^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.295'293'296'294:539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СТРУКТУРЫ И СВЕРХУПРУГОГО ПОВЕДЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ Ti-Nb-Zr И Ti-Nb-Ta
© 2015 г. В. А. Шереметьев*, С. Д. Прокошкин*, В. Браиловский**, С. М. Дубинский*, А. В. Коротицкий*, М. Р. Филонов*, М. И. Петржик*
*Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", 119049 Москва, Ленинский проспект, 4 ** Высшая технологическая школа, 1100Монреаль, Нотр-Дам Вест стр., Канада
e-mail: prokoshkin@tmo.misis.ru Поступила в редакцию 25.08.2014 г.; в окончательном варианте — 07.10.2014 г.
В результате циклических механических испытаний по схеме растяжение—разгрузка (максимальная деформация 2% в каждом цикле, 10 циклов) после термомеханической обработки были определены параметры сверхупругости сплавов Ti—Nb—Ta и Ti—Nb—Zr: модуль Юнга, остаточная деформация и фазовый предел текучести. Методами электронно-микроскопического и рентгенострук-турного анализов изучены параметры сверхупругости и структура сплавов до испытания, после испытания, после выдержки 40 дней и после повторного испытания. Модуль Юнга сплава Ti—Nb—Ta уменьшается в ходе механоциклирования после ТМО по разным режимам с 30—40 до 20—25 ГПа, но восстанавливает свое исходное значение при последующей выдержке в течение 40 дней, а в ходе повторного механоциклирования изменяется мало. Модуль Юнга сплава Ti—Nb—Zr в ходе механо-циклирования уменьшается незначительно, а при выдержке также восстанавливается и при повторном циклировании ведет себя стабильно. В ходе механоциклирования возникают поверхностные растягивающие напряжения, которые облегчают развитие мартенситного превращения под нагрузкой, ориентируют его и таким образом способствуют наблюдаемому уменьшению фазового предела текучести и остаточной деформации. Повышение уровня исходного упрочнения стабилизирует сверхупругое поведение при механоциклировании.
Ключевые слова: сплавы с памятью формы, титановые сплавы, биосовместимые сплавы, термомеханическая обработка, структура, мартенситные превращения, характеристики сверхупругости, стабильность.
Б01: 10.7868/80015323015040154
ВВЕДЕНИЕ
Механическое поведение современных металлических материалов для костных имплантов, в частности сплавов на основе титана, резко отличается от поведения костной ткани. Значительное различие величин модуля Юнга металлического импланта и костной ткани приводит к нарушению механико-биологического равновесия в организме человека и как следствие к разрушению механической связи в зоне контакта "им-плант—кость" в ходе циклических нагрузок [1]. Сплавы с памятью формы (СПФ), проявляющие сверхупругое (псевдоупругое) механическое поведение и пониженный модуль Юнга, наиболее близки по механическому поведению к костной ткани [2]. Однако традиционные сплавы на основе интерметаллида Т1№ содержат токсичный ни-
кель, что ограничивает их медицинское применение. СПФ на основе систем Ti—Nb—Zr и Ti—Nb— Ta, в которых протекает обратимое термоупругое мартенситное превращение в о а", на протяжении последних 10 лет привлекают внимание исследователей в качестве перспективной замены традиционных титановых сплавов и СПФ системы Ti—Ni [3—6]. Главными преимуществами таких сплавов, с точки зрения медицинского применения, являются более высокая биомеханическая совместимость (более низкий модуль Юнга) по сравнению с титаном и его обычными сплавами и более высокая биохимическая совместимость (отсутствие токсичного никеля и низко-биосовместимых ванадия и алюминия) по сравнению со сплавами титана, включая СПФ Ti—Ni. Благодаря этим преимуществам СПФ Ti—Nb—Zr
и Ti—Nb—Ta могут в большей мере имитировать поведение живой костной ткани, улучшая контакт между имплантом и костью, тем самым снижая вероятность вынужденной замены импланта.
Термомеханическая обработка (ТМО), включающая холодную деформацию и последеформа-ционный отжиг (ПДО), позволяет эффективно управлять структурой, субструктурой и комплексом функциональных свойств СПФ Ti—Ni [7—9]. Так, при переходе от рекристаллизованной структуры к полигонизованной наносубзеренной субструктуре, и тем более к нанокристаллической структуре В2-аустенита в результате ТМО наблюдается повышение максимальных реактивного напряжения и полностью обратимой деформации, расширение температурной области реализации сверхупругого поведения. Повышение функциональных характеристик в этом случае происходит за счет увеличения разности между "дислокационным" и "фазовым" пределами текучести [10, 11]. Таким образом, формирование структуры и субструктуры с нанометрическими и субмикронными размерами структурных элементов позволяет реализовать предельно высокий комплекс "статических" и "динамических" (усталостных) функциональных характеристик СПФ Ti—Ni [8—12].
