● 摘要
以TiNi为代表的形状记忆合金由于具有良好的力学性能、形状记忆效应、伪弹性、生物相容性和抗腐蚀性，已经在航空、航天领域和生物医用领域得到了应用。TiZr合金不但是一种已经得到临床应用的牙科植入物材料，而且是一种新型形状记忆材料。本文以TiZr基合金为研究对象，通过第一原理计算，结合金相观察、X射线衍射分析和硬度测试等实验，研究了合金元素对其相稳定性和弹性模量的影响规律。取得的主要结果如下：通过第一原理计算了不同成分TiZr二元合金马氏体相和母相的形成能和弹性模量。发现TiZr二元合金的母相比马氏体相的形成能高，说明合金的马氏体相是稳定相；两相形成能差在成分为Ti-50Zr时最小，说明该成分合金相变所需能量最少，即相变温度也最低，这与实验结果一致。虽然TiZr二元合金的弹性模量低于纯Ti和纯Zr的值，但是，其弹性模量受合金成分的影响并不明显。通过研究Nb、Sn、Fe和Mo对TiZr合金相稳定性和弹性模量的影响，结果发现这几种合金元素替代Zr后，均使合金母相（立方结构）的稳定性有不同程度的增强，所以它们都是β相稳定元素。Nb元素可使合金的弹性模量降低，Sn对弹性模量的影响不大。Mo和Fe替代Nb后都使TiZrNb合金弹性模量升高。弹性常数C11-C12和C44直接影响体弹性模量的大小，低体弹性模量的合金其C11-C12和C44值也很低。随着Nb、Mo、V、Cr和 Fe元素含量增加，TiZr二元合金的相组成都由α΄΄相转变为β相，即它们都是β相稳定元素，而Al元素加入Ti-Zr合金中后，α΄΄相并未发生向β相的转变，Ni和Cu的加入还会促使第二相析出。与TiM二元合金相比，Zr的存在使TiZrM合金发生β相变所需的β稳定元素M的含量减少。对于确定的合金元素而言，加入TiZr合金后，其β相比α΄΄相的硬度低，在α΄΄相向β相转变的成分点处合金硬度降低最大。根据实验得到的相组成结果，我们绘制出Bo-Md图，并且划分出了α相和β相区，以此为依据，可以根据合金的成分，计算出Bo和Md值，从而判断Ti-30Zr基合金的相组成。