题目：TiNb 基低弹性模量β 钛合金的力学行为研究

钛和钛合金由于生物相容性好、耐蚀性能优异、密度低、强度高和模量低而广泛应用在生物植入件上。目前应用最多的Ti-6Al-4V合金的模量约为110 GPa，显著低于不锈钢（~ 210 GPa）和Co-Cr-Mo合金（~ 240 GPa），但是仍远高于人骨模量（10~30 GPa）。植入件和人骨模量不匹配会导致“应力屏蔽”效应，另外Al和V都被证明有生物毒性，因此Ti-6Al-4V无法满足长期植入需求。由完全无毒性元素组成的β钛合金由于其模量更低且生物相容性更好，近年来成为研究热点。然而现有的β钛合金模量在45~80 GPa之间，仍然高于人骨，而且当合金处以低模量态时，其强度往往不能满足要求。因此有必要开发新型的兼具低弹模和高强度的β钛合金。本文使用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、力学性能试验机（mechanical testing machine）和原位同步辐射（in-situ synchrotron X-ray diffraction）系统研究了热机械处理对Ti-Nb-Zr和Ti-Nb-Zr-Sn系合金力学行为的影响，旨在开发出低模量和高强度兼备的亚稳β钛合金，并探究其低模量机理，为设计新型低模量钛合金提供理论指导。

β钛合金的模量与其稳定性密切相关，稳定性越低，β相模量也就越低。本文通过控制β稳定元素的含量，设计出低稳定性合金。该合金由于β稳定元素含量少，固溶态在淬火或者拉伸过程中都会发生马氏体相变，其模量低，但强度也很低。而后通过热机械处理，在不提高合金稳定性的前提下，降低马氏体相变开始温度（Ms），进而提高合金强度。根据此思路设计的Ti-36Nb-5Zr（wt.%）合金，固溶态由β和α”马氏体两相组成，拉伸的过程中出现双屈服。剧烈冷轧后（变形量，87.5%），在425℃退火25 min，合金主要β相组成，同时含有少量的α相，此时合金强度为860 MPa，同时获得一个较低的模量，48 GPa。TEM结果表明，冷轧和短时退火引入大量位错、细化晶粒并析出纳米尺度的α相，这使合金具备高强度。同时成分分析表明，退火过程中α相的析出并未造成β稳定元素在残余基体中富集，β相在退火后仍保持低稳定态，因此合金模量较低。为了减少高模量α相的析出，我们进一步降低退火温度，同时在合金中加入Sn元素以抑制低温退火过程中可能产生的ω相，根据这个思路设计了Ti-31Nb-3Zr-4Sn（wt.%）。该合金稳定性同样很低，固溶态含有大量α”马氏体，剧烈冷轧后在300℃退火30 min，合金由近乎单一的β相，没有α相析出。此时合金的模量仅有31 GPa，与人骨非常接近，同时强度达到856 MPa。

根据Hill关系，材料的多晶杨氏模量取决于其单晶弹性常数。对于体心立方结构（bcc）的β相而言，有三个独立的单晶弹性常数，研究中通常选择剪切模量C’、剪切模量C44和体模量B，三者的降低都会导致模量的降低。其中C’可以直接衡量bcc金属的稳定性，稳定性低对应着C’低，另一方面C44和B却与稳定性无明确关系。因此人们一般通过调节合金成分降低C’来获得低模量β钛合金。本文中两种亚稳β合金的稳定性低，固溶淬火态为（β+α”），平衡态为（β+α），因此无法制备β相单晶。我们通过同步辐射技术，并结合弹塑性自洽模型（EPSC），从多晶样品中抽取两种合金的单晶弹性常数。结果表明，Ti-36Nb-5Zr合金具有与同等价电子浓度（e/a）的二元合金相当的C’（17.1 GPa）以及明显偏低的C44（25.6 GPa），而Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金具有非常低的C’（11.9 GPa）和异常偏低的C44（14.9 GPa）。由单晶弹性常数计算所得的等效多晶杨氏模量分别为61.3 GPa和39.1 GPa，其中低C44对两种合金的低模量起到了重要作用。由此我们推断，对于需要热机械处理来稳定住的β相，不但具有较低C’还具有非常低的C44，两者共同作用可以获得低弹性模量。同时异常偏低C44还使两种低弹模钛合金具有与常规低弹模β钛合金不同的各向异性特征。目前开发的低弹模β钛合金，其低模量源于低C’，因此在同样e/a下，合金的各向异性因子A（= C44/C’）高于二元合金，而本文所设计的Ti-36Nb-5Zr和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金各向异性因子分别为1.50和1.25，明显低于同等e/a比的二元合金。

本文所设计的两种亚稳β钛合金由完全无生物毒性的元素组成，兼具低弹模和高强度，在生物医用领域具有重要的应用前景。同时本文发现，降低合金稳定性，通过热机械处理抑制相变，所得合金具有异常偏低的剪切模量C44和较低的剪切模量C’，由此可以获得较低甚至接近人骨的弹性模量。