Образование в закаленном биосовместимом сплаве Ti–26 ат. % Nb при деформации τ-фазы и ее влияние на свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рентгеноструктурные исследования in situ при растяжении закаленного сплава Ti–26 ат.%Nb с исходной однофазной β-структурой позволили изучить процессы, протекающие при наложении деформации, и разделить их на три интервала. Первый интервал значений (до 0.7%) – область упругой деформации ОЦК-решетки β-твердого раствора титана. Во втором интервале (0.7–1.4%) фиксируется протекание деформационно-индуцированного β→τ-превращения, и по мере увеличения степени деформации до 1.4% наблюдается увеличение параметра “с/a” ее решетки. В третьем интервале деформаций (1.4–2.2%) наблюдается протекание пластической деформации β- и τ-фаз. Образовавшаяся τ-фаза после проведения испытания остается достаточно стабильной и сохраняется в структуре. Установлено, что в результате проведения испытаний на растяжение модуль упругости закаленного сплава Ti–26Nb снизился от 58 ГПа до 52–54 ГПа, а микротвердость повысилась от 200 HV до 240 HV.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Коренев

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

С. Л. Демаков

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

М. С. Карабаналов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

А. Г. Илларионов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Miyazaki S., Kim H.Y., Hosoda H. Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 438–440. P. 18–24.
  2. Sidhu S.S., Singh H., Abdel-Hady M. A review on alloy design, biological response, and strengthening of β-titanium alloys as biomaterials // Mater. Sci. Eng. C. 2021. V. 121. P. 111661.
  3. Demakov S., Kylosova I., Stepanov S., Bönisch M. A general model for the crystal structure of orthorhombic martensite in Ti alloys // Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 2021. Т. 77. № 2. С. 749–762.
  4. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. 304 с.
  5. Weng W., Biesiekierski A., Li Y., Wen C. Effects of selected metallic and interstitial elements on the microstructure and mechanical properties of beta titanium alloys for orthopedic applications // Materialia. 2019. V. 6. P. 100323.
  6. Kim H.Y., Fu J., Tobe H., Kim J.I., Miyazaki S. Crystal structure, transformation strain, and superelastic property of Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Ta alloys // Shap. Mem. Superelasticity. 2015. V. 1. P. 107–116.
  7. Kim H.Y., Kim J.I., Inamura T., Hosoda H., Myazaki S. Effect of thermo-mechanical treatment on mechanical properties and shape memory behavior of Ti–(26–28) at.% Nb alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 438–440. P. 839–843.
  8. Кадыкова Г.Н., Гадзоева М.М., Обходова Т.В. Влияние холодной деформации на фазовые превращения в титан-ниобиевых сплавах // Металлы. 1974. № 3. С. 165–172.
  9. Лясоцкий И.В., Кадыкова Г.Н., Тяпкин Ю.Д. Структура твердых растворов сплавов на основе титана с ОЦК решеткой и образование тетрагональной фазы при холодной деформации // ФММ. 1978. Т. 46. № 1. С. 142–150.
  10. Кадыкова Г.Н., Гадзоева М.М. Влияние циркония на фазовые превращения в сплавах Ti–Nb // Металлы. 1975. № 2. С. 198–204.
  11. Илларионов А.Г., Нарыгина И.В., Карабаналов М.С., Демаков С.Л., Попов А.А., Елкина О.А. Структурные и фазовые превращения в титановом сплаве переходного класса при деформационном воздействии // ФММ. 2010. Т. 110. № 3. С. 295–304.
  12. Львова Е.А., Черемных В.Г. Стадийность мартенситного превращения, индуцированного пластической деформацией, в титановых сплавах // ФММ. 1987. Т. 63. № 3. С. 525–533.
  13. Мальцев В.М. Влияние вида деформации на распад метастабильной β-фазы в сплаве Вт16 // ФММ. 1976. Т. 41. № 6. С. 1225–1231.
  14. Tahara M., Kim H.Y., Hosoda H., Miyazaki S. Cyclic deformation behavior of a Ti-26 at.% Nb alloy // Acta Mater. 2009. V. 57. P. 2461–2469.
  15. Tahara M., Kim H.Y., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Lattice modulation and superelasticity in oxygen-added β-Ti alloys // Acta Mater. 2011. V. 59. P. 6208–6218.
  16. Castany P., Ramarolahy A., Prima F., Laheurte P., Curfs C., Gloriant T. In situ synchrotron X-ray diffraction study of the martensitic transformation in superelastic Ti-24Nb-0.5N and Ti-24Nb-0.5O alloys // Acta Mater. 2015. V. 88. P. 102–111.
  17. Sheremetyev V., Dubinskiy S., Kudryashova A., Prokoshkin S., Brailovski V. In situ XRD study of stress- and cooling-induced martensitic transformations in ultrafine- and nano-grained superelastic Ti-18Zr-14Nb alloy // J. Alloys Compounds. 2022. V. 902. P. 163704.
  18. Niinomy M., Akahori T., Nakai M. In situ X-ray analysis of mechanism of nonlinear super elastic behavior of Ti–Nb–Ta–Zr system beta-type titanium alloy for biomedical applications // Mater. Sci. Eng. C. 2008. V. 28. P. 406–413.
  19. Панова Т.В., Блинов В.И. Определение индексов отражающихся плоскостей: Описание лабораторной работы по курсу “Рентгеноструктурный анализ”. Омск: Омск. гос. ун-т, 2004. 20 с.
  20. Коренев А.А., Илларионов А.Г. Расчетные и экспериментальные упругие свойства закаленных биосовместимых сплавов титана систем Ti–Nb, Ti–Nb–Zr, Ti–Nb–Zr–Sn, Ti–Nb–Zr–Sn–Ta // ФММ. 2022. Т. 123. № 11. С. 1–7.
  21. Коренев А.А., Илларионов А.Г. Влияние холодной деформации на структуру, текстуру, упругие и микродюрометрические свойства биосовместимых бета-титановых сплавов на базе системы Ti–Nb–Zr // ФММ. 2023. Т. 124. № 6. С. 492–499.
  22. Shinohara Y., Matsumoto Y., Tahara M., Hosoda H., Inamura T. Development of 〈001〉-fiber texture in cold-groove-rolled Ti–Mo–Al–Zr biomedical alloy // Materialia. 2018. V. 1. P. 52–61.
  23. Jiang B., Wang Q., Wen D., Xu W., Chen G. Dong C., Sun L., Liaw P.K. Effects of Nb and Zr on structural stabilities of Ti–Mo–Sn-based alloys with low modulus // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 687. P. 1–7.
  24. Гречников Ф.В. Теория пластического деформирования металлов: Учебник / Ф.В. Гренчников, В.Г. Каргин. Самара: Издательство Самарского университета, 2021. 448 с.
  25. Jiang B., Wang Q., Li X., Dong C., Xu F., He H., Sun L. Structural stability of the metastable β-[(Mo0.5Sn0.5)-(Ti13Zr1)]Nb1 alloy with low Young’s modulus at different states // Metal. Mater. Trans. A. 2017. V. 48A. P. 3912–3919.
  26. Yang Y., Zhang B., Meng Z., Qu L., Wang H., Cao S., Hu J., Chen H. Wu S., Ping D., Li G., Zhang L.-C., Yang R., Huang A. {332} < 113 > Twinning transfer behavior and its effect on the twin shape in a beta-type Ti-23.1Nb-2.0Zr-1.0O alloy // J. Mater. Sci. Techn. 2021. V. 91. P. 58–66.
  27. Hou F.Q., Li S.J., Hao Y.L., Yang R. Nonlinear elastic deformation behavior of Ti-30Nb-12Zr alloys // Scripta Mater. 2010. V. 63. P. 54–57.
  28. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. Учебник для вузов 3-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС, 1998. 400 с.
  29. Муслов С.А. Упругие свойства металлов и сплавов накануне мартенситных превращений // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. Т. 80. № 2. С. 13–19.
  30. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology Pharr // J. Mater. Res. 2004. V. 19. № 1. P. 3–20.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Вид установки (а); схема проведения рентгеновской сьемки при растяжении (б).

