塑性變形對(duì)TiNbTaZr合金微觀結(jié)構(gòu)的影響

李 炎，張林光，劉玉亮，任鳳章

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003)

0 前言

鎳鈦合金具有優(yōu)良的形狀記憶功能，還具有超彈性特性，所以作為生物用金屬材料得到了廣泛的應(yīng)用。但是，近年來(lái)的研究表明鎳元素有致人體過(guò)敏和致癌作用［1］，因此，研究人員在醫(yī)療領(lǐng)域和生物用材方面正在尋找鎳鈦合金的代用品，一些含有Nb、Ta、Sn、Zr、N、O等無(wú)毒元素的新型Ti基合金得到了廣泛的關(guān)注，具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性行為的無(wú)鎳鈦合金 Ti-Nb［2］，Ti-Nb-Sn［3-6］，Ti-Nb-Zr-Sn［7］，Ti-Nb-Ta-Zr［8-10］以及Ti-Nb-Ta-Zr-O［11］相繼被開發(fā)，這些合金要真正付諸使用，還要做大量的研究工作。本文對(duì)TiNbTaZr合金在塑性變形過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了研究，旨在為該合金的應(yīng)用以及該合金的相變機(jī)制提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為φ20 mm的TiNbTaZr棒料，成分如表1所示。首先對(duì)材料進(jìn)行固溶處理，處理溫度1 063 K，保溫時(shí)間3.6 ks，冰水冷卻。隨后用鉬絲切割機(jī)切成長(zhǎng)、寬、厚分別為22 mm×12 mm×5 mm的試塊，用砂紙將試塊厚度方向兩面研磨除去切割痕跡，并磨至光亮。用自制雙輥軋機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫下多道次軋制，用公式ε=(d0-d)/d0(式中d0為軋制變形前的厚度，d為每道軋制變形后的厚度)計(jì)算出變形量分別為20%、40%、67%、83%、92%。從變形前后的試樣上分別切取適當(dāng)大小的試塊，用機(jī)械減薄法減薄至0.08 mm后沖成φ3 mm的圓片，用雙噴電解拋光儀減薄至出現(xiàn)小孔，制備成透射電鏡樣品。雙噴電解拋光所用的電解液為體積分?jǐn)?shù)為5%的高氯酸+無(wú)水乙醇，電解電壓30 kV，電解溫度-30℃。用H-800透射電鏡進(jìn)行顯微組織觀察和相結(jié)構(gòu)分析，試驗(yàn)用加速電壓為200 kV(λ=0.002 5 nm)，相機(jī)長(zhǎng)度L為800 mm。用電子衍射基本公式Rd=Lλ=K對(duì)衍射花樣進(jìn)行標(biāo)定，式中，L為相機(jī)長(zhǎng)度;λ為加速電壓下的波長(zhǎng);K為相機(jī)常數(shù);R為衍射斑點(diǎn)到透射斑點(diǎn)的距離(從衍射花樣上測(cè)出);d為衍射晶面間距。根據(jù)試驗(yàn)條件L、λ可求出相機(jī)常數(shù)K，從而可以求出每個(gè)衍射斑點(diǎn)所代表的晶面間距。用求出的晶面間距與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粉末衍射卡片(JCPDS)的晶面間距對(duì)照，確定衍射花樣所代表的晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)不同應(yīng)變量的試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，所用載荷F=200 N，保持時(shí)間10 s，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。

表1 TiNbTaZr的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 變形量對(duì)顯微組織的影響

圖1為TiNbTaZr合金變形前試樣的顯微組織像，圖1a為低倍金相照片，用截線法測(cè)得試樣的平均晶粒尺寸為32 μm，圖1b為透射電子顯微像，從圖1中可見晶界平直，晶內(nèi)缺陷很少。圖2a為應(yīng)變量40%時(shí)試樣的透射電子顯微像，從圖2a中可以看出:晶界仍然平直，晶粒內(nèi)局部區(qū)域有高密度位錯(cuò)以及個(gè)別粗大孿晶。圖2b為應(yīng)變量92%時(shí)的透射電子顯微像，從圖2b中可以看出:成團(tuán)族的高密度位錯(cuò)把原始大晶粒分成位向不同的亞晶塊，從這些亞晶塊中還依稀可見板條組織特征(圖2b中箭頭所示)，在不同區(qū)域觀察沒有發(fā)現(xiàn)清晰可辨的平直晶界。

