超低弹性模量亚稳β钛合金的制备及其超低模量机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51401088
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0101.金属材料设计、计算与表征
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The fabrication of β-type Ti alloy and its mechanism of low modulus has been attracted much attention in the field of Ti alloy. Our recent experimental results revealed that with the assistance of cold-rolling and annealing treatment, metastable β-type Ti-33Nb-4Sn alloy with low content of β-stabilizers can exhibit ultralow room temperature elastic modulus of 36 GPa, which is much lower than those of the currently developed biomedical Ti alloys. In addition, it was shown that the elastic modulus of the Ti-33Nb-4Sn alloy firstly decreases with decreasing temperature and then increases with a further decrease in temperature. In such a case, the Ti-33Nb-4Sn alloy exhibits the lowest elastic modulus near its martensitic transformation starting temperature, which is different from pure Ti. In this work, we will fabricate a novel Ti-33Nb-4Sn-M (M stands for modified) alloy, with room temperature elastic modulus close to or lower than 30 GPa, by further optimizing alloy composition and thermo-mechanical treatment procedure. Additionally, the effect of temperature on the elastic modulus of metastable β-type alloys will be particularly concerned, in the hope of revealing the physical origin of ultralow elastic modulus in Ti-33Nb-4Sn-M alloy. Furthermore, the design principles for preparing metastable β-type Ti alloys with ultralow modulus will be clarified. Therefore, the present work is promising to provide some theoretical guidelines for the design and fabrication of β-type Ti alloy with ultralow modulus.
低弹性模量β钛合金的制备及其相关机理研究,一直是钛合金学术研究和应用研究中的热点问题。我们最近通过调低钛合金的β稳定元素含量并对合金辅以冷轧和退火处理,获得了超低模量的Ti-33Nb-4Sn合金(其室温拉伸模量仅36GPa,低于目前报道的钛合金的最低模量值)。此外我们初步发现,与纯钛弹性模量随着温度降低呈现单调增加的趋势不同,Ti-33Nb-4Sn合金的模量随温度的降低呈现先减小后增大的趋势,并在合金的马氏体相变开始温度附近呈现最低值。本项目拟在前期工作的基础上,通过优化合金成分和热-机械处理工艺,制备出室温模量更接近甚至低于人骨模量(~30GPa)的新型Ti-33Nb-4Sn-M(M代表改进型)合金,并通过对亚稳β钛合金弹性模量与温度相关性的重点关注,揭示Ti-33Nb-4Sn-M合金实现超低模量的物理机理,明确超低模量亚稳β钛合金的设计准则,为新型超低模量β钛合金的设计与研发奠定基础。

结项摘要

在本项研究中,我们通过适度降低钛合金中β稳定化元素的含量并对其辅以热-机械处理,制备出具备超低弹性模量的亚稳β型Ti-32.8Nb-3.92Sn(重量百分比,以下简记为Ti-33Nb-4Sn)合金,其室温拉伸弹性模量仅36GPa,与人骨约30GPa的模量近似相当,可望在生物医用领域获得重要应用。通过对亚稳β钛合金中弹性模量与温度相关性的重点关注,发现相变导致的晶体结构失稳会对此类合金的弹性模量产生重要影响。选用Ti-33Nb-4Sn合金为模型合金,采用高能X射线同步辐射技术和Eshelby-Kroner-Kneer弹塑性力学模型,从亚稳β钛合金多晶体中抽取了其单晶体的弹性常数。进一步的研究表明,Ti-33Nb-4Sn合金超低弹性模量的实现主要归因于成分设计和热-机械处理诱发的极低的β相稳定性(即低的弹性剪切常数C'和C44)。这表明,除了已被人们认知的剪切模量C'外,弹性常数C44也会对亚稳β钛合金的弹性模量产生重要影响。基于上述研究结果,对具备超低弹性模量的亚稳β钛合金提出如下设计准则:合理调低亚稳β钛合金中的β稳定元素(如Nb)含量,使合金在固溶状态下呈现轻微的马氏体相变,然后对其辅以激烈的塑性变形(如冷轧)和时效处理(如低温短时时效),借助于上述热-机械处理引入的高密度位错和晶界迟滞马氏体相变的发生,能够将具备较低β稳定元素含量(对应较低的β相稳定性,表现为极低的弹性常数C'和C44)的高温β相稳定至室温,进而实现具备超低弹性模量的亚稳β钛合金的制备。研究了不同热-机械处理状态(主要是固溶态和冷轧态)Ti-33Nb-4Sn合金的力学行为,阐明了此类合金变形行为的相关机制。本研究通过合金化和热-机械处理的手段,制备出具备超低弹性模量的亚稳β型Ti-33Nb-4Sn合金,阐明了此类合金实现超低模量的物理机理,明确了超低模量亚稳β钛合金的设计准则,为新型超低模量β钛合金的设计与研发奠定理论基础。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
A metastable β-type Ti-Nb binary alloy with low modulus and high strength
低模量高强度亚稳态β型Ti-Nb二元合金
  • DOI:
    10.1016/j.jallcom.2015.05.071
  • 发表时间:
    2015-09-25
  • 期刊:
    JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Guo, Shun;Zhang, Junsong;Zhao, Xinqing
  • 通讯作者:
    Zhao, Xinqing
Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high strength.
超低弹性模量高强度亚稳态β型钛合金的设计与制备
  • DOI:
    10.1038/srep14688
  • 发表时间:
    2015-10-05
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Guo S;Meng Q;Zhao X;Wei Q;Xu H
  • 通讯作者:
    Xu H
Effect of thermo-mechanical treatment on mechanical and elastic properties of Ti-36Nb-5Zr alloy
形变热处理对Ti-36Nb-5Zr合金力学和弹性性能的影响
  • DOI:
    10.1016/j.pnsc.2015.05.001
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Progress in Natural Science:Materials International
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Meng Qingkun;Liu Qing;Guo Shun;Zhu Yongqi;Zhao Xinqing
  • 通讯作者:
    Zhao Xinqing
低弹性模量亚稳β型Ti-38Nb合金的微观组织与力学行为
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    稀有金属
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郭顺;郑琦;张俊松;程晓农
  • 通讯作者:
    程晓农
Origin of ultralow Young’s modulus in a metastable β-type Ti-33Nb-4Sn alloy
亚稳态β型Ti-33Nb-4Sn合金中超低杨氏模量的起源
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Yanpin Hou;Shun Guo;Xueliang Qiao;Tian Tian;Qingkun Meng;Xiaonong Cheng;Xinqing Zhao
  • 通讯作者:
    Xinqing Zhao

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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
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  • DOI:
    10.2138/am-2017-5982
  • 发表时间:
    2017-11
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    苏斌;陈意;郭顺;刘景波
  • 通讯作者:
    刘景波

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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