真正的材料创新除了在性能或性能组合方面达到新的极限外,还往往通过对新现象本质的理解获得新的认识,揭示新的机制甚至新的科学原理,促进材料科学在新的水平上进一步发展。
Ti2448合金的拉伸强度约为0.9GPa,达到了其杨氏模量的1/50,与其它体心立方晶体不同,该合金的强度已趋近于其弹性极限,因此在受力状态下,Ti2448合金易于产生弹性畸变,并且原位X射线测量、透射电镜及高分辨电镜的原位拉伸实验结果验证了上述推论。由于拉伸条件下原子间距随着应力的提高而增大,原子之间的作用力降低会导致弹性模量下降,即应力所致的弹性软化致使Ti2448合金具有特殊的非线性弹性变形行为。与其它体心立方晶体相比,Ti2448合金的拉伸强度更接近于其理论强度,因此冷加工和晶粒细化对该合金的强化效果很弱。根据金属强化理论,缺乏强化机制将引发局域化塑性变形,这可能是该合金形成高度局域化非均匀塑性变形的原因。与其它金属的局域化塑性变形导致脆性断裂不同,Ti2448合金的高度局域化塑性变形是一种韧性变形行为,其断面收缩率可以达到约80%。因此,该合金具有非常优异的冷加工性能。
Ti2448合金是一种兼容低泊松比和高韧性的新型金属材料。以往认为高泊松比的材料具有高韧性,大量材料的统计数据也支持这一观点,追求高泊松比甚至被视为改善某些材料(如金属玻璃)韧性的有效方法[9]。在已知金属材料中,Ti2448合金的泊松比仅高于金属铍,显著低于其它金属材料和层状金属陶瓷等;铍是一种共价键结合的脆性材料,不具有除导电性以外的其它金属特性;按照通常的观点Ti2448合金似乎应当归为脆性材料,然而如前所述,该合金具有优异的韧性和冷加工性能。探索并揭示Ti2448合金高韧性的物理本质,可能有助于解释材料脆性的根源,并为改善材料脆性提供新的研究思路。
对易发生应力诱发马氏体相变的、低Sn含量的Ti2448合金(Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn-0.07O)研究发现:薄膜样品中的应力诱发可逆马氏体相变,只发生在扩展裂纹附近的高应力应变区,因此不能视为主要的非线弹性形变机制;在低外加应力的初期形变阶段,晶粒内部普遍产生沿(110)面的具有微小剪切应变的局域晶格扭曲,这些晶格扭曲进而演变成位错环,两者均为可逆过程。这些实验结果对于弄清Ti2448合金弹性性质和变形机制具有重要意义:首先,在大多数固体材料中的位错需借助于已存在的晶体缺陷、以非均匀方式成核,一旦形成不易消亡,为非可逆过程,而位错环均匀形核及回复过程的观察表明,在这些晶格扭曲区域,外加应力已接近于材料的理想剪切强度,这与这类材料特殊的弹性性质是一致的;其次,位错等晶体缺陷的运动通常是材料塑性变形的机制,在Ti2448合金这类材料中,它们可以作为弹性变形机制发挥作用;第三,随外加应力继续增大,位错环的扩张导致位错偶间的吸引力减弱,不再具有回复的能力,此时材料进入了塑性形变阶段。这些位错偶的有序排列可形成旋错,导致旋错所在的局部区域发生晶体偏转,通过该机制,这类合金可在相对较低塑性应变条件下发生局域纳米化,由此解释了Ti2448合金室温压缩和轧制过程中晶粒快速细化的实验现象。这些结果促进了对于Ti2448合金形变本质的理解,特别是具有可逆特征的位错环均匀成核的发现,丰富了人们对固体形变行为的认识,对运用该机制设计新合金具有重要的参考价值。
以往对于金属植入材料晶粒度与生物相容性的关系缺乏深入细致的研究,因此存在争议:部分研究者推测,晶粒细化可改善生物相容性,其他人则认为无区别。产生争议的原因之一是难以制备可用规格的纳米结构材料,无法开展系统性研究。利用Ti2448合金易于制备纳米块体材料的特殊性质,对比研究了100μm粗晶和100nm细晶的生物相容性[12],结果表明,在相同条件下,2种材料表面形成完整磷灰石层所需时间相差1/4:粗晶需28天,纳米晶仅需21天。而且进一步研究表明,纳米晶的优异生物相容性源于更高的表面能、表面羟基含量和表面粗糙度,粗晶的表面能为39mJ·m-2、而纳米晶的表面能为45mJ·m-2;纳米晶的表面羟基含量比粗晶提高了69%;粗晶表面粗糙度为1.45nm,而纳米晶因晶界区域增大使表面粗糙度提高到1.94nm。该项研究以充分的数据证实了表面纳米结构对钛合金生物相容性的改进作用,揭示了表面活性提高的原因。