Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Интерес современного медицинского материаловедения направлен на разработку бета-сплавов тройных систем (TNZ) на основе титана, ниобия и циркония с низким модулем упругости, сопоставимым с модулем упругости кости. Однако их широкое применение в медицине ограничено недостаточно высокими прочностными свойствами, такими как пределы текучести, прочности, усталостной прочности, циклической долговечности и др. Формирование объемной ультрамелкозернистой структуры в титановых сплавах методами интенсивной пластической деформации позволяет обеспечить значительное повышение механических свойств без легирования «токсичными» элементами. Целью работы являлось обнаружение влияния деформационного воздействия (многоходовой прокатки и abc-прессования в сочетании с прокаткой) на микроструктуру и механические свойства сплава системы Ti-Nb-Zr. Методы исследования. Заготовки из сплава Ti-42Nb-7Zr были выполнены из чистых йодидного титана, ниобия и йодидного циркония методом дуговой плавки в защитной атмосфере аргона с использованием неплавящегося вольфрамового электрода. Сплав обладал высокой степенью однородности распределения по объёму легирующих элементов ниобия и циркония. Для формирования ультрамелкозернистой структуры литые заготовки подвергали деформационному воздействию по двум схемам, которые включали многоходовую прокатку и комбинированный метод интенсивной пластической деформации, сочетающий abc-прессование и последующую многоходовую прокатку в ручьевых валках. Результаты и обсуждение. В результате деформационной обработки прокаткой в заготовках сплава Ti-42Nb-7Zr формируется УМЗ-структура, представленная неравноосными b-субзернами с размерами в поперечном сечении 0,2…0,8 мкм и длиной 0,2…0,7 мкм, дисперсно-упрочненными наноразмерной ω-фазой и субзернами a²-фазы. Применение комбинированной деформации способствовало формированию в сплаве более диспергированной УМЗ (b+ω)-структуры со средним размером структурных элементов, равным 0,3 мкм. Сформированная в результате двухэтапной деформации УМЗ-структура обеспечила высокий уровень механических свойств: предел текучести – 480 МПа, предел прочности – 1100 МПа, микротвердость – 2800 МПа, при низком модуле упругости, равном 36 ГПа.

Об авторах

А. Ю. Ерошенко

Email: eroshenko@ispms.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия, eroshenko@ispms.ru

Е. В. Легостаева

Email: lego@ispms.ru
доктор техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия, lego@ispms.ru

И. А. Глухов

Email: gia@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия, gia@ispms.ru

П. В. Уваркин

Email: uvarkin@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия, uvarkin@ispms.ru

А. И. Толмачев

Email: tolmach@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия, tolmach@ispms.ru

Н. А. Лугинин

Email: nikishek90@gmail.com
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, nikishek90@gmail.com

В. А. Батаев

Email: bataev@corp.nstu.ru
доктор техн. наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет, проспект Карла Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, bataev@corp.nstu.ru

И. В. Иванов

Email: i.ivanov@corp.nstu.ru
Новосибирский государственный технический университет, проспект Карла Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, i.ivanov@corp.nstu.ru

Ю. П. Шаркеев

Email: sharkeev@ispms.ru
доктор физ.-мат. наук, профессор, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, sharkeev@ispms.ru

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».