Ti-Zr二元合金显微组织和力学性能的研究

摘要

纯钛金属材料的性能十分出众，因此在牙种植领域被广泛采用。然而在某些情况下，纯钛的强度却无法满足临床应用的要求：对于单牙缺失或位于牙槽嵴的缺牙修复手术，这些情况下使用的种植体直径较窄，而直径的减小导致材料承受应力的能力降低，即使是纯钛这种具备高比强度的材料仍无法满足实际要求。因此，在这些情形下使用纯钛种植体存在疲劳断裂的风险。在寻求更理想的材料过程中，钛的合金化成为该领域内的研究方向热点之一。相比其他合金元素，锆（Zr）与钛属于同一主族，二者具有相似的物理化学特性：均具备优秀的抗腐蚀性能、超高的力学强度以及优良的可塑性等，且对机体组织无毒性作用。因此，锆（Zr）是一种较为理想的合金元素。
　　本文的工作主要针对Ti16Zr、Ti20Zr和Ti40Zr三种不同含锆量钛锆合金的显微结构、力学性能进行分析测试，研究材料成分对其力学性能与内在组织结构的影响机制，从而获取具备良好综合力学性能的材料之成分配比；在该基础上，进一步分析不同热处理温度对该成分钛锆合金的力学性能及显微组织的影响机制，得出合适温度下该成分钛锆合金所能达到的较为理想的综合性能。
　　通过XRD的测试结果可知：CPTi、Ti16Zr、Ti20Zr和Ti40Zr均由密排六方α相组成，无β相及其他中间相存在。通过显微硬度的测试结果可知：Ti16Zr、Ti20Zr和Ti40Zr的硬度与CPTi相比均有较大幅度的提升，且随着退火温度的升高，各材料的硬度逐渐降低。通过金相观察并结合硬度分析可知：Ti16Zr、Ti20Zr和Ti40Zr的再结晶温度分别在650℃、700℃和650℃左右。通过拉伸试验的测试结果可知：（1）Ti16Zr、Ti20Zr、Ti40Zr拉伸变化曲线呈现趋同现象：变形初期，合金应力将随着外力迅速变化（正相关），此过程中出现的形变为弹性形变；而到达屈服点后，应力值随应变的变化量开始减小，甚至略有降低，进入塑性变形阶段；此后如果形变扩大到某个程度，合金终将发生颈缩问题甚至断裂。（2）随着锆含量的增加：在抗拉强度方面，Ti20Zr较Ti16Zr略有上升，Ti40Zr较Ti20Zr的增幅较大；屈服强度方面，Ti16Zr、Ti20Zr、Ti40Zr逐渐上升，增幅差异较小；延伸率方面，Ti16Zr、Ti20Zr、Ti40Zr逐渐下降，Ti16Zr、Ti20Zr间降幅较大，Ti20Zr、Ti40Zr间降幅差异较小；弹性模量方面，Ti20Zr较Ti16Zr下降幅度较大，Ti40Zr较Ti20Zr降幅较小。综合来看，Ti16Zr的塑性性能最好，同时力学强度与Ti20Zr、Ti40Zr相比相差不大。
　　随后再分析Ti16Zr，探究退火温度不同时显微组织和力学特性的相应改变。结果表明：（1）随着退火温度的升高，Ti16Zr的显微硬度逐渐下降，当温度升至750℃之后硬度略有回升，且当温度处于550℃～600℃范围时，硬度下降较快；抗拉强度与屈服强度逐渐降低，其中500℃～600℃降幅较大，当温度升至750℃后二者均出现逐渐回升的现象；延伸率在700℃前逐渐升高，随后逐渐下降，到850℃时出现较大幅度的降低；弹性模量随温度的变化趋势不明显，其在800℃时达到最低，850℃时出现较大回升情况。（2）750℃时，Ti16Zr晶粒形状规则，晶内及晶界间未见第二相；800℃时，晶界间以及晶粒内部有少量零散分布的针状马氏体；850℃时，原规则晶粒已基本消失，针状马氏体基本转化完全；750℃、800℃和850℃三个热处理温度下的Ti16Zr断口表面，均呈现出大量分布均匀的等轴状韧窝，为典型的韧性断裂，且韧窝沿深度方向呈锥状；随着材料的热处理温度由750℃升至850℃，断口韧窝的宽度和深度逐渐减小，此二者均导致材料塑性的降低，与前述拉伸试验及显微硬度测试结果吻合；三个温度下的断口均分布着一定数量的空洞，由850℃时空洞处出现夹杂物颗粒推知，此空洞均系夹杂物与基体变形不协调所致。综合来看，Ti16Zr在700℃退火温度下，抗拉强度、屈服强度及延伸率较好，综合性能最佳。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 牙种植体概述

1.3 牙种植体的材料

1.4 钛及钛合金种植体材料的发展

1.5 钛锆合金种植体研究现状

1.6 本论文的研究思路及主要研究内容

第二章 钛锆合金的制备和实验方法

2.1 钛锆合金的制备和退火工艺

2.2 钛锆合金的显微结构表征

2.3 钛锆合金的力学性能测试

第三章 锆含量对组织和性能的影响

3.1 前言

3.2 实验方法

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 热处理温度对组织和性能的影响

4.1 前言

4.2 实验方法

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果