● 摘要
形状记忆合金因其独特的形状记忆效应（SME）、超弹性（SE）、优良的综合力学性能和耐蚀性，已经在生物医用、航空航天、汽车工业、机械电子、桥梁建筑和日常生活等领域得到了广泛应用。在二元钛锆合金基础上发展起来Ti-20Zr-10Nb三元合金，其室温下为具有正交结构的α″马氏体相及少量的ω相，具有α″马氏体相到β母相的可逆转变，其逆马氏体相变温度高达500℃，抗拉强度为542MPa，断裂应变为13.1%，是一种具有良好应用前景的新型钛基无镍形状记忆合金。
Ti-20Zr-10Nb合金基础上，采用真空非自耗电弧熔炼方法制备出Ti-20Zr-10Nb-xTa（x=2，4，6）合金，通过金相组织观察（OM）、X射线衍射分析（XRD）、差示扫描量热分析（DSC）、硬度和形状记忆效应测量等手段对其微观结构和功能特性进行了系统研究。取得的主要结果如下：
Ti-20Zr-10Nb-xTa（x=2，4，6）铸态合金相组成发生了明显变化，其中2Ta合金为单一的六方结构的α′马氏体，4Ta和6Ta合金由正交结构的α″马氏体和体心立方结构的β相两相组成。4Ta合金具有最低的显微硬度和最大的形状记忆回复应变，可达2.6%，其逆马氏体相变温度约为320℃。选择4Ta合金作为优化成分，并通过锻造、轧制等热机械处理工艺将其加工为板材，通过测定硬度-退火温度曲线，最终确定其最佳去应力退火温度为600℃。
4Ta合金在600℃保温30分钟进行去应力退火并水中淬火，其室温下为具有孪晶结构的单一正交α″马氏体相，不含ω相。该合金具有α″相到β母相的逆相变，相变温度范围为78~118℃。在加热过程，该合金会发生α″àβàωàα′àβ复杂相变。合金的形状记忆应变开始随预应变的增加而增大，在6%预应变时达到最大值3.3%，之后随着预应变增加而趋于稳定。该合金屈服强度和抗拉强度分别为215MPa和592MPa，断裂应变为10.1%，弹性模量为46GPa。
将冷轧态的4Ta合金在600℃保温30分钟进行去应力退火并在空气中冷却，发现该合金具有明显的超弹性，其室温下主要为具有体心立方结构的亚稳态β母相，晶格常数为a0 = b0 = c0 = 3.349nm，并含有少量的孪晶结构的α″马氏体相。该合金屈服强度为365MPa，弹性模量为52GPa，最大超弹性回复应变为3.8%，5次加载卸载循环后的稳定超弹性应变为3.6%，超弹性回复率90%。
4Ta合金室温下为单一α″马氏体相，对其进行不同温度的时效处理后，样品相组成出现α″（室温）àα′+β（150℃和200℃）àβ+少量ω（250℃）àβ+较多ω（300℃）àα′+β（450℃）的变化，显微硬度随着时效温度的升高先增大，在300℃达到最大，之后又迅速减小，与ω相弥散强化相关；不同温度时效后其力学性能发生明显的变化，都表现出一定的超弹性，其中300℃时效样品具有最好的超弹性；屈服强度大小依次为300℃>250℃>450℃>RT>150℃，300℃屈服强度最大，为400~572MPa，与其相组成密切相关，断裂应变由高到低依次为：150℃>450℃、250℃>300℃，其中300℃塑性最差。
对淬火态4Ta合金先进行4%预变形后，加热到不同温度让其形状回复，然后研究其功能特性。发现加热到150℃回复的样品，将其再次进行4%预应变拉伸，再次加热到150℃后仍具有2.0%的形状记忆回复应变，证明淬火态4Ta合金在150℃以下可作为形状记忆合金重复使用；对加热到300℃回复后样品，进行6%预应变的5次循环加-卸载拉伸实验，发现其超弹性应变高达4.9%，5次循环后超弹性应变稳定在4.5%。