Опыт применения ТМО к СПФ Ti—Ni был использован для изучения структурообразования и управления функциональными свойствами тер-момеханически обработанных сплавов Ti—Nb— Zr, Ti—Nb—Ta [13, 14]. Усталостные испытания в условиях реализации сверупругости позволили выявить диапазон режимов ТМО, обеспечивающих наибольшую функциональную долговечность и наиболее совершенное сверхупругое поведение сплава Ti—Nb—Zr и отвечающих формированию наносубзеренной структуры Р-фазы [6]. В частности, было выявлено постепенное уменьшение модуля Юнга, фазового предела текучести и величины остаточной деформации по мере увеличения числа циклов "деформация—разгрузка". В то же время в работе [15] на сплаве Ti—24Nb— 4Zr—7.95Sn было показано, что при выдержке в течение 6 дней после циклических испытаний величина модуля Юнга частично восстанавливается. С другой стороны, исследования сплавов Ti— Nb—Zr и Ti—Nb—Ta показали, что при оптимальном выборе химического состава и режима ТМО модуль Юнга уменьшается во время циклических испытаний до 25—30 ГПа, эта достигнутая величина остается стабильной при последующем вылеживании в течение 40 дней и повторном цикли-ровании [16, 17]. Ввиду вышесказанного большое значение приобретает изучение взаимосвязи между изменениями структуры и сверхупругого поведения сплавов Ti—Nb—Zr и Ti—Nb—Ta в ходе
функциональных усталостных испытаний и последующей длительной выдержки.
Таким образом, целью настоящей работы является определение влияния структуры термоме-ханически обработанных СПФ Ti—Nb—Zr и Ti— Nb—Ta на стабильность характеристик сверхупругого поведения и формирование структуры в ходе циклических механических испытаний на растяжение, длительной выдержки и повторных циклических механических испытаний.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовали сплавы Ti74.5Nb19.7Ta5.8 (TNT) и Ti72.2Nb21.8Zr6 (TNZ). Слиток сплава TNT длиной 350 мм и диаметром 80 мм выплавили в вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом через лигатуру Nb + Ta. Полученный слиток массой около 7 кг подвергли горячей обработке на ротаци-онно-ковочной машине при температуре 900°С и обточили до диаметра 50 мм. Слиток сплава TNZ длиной 660 мм и диаметром 50 мм получили методом индукционной гарнисажной плавки. Далее слиток массой около 7 кг подвергли горячему изо-статическому прессованию при температуре 900°С и давлении 100 МПа в течение двух часов.
Из полученных цилиндрических заготовок методом электроэрозионной резки получали пластины размером 2 х 8 х 50 мм. Эти пластины подвергли многопроходной холодной прокатке (ХП) с накопленной степенью деформации e = 0.3. Из прокатанных пластин вырезали образцы размером 1.5 х 1.5 х 50 мм для механических испытаний и рентгеноструктурных исследований. Для исследования структурных изменений до и после механических испытаний методом электронной микроскопии из деформированных пластин вырезали образцы 1.5 х 3 х 50 мм. К полученным образцам применили ПДО по разным режимам с последующим охлаждением в воде. Режимы ТМО сплавов приведены в табл. 1.
Температурный интервал ПДО 500—600° С для механических испытаний и структурных исследований выбрали исходя из того, что область температур последеформационного отжига, наиболее благоприятная для проявления эффекта сверхупругости в сплавах Ti—Nb—Zr и Ti—Nb—Ta, лежит в окрестности 600°С и отвечает формированию в основном полигонизованной субструктуры ß-фа-зы с нанометрическим или субмикронным размером структурных элементов и малым количеством охрупчивающей ю-фазы [6, 13]. Режим ПДО 500°С, 1 ч + старение при 300°С, 1 ч выбран исходя из того, что дополнительное старение по этому режиму приводит к наибольшему увеличе-
нию усталостной долговечности сплава Ti—Nb— Ta [14]. ПДО при 750°С, 30 мин, формирующий в исследуемых сплавах рекристаллизованую крупнозернистую структуру ß-фазы, выбрали в качестве контрольной обработки. Одну из плоских граней образцов для механических испытаний подвергали механической шлифовке, а затем стравливали наклепанный слой в растворе состава 1HF:4HNO3:5H2O. Таким образом, получали поверхность для рентгенографического исследования, позволяющего проследить структурные изменения на всех стадиях эксперимента.
Структурные исследования проводили методами электронно-микроскопического и рентгенографического анализов до испытания (поз. 1), после испытания (поз. 2), после выдержки в течение 40 дней (поз. 3) и после повторного испытания (поз. 4) (рис. 1).
Рентгенографические съемки проводили на дифрактометре "PANalytical X'pert Pro" при комнатной температуре в интервале брегговских углов 29 от 30° до 100°. По дифрактограммам определяли условную ширину рентгеновских линий ß-фазы, измеряя ее на половине высоты. По методикам, аналогичным описанным в [18—20], рассчитывали параметры решетки фаз и максимальную деформацию решетки при мартенсит-ном превращении. Параметры a, b и c ромбической решетки a''-мартенсита были рассчитаны по координатам его рентгеновских линий методом наименьших квадратов. Расчет параметров решетки мартенсита проводили для случаев, когда число отчетливых линий a''-фазы было не меньше пяти из (020), (021), (022), (200), (130), (131), (220) и (132). Параметры ОЦК-решетки ß-фазы, используемые в расчетах, определяли по линиям {110}, {200}, {211}, {220} и {310} методом экстраполяции на 9 =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.