纯钛的高压固态相变研究

作     者：侯青航 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张洪旺

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：高压 固态相变 纯钛 位错密度 强化 

摘      要：纯钛降温过程中发生体心立方晶体结构向密排六方晶体结构的转变。根据冷却速率,其转变可以通过扩散或无扩散的方式进行。但是,这两种固态相变均不能引起有效的强化,纯钛也因此被认为不能利用热处理进行强化。这是因为,与钢铁中的马氏体相比,钛相变过程中无碳的过饱和固溶,且体积变化很小。最近的研究发现,高压能提高固态相变中的自由能变化,使纯铁通过相变在无碳的情况下实现超级强化。因此,利用高压下的固态相变也有望实现纯钛的有效强化。高压下,纯钛这种独特体系中的固态相变行为、组织结构演化以及强化机理值得深入系统的研究。本文以高纯钛为研究对象,对样品进行常压和1-6 GPa高压热循环(加热温度1200℃,保温30min,循环水冷却至室温)处理;用维氏硬度计检测高压样品的力学性能评价强化行为,运用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、和透射电子显微镜等设备对高压处理前后的样品进行组织结构表征;利用Matlab编写计算机程序分析固态相变过程中的变体选择、变体识别和取向差计算。综合分析纯钛在不同压力下的微观结构和性能的演变化规律,并揭示高压相变的强化机制。获得了如下研究成果:(1)编写了 Matlab计算机程序成功用于纯钛常压及高压相变后的数据分析。该程序读取背散射电子衍射数据,进行变体的自动识别、取向差分布计算等晶体学计算。(2)1-6 GPa的高压下,纯钛中的体心立方β相向密排六方α相的转变仍然以扩散的方式进行,子母相之间转变时遵循经典的Burgers关系:{110}β//{0001}α和β//α。高压相变并未有效细化原β晶粒以及α晶粒,但是导致了α相中位错密度的大幅度提高。相比与常压淬火样品,高压样品的位错密度提高了一个数量级以上。(3)高压相变导致纯钛发生了显著的强化。1-6GPa样品的平均硬度分别为307 HV,312HV,319HV,309HV,297HV和280HV,相较于基体提升3倍左右。高压相变导致的强化归因于位错密度的提高,符合泰勒模型的计算结果。