Исследование физико-механических и коррозионных свойств наноструктурного титана для применения в технике и медицине

• Автор: Якушина, Евгения Борисовна
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Содержание

Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1. Формирование наноструктур в металлах и сплавах

используя методы интенсивной пластической деформации.

1.2. Деформационное поведение, механические и

эксплуатационные свойства НС металлов и сплавов.

1.3. Использование титана в медицине

1.4. Постановка задач исследования

Г лава 2 Материал и методики исследования

2.1. Материалы исследования
2.2. Методы получения прутков из наноструктурного
титана Grade 2 и Grade
2.3. Методики подготовки образцов для
микроструктурных исследований
2.4. Металлографический и электронно
микроскопический анализ
2.5. Методика механических испытаний
2.6. Методика усталостных испытаний
2.7. Методика коррозионных испытаний
Глава 3 Формирование наноструктуры и механические
свойства длинномерных титановых прутков.
3.1. Эволюция микроструктуры титановых прутков в
процессе РКУП и ТМО.
3.2. Механические свойства наноструктурных титановых
прутков
3.3. Усталостное поведение наноструктурного титана
Выводы по 3 главе
Г лава 4 Механическое поведение наноструктурного титана
при повышенных температурах.
4.1. Механическое поведение наноструктурного титана
при растяжении при повышенных температурах.
4.2. Механическое поведение наноструктурного титана
при сжатии.
4.3. Влияние деформации сжатием на микроструктуру
прутков.
Выводы по главе
Глава 5 Исследование эксплуатационных характеристик для
различных применений наноструктурного титана.
5.1. Коррозионное поведение и усталостные свойства
наноструктурного титана в биологических средах
5.2. Биосовместимость наноструктурного титана
5.3. Опытные имплантаты из наноструктурного титана и
первые клинические наблюдения.
5.4 Усталостное поведение резьбовых соединений из
наноструктурного титана
Выводы по главе
Общие выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Титан и его сплавы, благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости, широко используются в качестве конструкционных материалов в медицинской промышленности, машиностроении и авиастроении [1-4]. В связи с современными темпами развития техники и медицины возникает необходимость создания конструкционных титановых материалов нового поколения, обладающих повышенными механическими, усталостными и другими функциональными характеристиками, например для таких изделий, как имплантаты и устройства медицинского назначения, различный крепеж в машиностроении и медицине [5].
В то лее время, для использования титана в таких ответственных изделиях как элементы крепежа и имплантаты, уровень механических и функциональных свойств, которыми обладает технически чистый титан в исходном крупнозернистом состоянии, недостаточно высокий, и находится ниже уровня титановых сплавов. Известно [3], что повышения механических и функциональных свойств в металлических материалах можно достичь за счет формирования ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с размером зерен в субмикро - и нанокристаллическом диапазоне и имеющих преимущественно большеугловые границы зерен (БУГ). БУГ - называют границы зерен, угол взаимной разориентировки которых находится в диапазоне от 15 до 90 ° [6]. К наноструктурным (НС) материалам относят кристаллические материалы со средним размером зерен или других структурных единиц менее 100 нм. Получение такой структуры в конструкционных материалах возможно за счет применения методов интенсивной пластической деформации (ИПД) [4]. УМЗ металлы и сплавы, полученные методами ИПД, имеют средний размер зерен, как правило, в интервале 100...500 нм, и содержат внутри зерен дислокационную субструктуру, поэтому они обычно относятся к классу объемных
окислительной среды организма его окисление возможно всегда. Но, наряду с растворением оксида, появляется и оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс окисления [76].
Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1 А = 1СГ10 м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дал ьнейшего окисления. Если даже' эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной пли хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения (77].
В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, п-пан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99 % - ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1...0,2 мм/год. В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20 % - ной при
20 ° С - 0,58 мм/год. В серной кисло ш слабой концентрации (до 0,5 - 1 % ) титан и большинство его сплавов стойкие даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек титан и в более концентрированных растворах (10 - 20 % - ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005 - 0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10 — 20 %-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная,