脉冲电流对TA1组织和力学性能的影响

作     者：雷文博 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋秀

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：纯钛 脉冲电流处理(EPT) 强塑性 纳米晶 位错密度 

摘      要：纯钛由于其优异的生物相容性、良好的耐蚀性等,仍是目前临床医疗应用最广泛的生物医用材料之一。然而,纯钛强度较低,无法用于诸如股关节、膝关节等人体承载力较大的部位,因而限制了纯钛的应用范围。经传统轧制、挤压等冷加工工艺处理后纯钛强度显著提高,但塑性明显降低。脉冲电流处理（EPT）是一种新型的热处理技术,除具备常规热处理效果外,还具有促进再结晶、治愈缺陷损伤等作用。因而本研究将传统冷轧与EPT相结合,探讨冷轧与EPT工艺下纯钛微观组织及力学性能的演变规律,以期为获得良好强塑性匹配的医用纯钛、扩展纯钛的应用提供理论依据。本文以退火态TA1纯钛为研究对象,对其进行不同变形量的多道次累积轧制后,进行不同参数的EPT。采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）附带EBSD分析、透射电镜（TEM）等观察不同冷轧及EPT参数下TA1的显微组织,并利用电子万能拉伸试验机测试不同工艺参数条件下TA1力学性能的变化规律,探讨EPT对TA1组织与性能的作用机制。结果表明,20%冷轧TA1经3 kA-20 Hz EPT后,抗拉强度与未EPT相比下降了 8.4%;随变形量增加,相同参数EPT后的冷轧TA1抗拉强度与未EPT相比逐渐提高;当变形量为80%时,抗拉强度提高最显著,相比80%冷轧TA1提高了 9.5%,而延伸率仍维持在13%左右。当脉冲频率一定时（20 Hz）,80%冷轧TA1抗拉强度随脉冲电流强度增加先逐渐提高而后降低,当脉冲电流强度为3 kA时,抗拉强度提升最明显,达到691 MPa;但当脉冲电流强度为4 kA时,组织发生了再结晶,延伸率提高。当电流强度一定时（2 kA）,80%冷轧TA1随脉冲频率增加强度逐渐下降;但不同脉冲频率处理后的抗拉强度仍高于80%冷轧TA1。微观组织分析发现,80%冷轧TA1经EPT后,在远低于再结晶温度条件下（1～3 kA）,仍保持原来的冷轧组织,但变形带边界出现了纳米晶,使冷轧纯钛得到强化,并且随着脉冲电流强度的增加,变形带边界的纳米晶逐渐增多,因而3 kA EPT后强度显著升高;但另一方面,变形带内部由于发生回复导致位错密度下降。当电流强度为2 kA时,由于变形带边界纳米晶形成数量相对较少,纳米晶强化作用相对较弱,位错密度快速下降使得TA1强度提高程度较低,并随脉冲频率增加强度逐渐下降。因而,EPT下80%冷轧TA1抗拉强度的提高是变形带边界纳米晶的强化和位错密度下降引起的软化综合作用的结果。为进一步探究EPT对冷轧TA1的作用,对80%冷轧TA1进行同等温度下退火处理后发现,随着退火温度的升高,其抗拉强度与原始冷轧纯钛相比逐渐降低,而相同温度EPT下强度有所提高。这是由于EPT作用下,大变形量的冷轧纯钛变形带边界高密度位错区域形成非均匀高压温度场,在热压缩应力和电子风力共同作用下推动位错运动形成纳米晶,当局部位错密度大幅下降后,非均匀高压温度场作用减弱,晶粒长大受限。当变形量为20%时,冷轧TA1抗拉强度随脉冲电流强度增加逐渐降低,当脉冲电流强度为4 kA时,20%冷轧TA1抗拉强度下降最明显,为381 MPa。这是由于20%变形量较小,位错堆积程度小,EPT与退火处理作用相似,仅能促进组织内部点缺陷消失、位错运动等变化,进而引起位错密度下降而使冷轧纯钛发生软化。