Ni-Ti（Ta）合金的相變和電子結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為植入物材料顯示出誘人的應(yīng)用前景。NiTi合金作為醫(yī)用植入器械材料，主要使用的是其良好的超彈性。時(shí)效處理是一種有效提高富Ni的NiTi合金超彈性的方法，但對(duì)超彈性尚缺乏更深入系統(tǒng)的研究。對(duì)NiTi合金而言，由于其高的Ni含量，釋放出來(lái)的Ni離子的毒性問題存在爭(zhēng)議，尚需深入研究。近年來(lái)，作為介入醫(yī)用材料，低的X射線可視性使得在操作時(shí)跟蹤和定位困難，如何提高其可視性也是當(dāng)前需要解決的問

2、題。 針對(duì)上述問題，該論文研究了時(shí)效處理NiTi合金的組織和相變行為；研究了添加高可視性和良好生物相容性Ta的三元NiTiTa合金的組織、相變行為和形狀記憶效應(yīng)，并探討了Ta對(duì)NiTi合金相變行為的影響機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用第一原理方法研究了NiTi合金中的R相結(jié)構(gòu)、熱和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變機(jī)制、點(diǎn)缺陷以及Ni-Ti-Ta合金中Ta的占位，研究了與超彈性相關(guān)的幾個(gè)問題。 主要結(jié)論： 時(shí)效處理Ti-50.6at.

3、％Ni合金中發(fā)生了三階段相變。三階段相變的出現(xiàn)是由于析出相引起基體不均勻的成分和應(yīng)力場(chǎng)所致。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，B2()R相變溫度基本不變化，而R()B19'相變溫度升高。Ti3Ni4析出物嚴(yán)重影響馬氏體的形貌，短時(shí)間時(shí)效馬氏體的內(nèi)部缺陷主要是(001)M復(fù)合孿晶，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，逐漸變?yōu)椋?11＞MⅡ型孿晶。(001)M復(fù)合孿晶是R→B19'相變的點(diǎn)陣不變切變。 Ni-Ti-Ta合金由基體相和網(wǎng)狀共晶區(qū)組成。共晶區(qū)由基體相

4、和β-Ta相構(gòu)成。共晶區(qū)內(nèi)不均勻分布著(Ti,Ta)2Ni顆粒。Ni-Ti-Ta合金中的Ta原子占據(jù)Ti的位置，而不占據(jù)Ni的位置。隨著Ta含量的增加，β-Ta相增加，點(diǎn)陣單胞體積增加。Ni50Ti45Ta5合金的亞結(jié)構(gòu)與Ni-Ti合金的亞結(jié)構(gòu)相似，主要是〈011〉MⅡ型孿晶。 Ni-Ti-Ta的相變行為是一個(gè)單一階段的B2()B19'相變。Ta的添加降低了Ni-Ti合金的相變溫度。當(dāng)Ta含量一定時(shí)，Ni/Ti越大，相變溫度越低

5、。由于大量二次相粒子的存在，熱循環(huán)對(duì)Ni-Ti-Ta合金的相變溫度比Ni-Ti合金影響大。時(shí)效處理不能誘發(fā)R相變。在低于550℃時(shí)效處理使得相變溫度升高；當(dāng)超過550℃，相變溫度反而降低。 隨著Ta含量的增加，β-Ta含量增加，屈服強(qiáng)度降低。這說明，β-Ta是一個(gè)軟質(zhì)相。預(yù)變形使馬氏體穩(wěn)定化。這主要是由于變形引入位錯(cuò)，增加了相變能壘。對(duì)β-Ta而言，超過4％變形就可能誘發(fā)塑性變形。Ni-Ti-Ta合金與Ni-Ti合金相比，由于β

6、-Ta的存在，相變具有寬滯后。在三種Ni-Ti-Ta合金中，Ni50Ti45Ta5回復(fù)應(yīng)變最大，變形8％后的可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?.6％。 利用第一原理對(duì)R相的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，P3結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾何優(yōu)化后轉(zhuǎn)變?yōu)镻31m；而P3結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化后結(jié)構(gòu)空間群沒有發(fā)生變化。通過對(duì)比P31m和優(yōu)化后的P3結(jié)構(gòu)的基態(tài)能、態(tài)密度和鍵長(zhǎng)等參量，并結(jié)合對(duì)已報(bào)道計(jì)算結(jié)果的分析，表明P31m是一種正確的基態(tài)R相結(jié)構(gòu)(correctground-statec

7、rystalstructureoftheR-phase)。同時(shí)，對(duì)P31m結(jié)構(gòu)進(jìn)行了X射線和電子衍射花樣模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。 從電子結(jié)構(gòu)方面揭示了應(yīng)力和溫度對(duì)馬氏體相變的影響機(jī)制，降低溫度和增加變形均使得B2母相的費(fèi)米能量處態(tài)密度升高，能級(jí)兼并性增加，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，誘發(fā)馬氏體相變。 理論計(jì)算結(jié)果顯示，NiTi合金中的Ti空位形成能比Ni空位稍低，較易形成。Ni空位、Fe替代Ni和Al替代Ti均使NiTi合金的能