Скачать (22KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограмма (а) и ориентационная микроскопия (б) закаленного сплава Ti–26Nb.

Скачать (29KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментально построенная диаграмма “напряжение–деформация” при растяжении закаленного сплава Ti–26Nb (а) и фрагменты дифрактограмм закаленного сплава Ti–26Nb, снятые при деформации растяжением в определенные этапы нагружения (–положение максимального пика линий β-фазы;▼ – линий τ-фазы) (б). Съемку проводили с плоскости вырезки.

Скачать (61KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Периоды решеток β- и τ-фазы (а); параметр c/a β- и τ-фаз (б) сплава Ti–26Nb при испытании на растяжение (пунктирной линией на “б” показан переход к значениям после разгрузки).

Скачать (29KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фрагмент номограммы Бьерстрема для тетрагональной сингонии с нанесенными экспериментальными значениями с/а на положение линий с индексами типа 200, 211 ОЦТ-решетки τ-фазы, образованной после растяжения закаленного сплава Ti–26Nb в интервале деформации от 1 до 2.2%.

Скачать (15KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Фрагмент дифрактограмм (а) и отношение интенсивностей линий 200 τ- и 200 β-фаз сплава Ti–26Nb (б) после первого испытания на растяжение.

Скачать (29KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Структура сплава (а) и ориентационная микроскопия (б) сплава Ti–26Nb после испытания на растяжение и последующего вылеживания в течение 3 дней.

Скачать (28KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Контур графики рассчитанного модуля упругости (а) и коэффициента Пуассона (б) ОЦК-решетки β-твердого раствора сплава Ti–26Nb в зависимости от ориентации.

Скачать (24KB)
Метаданные