圖1 TiNbTaZr合金變形前試樣的顯微組織像

圖2 TiNbTaZr合金變形后試樣的透射電子顯微像

2.2 變形量對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖3 a為TiNbTaZr合金變形前試樣的選區(qū)電子衍射花樣。標(biāo)定表明:該衍射花樣為體心立方β相，單胞參數(shù)a=0.328 3 nm，各衍射斑點(diǎn)所代表的晶面指數(shù)如圖3a中所示，晶帶軸為［11］β。圖3b 為應(yīng)變量40%試樣的選區(qū)電子衍射花樣，從圖3b中可見除了強(qiáng)衍射斑點(diǎn)之外，還有弱衍射斑點(diǎn)，且弱衍射斑點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)，顯示出孿晶位向特征。對(duì)圖3b標(biāo)定表明:該衍射花樣上的強(qiáng)衍射斑點(diǎn)為體心立方β相，各衍射斑點(diǎn)所代表的晶面指數(shù)如圖3b中所示，晶帶軸為［11］β。弱衍射斑點(diǎn)為形變誘發(fā)馬氏體α”相的衍射，α”相為正交晶系，單胞參數(shù)a=0.315 2 nm，b=0.485 4 nm，c=0.464 2 nm［12］。形變誘發(fā)馬氏體α”相的兩套斑點(diǎn)互為孿晶關(guān)系，標(biāo)定如圖3b中所示(分別用腳標(biāo)α和αt表示)，晶帶軸都為［11］α″。β相與形變誘發(fā)馬氏體 α”相的位向關(guān)系為［11］β//［11］α″。圖3c為應(yīng)變量92%試樣的選區(qū)電子衍射花樣，強(qiáng)衍射斑點(diǎn)為β相，標(biāo)定如圖3c中所示，晶帶軸為［100］β;強(qiáng)衍射斑點(diǎn)之間的弱斑點(diǎn)為形變誘發(fā)馬氏體α”相的衍射斑點(diǎn)，標(biāo)定如圖3c中所示，晶帶軸為［100］α″。β相與形變誘發(fā)馬氏體α”相的位向關(guān)系為

電子顯微分析和電子衍射相結(jié)構(gòu)分析表明:TiNbTaZrβ型合金軋制過(guò)程中的變形行為主要以位錯(cuò)-滑移為主。同時(shí)，在軋制應(yīng)力的作用下有形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，形成了少量馬氏體α”相。

圖3 TiNbTaZr合金變形前和變形后試樣的選區(qū)電子衍射花樣

2.3 變形量對(duì)硬度的影響

表2所示為TiNbTaZr合金硬度值隨變形量的變化。從表2中可以看出:變形量小于67%時(shí)，在變形的每個(gè)階段合金的硬度值增加較小，大于67%后硬度值增大明顯加快。從電子顯微分析可知:硬度值的增加是由于軋制過(guò)程中形成的高密度位錯(cuò)強(qiáng)化作用的結(jié)果。

表2 TiNbTaZr合金硬度值隨變形量的變化

3 結(jié)論

TiNbTaZr合金為體心立方β相合金，該合金的軋制變形主要以位錯(cuò)-滑移為主，有少量應(yīng)力誘發(fā)馬氏體α”相形成，該α”相為正交晶系，單胞參數(shù)a=0.315 2 nm，b=0.485 4 nm，c=0.464 2 nm。β相與α”相的位向關(guān)系為TiNbTaZr合金的硬度值隨變形量的增加而增大。

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