Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The interest of modern medical materials science is focused on the development of beta-alloys of ternary systems (TNZ) based on titanium, niobium and zirconium with the low Young’;s modulus, which is comparable with the elastic modulus of the bone. A wide application of the above alloys in medicine is limited by its insufficiently high strength properties, such as yield strength, ultimate strength, fatigue strength, fatigue life, etc. The formation of bulk ultrafine-grained structure in the alloys via deformation processing, including severe plastic deformation, ensures a considerable increase in the mechanical properties of alloys without toxic alloying elements. The aim of the work is to analyze the influence of deformation (multipass rolling and abc-pressing in combination with rolling) on the microstructure and mechanical properties of the alloy of the Ti-Nb-Zr system. The research methods. The Ti-42Nb-7Zr alloy cast blanks were made from pure titanium, niobium, and zirconium iodides by arc melting with a tungsten electrode in the protective argon atmosphere. It is shown that the cast blanks obtained have a high degree of uniformity in the distribution of niobium and zirconium alloying elements. To form an ultrafine-grained (UFG) structure, the cast blanks were subjected to deformation according to two schemes: 1) multipass rolling and 2) a combined method of severe plastic deformation, consisting in abc-pressing and subsequent multipass groove rolling. Results and discussion. As a result of deformation processing by rolling, an ultrafine-grained (UFG) structure is formed, which is represented by non-equiaxed b-subgrains with cross-sectional dimensions 0.2–0.8 µm and length 0.2–0.7 µm, dispersion strengthened nanosized ω-phase, as well as subgrains of the a²-phase. Application of combined severe plastic deformation has promoted formation of a more dispersed UFG (b+ω)-structure with an average size of structural elements equal to 0.3 μm. The UFG structure formed as a result of two-stage SPD has provided a high level of mechanical properties: yield strength — 480 MPa, ultimate strength — 1,100 MPa, microhardness — 2,800 MPa, with a low modulus of elasticity equal to 36 GPa.

About the authors

A. Yu. Eroshenko

Email: eroshenko@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation, eroshenko@ispms.ru

E. V. Legostaeva

Email: lego@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation, lego@ispms.ru

I. A. Glukhov

Email: gia@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation, gia@ispms.ru

P. V. Uvarkin

Email: uvarkin@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation, uvarkin@ispms.ru

A. I. Tolmachev

Email: tolmach@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation, tolmach@ispms.ru

N. A. Luginin

Email: nikishek90@gmail.com
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation; Tomsk polytechnic university, Lenin Av., 30, 634050, Tomsk, Russia Federation, nikishek90@gmail.com

V. A. Bataev

Email: bataev@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, bataev@corp.nstu.ru

I. V. Ivanov

Email: i.ivanov@corp.nstu.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, i.ivanov@corp.nstu.ru

Y. P. Sharkeev

Email: sharkeev@ispms.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Akademicheskiy Av. 2/4, 634055, Tomsk, Russia Federation; Tomsk polytechnic university, Lenin Av., 30, 634050, Tomsk, Russia Federation, sharkeev@ispms.ru

