摘要
Zr和Ti在元素周期表中同属于ⅣB族，具有相同的晶体类型和同素异构转变特性，高温下为体心立方结构（BCC，β相），常温下为密排六方结构（HCP，α相）。ZrTi二元合金中Zr和Ti可以无限固溶，且两种元素原子半径相差较大，因此，ZrTi合金化可以达到良好的固溶强化效果。近年来，在ZrTi二元合金基础上开发出的ZrTiAlV合金具有突出的高比强、耐磨损和抗辐照性能，在航空航天领域具有极大的应用潜力。随着先进计算方法和表征技术的发展，探索一种适用于多元合金体系的合金设计有效方法成为当前高性能材料开发的新趋势。基于以上背景，本研究采用第一性原理设计了四种ZrTiAlV合金，重点分析了合金中相结构的稳定性，并综合采用X射线衍射仪（XRD）、差热分析仪（DSC）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和聚焦离子束（FIB）等先进表征及分析手段，验证了基于第一性原理的ZrTiAlV合金设计方法的合理性和有效性。进而，系统研究了β-ZrTiAlV合金拉伸和压缩过程中的微观组织演化与形变机制，构建了加工硬化模型，阐明了合金成分、β相稳定性、微观组织、加载方式对合金加工硬化的影响机理。本研究工作可为新型β-ZrTiAlV合金的开发、性能的优化及实际的应用提供实验依据和理论支撑。论文的主要研究内容和结论如下： ①选取平均有效价电子（EVE）和平均结合能（EC）两个重要物理学参数，提出了基于第一性原理计算的β-ZrTiAlV合金设计方法，并验证了其可行性和有效性。根据β相稳定性的高低，设计出三种β相合金和一种α+β相合金，并采用真空非自耗电弧熔炼炉成功制备出符合设计成分的四种ZrTiAlV合金。固溶淬火态合金的微观组织分析表明，根据β相稳定性的差异，ZrTiAlV合金的相结构在E?C-E?VE?图中可划分为B2、β、α+β及α相四个相区，证明该方法可以有效地应用于ZrTiAlV合金设计。 ②基于第一性原理计算研究了四种ZrTiAlV合金中β、α、ω和α-相的稳定性及其弹性特性（杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比等），计算结果与纳米压痕和维氏硬度实验结果符合良好。分析表明，相较于另三种相（α、ω和α"相），β-ZrTiAlV合金中的β相具有最低的杨氏模量和剪切模量，且随着β相稳定性减弱，合金的杨氏模量、剪切模量及显微硬度都逐渐降低。α"相作为β-ZrTiAlV合金中强化相，在三种合金中的热力学稳定性较差，为提高合金的力学性能，需要引入变形为应变诱导马氏体α"相的出现提供动力学条件。 ③通过单轴拉伸和压缩实验，研究了β-ZrTiAlV合金拉伸和压缩形变过程中的微观组织演变行为与形变机制。阐明了β相稳定性、变形方式、位错滑移及形变诱导马氏体相变等因素对β-ZrTiAlV合金的微观组织、力学性能和加工硬化特性的影响机理。Zr29.5Ti49.2Al13.5V7.9（ZTA14V8）合金存在明显的拉压不对称性，拉伸过程中B2有序相影响合金中位错结构，位错带在应力集中点分解为位错对，局部应力集中使合金塑性急剧下降；压缩过程中位错的交滑移和应变诱导马氏体相变提升合金的塑性。Zr33.1Ti49.1Al12.2V5.5（ZTA12V6）合金在拉伸过程中表现出非典型的加工软化行为。研究表明，大量塞积在晶界的位错剪切晶界并短距离运动造成晶界出现大量滑移台阶，从而引起形变软化。Zr41.5Ti42.2Al12.0V4.4（ZTA12V4）合金拉伸过程中表现出加工硬化行为，准原位拉伸研究表明合金内部的位错交滑移及应变诱导马氏体相变是该合金主要的加工硬化机制。根据上述三种β-ZrTiAlV合金的系统研究，随着β相稳定性的减弱，合金的形变机制由位错滑移为主转变为应变诱导马氏体相变为主。根据不同合金成分对应的形变机制，可将EC-EVE图中的β相区划分为位错滑移区和马氏体相变/孪生区两个区域。 ④基于合金中β相稳定性、弹性特性、微观组织、力学性能和形变机制的深入研究，成功构建了β-ZrTiAlV合金的加工硬化模型，探讨了上述多重因素对拉伸变形过程中位错密度和马氏体相含量的变化规律及加工硬化机理的影响，阐明了合金微观组织与宏观力学性能之间的内在联系。拉伸实验验证结果表明，构建的加工硬化模型可以准确预测合金形变过程中微观结构演化和宏观力学特性，为新型β-ZrTiAlV合金设计及力学性能预测提供理论依据。
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