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钛及其钛合金具有高比强度、高韧性、耐高温、优异的耐蚀性、及良好的可锻造性,是航空航天、航海、汽车、石油、化工、医药等行业选用的理想材料。其中具有BCC结构的β-Ti固溶体合金是应用非常广泛的一类钛合金,在机械性能、加工性能和潜在应用方面是最有希望的钛合金系列。和α-Ti.(α+p)-Ti合金相比,β-Ti固溶体合金具有最高的比强度,最低的弹性模量(固溶状态),高塑性、优良的耐蚀性能。具有低弹性模量的β-Ti固溶体合金通常都是在多组元合金体系中形成,并且成分的获取通常都是经过大量实验探索,尽管存在一些经验方法用于指导成分设计,但这些方法缺乏一个对复杂体系固溶体结构的描述,这样的结构描述有助于理解复杂体系固溶体合金的成分规律。我们提出了一个“团簇+连接原子”的结构模型,从结构角度来解决多组元复杂合金的成分设计问题。该结构模型将结构分为两部分：团簇部分和连接原子部分,其中团簇为第一近邻配位多面体,团簇之间由连接原子搭接。团簇结构模型可给出一个简化的成分式,为[团簇](连接原子)x,即由一个团簇加x个连接原子构成。我们利用“团簇+连接原子”结构模型研究了典型的低弹性模量的β-Ti固溶体合金的成分特征,并且根据溶质原子与基体Ti之间的混合焓大小将溶质组元在结构模型中的作用进行了分类,即与Ti具有负混合焓的组元占据团簇心部,与Ti具有正混合焓的组元占据连接位置,与Ti性质相似的组元可替代Ti。结果表明这些低弹性模量的β-Ti固溶体合金成分均满足团簇式[CN14团簇](连接原子)x,并且存在的共性特征为：合金中必须存在BCC结构的稳定组元(Mo,Nb)；团簇成分式中连接位置由低弹性模量的组元占据(Nb,Ta)；团簇心部原子与基体Ti有相对强负混合焓作用,且尽量为低弹性模量组元(Mo,Sn).根据上述原则,本文工作以Ti-Mo二元为基础,根据“团簇+连接原子”结构模型设计一系列多组元(Ti,Zr)-(Mo,Sn,Al)-Nb团簇成分合金。采用铜模吸铸快冷技术制备φ3 mm和φ6 mm的合金棒,利用X射线衍射(XRD)和光学显微镜(OM)鉴定合金的结构和组织,然后对获得的BCC固溶体团簇成分合金进行力学性能测试。实验结果表明根据“团簇+连接原子”结构模型可获得一系列具有低弹性模量和良好综合性能的β-Ti固溶体合金,其中由1：1模型[CN14团簇](连接原子)1设计的团簇成分合金性能最佳,如[SnTi14]Mo1合金(E=70 Gpa,σ0.2=835 Mpa,σb=814 Mpa和ε=18%)和[Mo(Til2Zr2)]Nbl合金(E=68 Gpa,σ0.2=739 Mpa,σb=760 Mpa和ε=8.7%)。因此,1：1团簇结构模型能够简化多元体系成分设计的复杂性。另外,在简单体系中很难实现合金即能保证BCC结构又具有非常低的弹性模量和良好的综合力学性能,只有在多元合金体系中才能实现两者的统一。