References

  1. Niinomi M. Recent metallic materials for biomedical applications // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2002. – Vol. 33. – P. 477–486. – doi: 10.1007/s11661-002-0109-2.
  2. Development of a new β Ti alloy with low modulus and favorable plasticity for implant material / S.X. Liang, X.J. Feng, L.X. Yin, X.Y. Liu, M.Z. Ma, R.P. Liu // Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 61. – P. 338–343. – doi: 10.1016/j.msec.2015.12.076.
  3. Osteoblast cellular activity on low elastic modulus Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy / K.C. Nune, R.D. Misra, S.J. Li, Y.L. Hao, R. Yang // Dental Materials. – 2017. – Vol. 33. – P. 152–165. – doi: 10.1016/j.dental.2016.11.005.
  4. Cold rolling deformation characteristic of a biomedical beta type Ti–25Nb–3Zr–2Sn–3Mo alloy plate and its influence on α precipitated phases and room temperature mechanical properties during aging treatment / J. Cheng, J. Li, S. Yu, Z. Du, X. Zhang, W. Zhang, J. Gai, H. Wang, H. Song, Z. Yu // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2020. – Vol. 8. – P. 598529. – doi: 10.3389/fbioe.2020.598529.
  5. Precipitation of the α-phase in an ultrafine grained beta-titanium alloy processed by severe plastic deformation / T. Li, D. Kent, G. Sha, M.S. Dargusch, J.M. Cairney // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 605. – P. 144–150. – doi: 10.1016/j.msea.2014.03.044.
  6. Manufacturing, structure control, and functional testing of Ti–Nb-based SMA for medical application / S. Prokoshkin, V. Bralovski, S. Dubinskiy, Y. Zhukova, V. Sheremetyev, A. Konopatsky, K. Inaekyan // Shape Memory and Superelasticity. – 2016. – Vol. 3. – P. 130–144. – doi: 10.1007/s40830-016-0059-y.
  7. A thermo-mechanical treatment to improve the superelastic performances of biomedical Ti–26Nb and Ti–20Nb–6Zr (at.%) alloys / F. Sun, Y.L. Hao, S. Nowak, T. Gloriant, P. Laheurte, F. Prima // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2011. – Vol. 4. – P. 1864–1872. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2011.06.003.
  8. Microstructure and metallic ion release of pure titanium and Ti–13Nb–13Zr alloy processed by high pressure torsion / I. Dimic, I. Cvijovic-Alagic, B. Volker, A. Hohenwarter, R. Pipan, D. Veljovic, M. Rakin, B. Bugarski // Materials and Design. – 2016. – Vol. 91 (5). – P. 340–347. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.11.088.
  9. Mechanical properties and cytotoxic evaluation of the Ti-3Nb-13Zr alloy / S.G. Chneider, C.A. Nunes, S.O. Rogero, O.Z. Higa, J.C. Bressiani // Biomecanica. – 2000. – Vol. 8 (1). – P. 84–87. – doi: 10.5821/sibb.v8i1.1653.
  10. Deformation mechanism and mechanical properties of a thermomechanically processed β Ti–28Nb–35.4Zr alloy / S. Ozan, J. Lin, Yu. Li, K. Munir, H. Jiang, C. Wen // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2018. – Vol. 78. – P. 224–234. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2017.11.025.
  11. Cold rolling deformation and annealing behavior of a β-type Ti–34Nb–25Zr titanium alloy for biomedical applications / S. Ozan, J. Lin, Y. Zhang, Yu. Li, C. Wen // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9 (2). – P. 2308-2318. – doi: 10.1016/j.jmrt.2019.12.062.
  12. Effect of electron beam power density on the structure of titanium under non-vacuum electron-beam treatment / I.V. Ivanov, A. Thoemmes, V.Yu. Skiba, A.A. Ruktuev, I.A. Bataev // Metal Science and Heat Treatment. – 2019. – Vol. 60. – P. 625–632. – doi: 10.1007/s11041-019-00329-x.
  13. Microstructure and mechanical properties of Ti40Nb alloy after severe plastic deformation / Yu.P. Sharkeev, A.Yu. Eroshenko, I.A. Glukhov, A.I. Tolmachev, Q. Zhu // AIP Conference Proceedings. – 2014. – Vol. 1623. – P. 567–570. – doi: 10.1063/1.4899008.
  14. ASTM E1382-97. Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. – West Conshohocken, PA: ASTM International, 2016. – 24 p.
  15. Collings E.W. Physical metallurgy of titanium alloys. – Metals Park, OH: American Society for Metals, 1984. – 261 p. – ISBN 9780871701817.
  16. Composition dependent crystallography of α″-martensite in Ti–Nb-based β-titanium alloy / T. Inamura, J.I. Kim, H.Y. Kim, H. Hosoda, K. Wakashima, S. Miyazaki // Philosophical Magazine. – 2007. – Vol. 87, iss. 23. – P. 3325–3350. – doi: 10.1080/14786430601003874.
  17. Plastic Deformation of Nanostructured Materials / A.M. Glezer, E.V. Kozlov, N.A. Koneva, N.A. Popova, I.A. Kurzina. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 334 p. – ISBN 9780367573201.
  18. Thermal stability and latent heat of Nb–rich martensitic Ti-Nb alloys / M. Bonisch, A. Panigrahi, M. Calin, T. Waitz, M. Zehetbauer, W. Skrotzki, J. Eckert // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 697. – P. 300–309. – doi: 10.1016/j.jallcom.2016.12.108.
  19. Banerjee S., Mukhopadhyay P. Phase transformations. – Amsterdam: Elsevier, 2007. – 813 p. – ISBN 9780080548791.
  20. Effect of thermomechanical treatment on the mechanical and microstructural evolution of a β-type Ti-40.7Zr–24.8Nb alloy / S. Ozan, J. Lin, W. Weng, Y. Zhang, Yu. Li, C. Wen // Bioactive Materials. – 2019. – Vol. 4. – P. 303–311. – doi: 10.1016/j.bioactmat.2019.10.007.
  21. Biomedical titanium alloys with Young’;s moduli close to that of cortical bone / M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Lui, H. Li // Regenerative Biomaterials. – 2016. – Vol. 3. – P. 173–185. – doi: 10.1093/rb/rbw016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».