塑性变形对TiNbTaZr合金微观结构的影响

李 炎，张林光，刘玉亮，任凤章

(河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003)

0 前言

镍钛合金具有优良的形状记忆功能，还具有超弹性特性，所以作为生物用金属材料得到了广泛的应用。但是，近年来的研究表明镍元素有致人体过敏和致癌作用［1］，因此，研究人员在医疗领域和生物用材方面正在寻找镍钛合金的代用品，一些含有Nb、Ta、Sn、Zr、N、O等无毒元素的新型Ti基合金得到了广泛的关注，具有形状记忆效应和超弹性行为的无镍钛合金 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］相继被开发，这些合金要真正付诸使用，还要做大量的研究工作。本文对TiNbTaZr合金在塑性变形过程中微观结构的变化进行了研究，旨在为该合金的应用以及该合金的相变机制提供试验数据。

1 试验方法

试验所用材料为φ20 mm的TiNbTaZr棒料，成分如表1所示。首先对材料进行固溶处理，处理温度1 063 K，保温时间3.6 ks，冰水冷却。随后用钼丝切割机切成长、宽、厚分别为22 mm×12 mm×5 mm的试块，用砂纸将试块厚度方向两面研磨除去切割痕迹，并磨至光亮。用自制双辊轧机对试样进行室温下多道次轧制，用公式ε=(d0-d)/d0(式中d0为轧制变形前的厚度，d为每道轧制变形后的厚度)计算出变形量分别为20%、40%、67%、83%、92%。从变形前后的试样上分别切取适当大小的试块，用机械减薄法减薄至0.08 mm后冲成φ3 mm的圆片，用双喷电解抛光仪减薄至出现小孔，制备成透射电镜样品。双喷电解抛光所用的电解液为体积分数为5%的高氯酸+无水乙醇，电解电压30 kV，电解温度-30℃。用H-800透射电镜进行显微组织观察和相结构分析，试验用加速电压为200 kV(λ=0.002 5 nm)，相机长度L为800 mm。用电子衍射基本公式Rd=Lλ=K对衍射花样进行标定，式中，L为相机长度;λ为加速电压下的波长;K为相机常数;R为衍射斑点到透射斑点的距离(从衍射花样上测出);d为衍射晶面间距。根据试验条件L、λ可求出相机常数K，从而可以求出每个衍射斑点所代表的晶面间距。用求出的晶面间距与标准物质粉末衍射卡片(JCPDS)的晶面间距对照，确定衍射花样所代表的晶体结构。对不同应变量的试样进行显微硬度检测，所用载荷F=200 N，保持时间10 s，每个试样测5个点取平均值。

表1 TiNbTaZr的化学成分(质量分数)%

2 试验结果与分析

2.1 变形量对显微组织的影响

图1为TiNbTaZr合金变形前试样的显微组织像，图1a为低倍金相照片，用截线法测得试样的平均晶粒尺寸为32 μm，图1b为透射电子显微像，从图1中可见晶界平直，晶内缺陷很少。图2a为应变量40%时试样的透射电子显微像，从图2a中可以看出:晶界仍然平直，晶粒内局部区域有高密度位错以及个别粗大孪晶。图2b为应变量92%时的透射电子显微像，从图2b中可以看出:成团族的高密度位错把原始大晶粒分成位向不同的亚晶块，从这些亚晶块中还依稀可见板条组织特征(图2b中箭头所示)，在不同区域观察没有发现清晰可辨的平直晶界。

