹性形变的微观机制研究方面取得重要进展。固体原子像研究部隋曼龄研究组与工程合金研究部杨锐、郝玉琳研究组合作,对该类合金开展了原位拉伸高分辨电镜观察研究,他们发现:施加应力后这种新型钛合金的初期形变是以均匀形核的位错环运动为主要特征,这些位错环能够可逆地产生、扩张和缩小、消亡;位错环产生的前奏是具有平面剪切特征的局域晶格扭曲,这种晶格扭曲也能够可逆地产生和消失;在外加应力更大的形变后期发生形变诱导的可逆马氏体相变。因此这类多功能钛合金的超弹性机制与形状记忆合金不尽相同:随外加应力增大,晶格扭曲、位错环产生与运动、马氏体相变这三种可逆形变机制依次发挥作用。对这些形变机制演化过程的揭示,不仅有助于深入理解多功能钛合金非线弹性形变的本质,而且为设计新型超弹性金属材料提供了知识基础。该研究结果1月30日由《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表。
 
Ti2448合金(重量百分比的化学成分为Ti-24Nb-4Zr-8Sn)是工程合金研究部近年研制的具有知识产权的新型钛合金,兼具低弹性模量和高强度特点,是生物相容性和力学相容性优异的新一代医用植入金属材料,制作的部分医用植入器件已通过国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心的注册检验。与大多数金属材料不同,这类合金的非线弹性形变行为不能简单地用已有的非线弹性形变机制(如应力诱发马氏体相变)加以解释。由于卸掉外加载荷后弹性形变消失,通常的解剖型微观结构表征手段很难用于材料弹性形变阶段的研究,因而这类新型钛合金的非线弹性本质尚未被充分认知。
 
隋曼龄研究组与工程合金研究部合作,利用在透射电子显微镜下原位拉伸的实验方法,研究了这类新型钛合金的非线弹性形变机理。为便于和应力诱发可逆马氏体相变机制进行直接比较,他们选用了容易诱发马氏体相变的低合金化的Ti2448合金(Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn-0.07O,简称M-Ti2448)作为研究对象。动态实验与观察发现:薄膜样品中的应力诱发可逆马氏体相变只发生在扩展裂纹附近的高应力应变区,因此不能视为主要的非线弹性形变机制;在低外加应力的初期形变阶段,晶粒内部普遍产生沿(110)面的具有微小剪切应变的局域晶格扭曲,这些晶格扭曲进而演变成位错环,两者均为可逆过程。这些实验结果对于弄清多功能钛合金弹性性质和变形机制具有重要意义:首先,在大多数固体材料中位错需借助于已存在的晶体缺陷以非均匀方式成核,一旦形成不易消亡,为非可逆过程;M-Ti2448合金中位错环均匀形核及回复过程表明,在这些晶格扭曲区域,外加应力已接近于材料的理想剪切强度,这与以往研究发现这类材料弹性性质特殊的结果一致。其次,位错等晶体缺陷的运动通常是材料塑性变形的机制,本工作首次观察到它们可以作为弹性变形机制发挥作用。第三,随外加应力继续增大,位错环的扩张导致位错偶间的吸引力减弱,不再具有回复的能力,此时材料进入了塑性形变阶段。本项研究表明,这些位错偶的有序排列可形成旋错,导致旋错所在的局部区域发生晶体偏转,通过该机制这类合金可在相对较低塑性应变条件下发生局域纳米化,由此解释了Ti2448合金室温压缩和轧制过程中晶粒快速细化的实验现象。上述对形变机制演化过程的原位观察研究,有助于深入理解多功能钛合金的形变本质;特别是具有可逆特征的位错环均匀成核的发现,丰富了人们对固体形变行为的认识,对运用该机制设计新合金具有重要的参考价值。
 
此项工作得到中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金和国家“973”项目的资助。(来源:中国科学院金属研究所)
 
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