图1 TiNbTaZr合金变形前试样的显微组织像

图2 TiNbTaZr合金变形后试样的透射电子显微像

2.2 变形量对晶体结构的影响

图3 a为TiNbTaZr合金变形前试样的选区电子衍射花样。标定表明:该衍射花样为体心立方β相，单胞参数a=0.328 3 nm，各衍射斑点所代表的晶面指数如图3a中所示，晶带轴为［11］β。图3b 为应变量40%试样的选区电子衍射花样，从图3b中可见除了强衍射斑点之外，还有弱衍射斑点，且弱衍射斑点成对出现，显示出孪晶位向特征。对图3b标定表明:该衍射花样上的强衍射斑点为体心立方β相，各衍射斑点所代表的晶面指数如图3b中所示，晶带轴为［11］β。弱衍射斑点为形变诱发马氏体α”相的衍射，α”相为正交晶系，单胞参数a=0.315 2 nm，b=0.485 4 nm，c=0.464 2 nm［12］。形变诱发马氏体α”相的两套斑点互为孪晶关系，标定如图3b中所示(分别用脚标α和αt表示)，晶带轴都为［11］α″。β相与形变诱发马氏体 α”相的位向关系为［11］β//［11］α″。图3c为应变量92%试样的选区电子衍射花样，强衍射斑点为β相，标定如图3c中所示，晶带轴为［100］β;强衍射斑点之间的弱斑点为形变诱发马氏体α”相的衍射斑点，标定如图3c中所示，晶带轴为［100］α″。β相与形变诱发马氏体α”相的位向关系为

电子显微分析和电子衍射相结构分析表明:TiNbTaZrβ型合金轧制过程中的变形行为主要以位错-滑移为主。同时，在轧制应力的作用下有形变诱发马氏体转变，形成了少量马氏体α”相。

图3 TiNbTaZr合金变形前和变形后试样的选区电子衍射花样

2.3 变形量对硬度的影响

表2所示为TiNbTaZr合金硬度值随变形量的变化。从表2中可以看出:变形量小于67%时，在变形的每个阶段合金的硬度值增加较小，大于67%后硬度值增大明显加快。从电子显微分析可知:硬度值的增加是由于轧制过程中形成的高密度位错强化作用的结果。

表2 TiNbTaZr合金硬度值随变形量的变化

3 结论

TiNbTaZr合金为体心立方β相合金，该合金的轧制变形主要以位错-滑移为主，有少量应力诱发马氏体α”相形成，该α”相为正交晶系，单胞参数a=0.315 2 nm，b=0.485 4 nm，c=0.464 2 nm。β相与α”相的位向关系为TiNbTaZr合金的硬度值随变形量的增加而增大。

［1］阮建明，Grant M H，黄伯云.金属毒性研究［J］.中国有色金属学报，2001，11(6):960-965.

［2］Chai Y W，Kima H Y，Hosoda H，et al.Interfacial Defects in Ti-Nb Shape Memory Alloys［J］.Acta Materialia，2008(56):3088-3097.

［3］Eiji T.Effect of Heat Treatment and Sn Content on Superelasticity in Biocompatible TiNbSn Alloys［J］.Materials Transactions，2002，43(12):2978-2983.

［4］李炎，祝要民，杜三民，等.TiNbSn合金室温组织结构的电子显微分析［J］.电子显微学报，2005，24(4):288.

［5］邢明立，李炎，唐旭涛.Sn含量对Ti-Nb-Sn合金组织及相结构的影响［J］.材料热处理学报，2010，30(1):105-106.

［6］Hiroaki M，Sadao W，Shuji H.Microstructures and Mechanical Properties of Metastable β TiNbSn Alloys Cold Rolled and Heat Treated［J］.Journal of Alloys and Compounds，2007，439(1/2):146-155.

［7］Hao Y L，Li S J，Sun S Y，et al.Elastic Deformation Behaviour of Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn for Biomedical Applications［J］.Acta Biomaterialia，2007，3(2):277-286.

［8］Nobuhito S，Mitsuo N，Toshikazu A.Tensile Deformation Behavior of Ti-Nb-Ta-Zr Biomedical Alloys［J］.Materials Transactions，2004，45(4):1113-1119.

［9］Peterson L F，Flavia F C，Sandra A S，et al.Aging Response of the Ti-35Nb-7Zr-5Ta and Ti-35Nb-7Ta Alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2007(433):207-210.

［10］Tane M，Akita S，Nakano T，et al.Peculiar Elastic Behavior of Ti-Nb-Ta-Zr Single Crystals［J］.Acta Materialia，2008(56):2856-2863.

［11］Guo W Y，Xing H，Sun J.Evolution of Microstrueture and Texture During Recrystallization of the Cold-Swaged Ti-Nb-Ta-Zr-O Alloy［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39(3):672-678.

［12］张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用［M］.北京:化学工业出版社，2005.