Эволюция микроструктуры и механических свойств технически чистого титана при равноканальном угловом прессовании по схеме "Конформ"

• Автор: Поляков, Александр Вадимович
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 148 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Г ЛАВА 1. Литературный обзор

1.1 Развитие РКУП для получения металлов с УМЗ

структурой

1.2 Влияние комбинированной ИПД с использованием РКУП

на структуру и свойства технически чистого титана

1.3 Свойства титана с УМЗ структурой и перспективы его

применения

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА 2. Материал и методы исследования
2.1 Материал исследования
2.2 ИПД-обработка методом РКУП-Конформ с последующим
волочением
2.3 Анализ микроструктуры
2.3.1 Световая микроскопия
2.3.2 Электронная растровая микроскопия
2.3.3 Электронная просвечивающая микроскопия
2.3.4 Рентгеноструктурный анализ
2.4 Испытания механических свойств
2.4.1 Измерение микротвердости
2.4.2 Испытание на статическое растяжение
2.4.3 Усталостные испытания
2.5 Испытания медицинских кортикальных винтов УМЗ Ti
Grade
2.6 Активность U20S клеток на поверхности образцов УМЗ
Ti Grade
ГЛАВА 3. Исследование получения УМЗ структуры в
длинномерных титановых прутках методом РКУП-Конформ
3.1 Особенности процесса РКУП-Конформ для титановых
прутков
3.2 Влияние температуры деформирования при РКУП-
Конформ на структуру и механические свойства Ti Grade
3.3 Влияние степени деформации РКУП-Конформ на
структуру и механические свойства Ti Grade
3.4 Выводы по главе
ГЛАВА 4. Исследование УМЗ титановых прутков после
волочения
4.1 Процесс волочения УМЗ Ti для получения проволок
4.2 Микроструктура и механические свойства прутков Ti
Grade 4 после РКУП-Конформ и последующего волочения
4.3 Механические свойства прутков и проволоки УМЗ титана
4.4 Усталостное поведение и особенности разрушения
образцов.УМЗ Ti Grade 4 при циклическом нагружении
4.5 Распределение механических свойств в прутках УМЗ
титана Grade
4.6 Выводы по главе
ГЛАВА 5. Исследование медицинских изделий из УМЗ титана
5.1 Биомедицинские свойства УМЗ Ti Grade
5.2 Получение опытных изделий имплантатов и их аттестация
5.3 Апробация и клинические испытания имплантатов из
УМЗ Ti Grade
5.4 Выводы по главе
Основные выводы по работе
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение

Введение
Благодаря специфичным физико-механическим и химическим характеристикам (низкий модуль упругости, превосходная коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, немагнитность и др.), титан и его сплавы находят применение в различных отраслях промышленности. Обладая исключительной биосовместимостью, титан признан лучшим материалом для имплантатов в России и за рубежом [1]. При производстве медицинских изделий наибольшее применение имеет технически чистый титан и сплав П-6А1-4У (российский аналог ВТ6). Содержание легирующих элементов в Т1-6А1-4У дает материалу преимущественные характеристики статической и усталостной прочности, однако ионы алюминия и ванадия, имеющиеся в данном сплаве, оказывают токсичное воздействие на человеческий организм [1]. Вместе с тем, механические характеристики чистого титана значительно ниже уровня, достигаемого в титановых сплавах. Поэтому неизбежно растут требования к функциональным свойствам новых изделий, диктуемые стремлением к повышению качества жизни человека. В этой связи повышение статической прочности и долговечности титана является весьма актуальной задачей. Традиционные методы деформационно-термической обработки, такие как волочение, прокатка и др., не всегда позволяют достичь требуемых свойств, так как упрочнение обычно сопровождается значительным снижением пластичности, что снижает способность материала к сопротивлению усталости.
В последние годы большое внимание уделяется исследованиям нового подхода к повышению свойств металлов и сплавов, основанного на уменьшении размера зерна (кристаллитов) и формировании ультрамелкозернистой (УМЗ) (средний размер зерна менее 1 мкм) или нанокристаллической (НК) структуры (средний размер зерна менее 0,1 мкм), используя методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [2,3,4]. Формирование в титане УМЗ структуры приводит не только к значительному повышению прочности и сопротивления

создание УМЗ структуры в титане приводит к повышению усталостных свойств, что весьма привлекательно с точки зрения промышленного применения [49].
Областями применения наноструктурного титана, полученного ИПД, обладающего необходимым уровнем прочностных свойств, могут быть, в первую очередь, ортопедия, травматология и стоматология, что отражено в ряде работ [92,93]. Авторы [92] исследовали возможность конструкционного применения наноструктурированного титана. Результаты механических испытаний и микроструктурных исследований образцов титана после РКУП свидетельствовали о формировании УМЗ структуры и о существенном повышении прочности (предел прочности 816 МПа, удлинение 16 %), по сравнению с исходными (460 МПа и 27 %). В работе показан один из возможных примеров применения наноструктурных материалов, полученных ИПД. Это высокопрочные резьбовые крепежные изделия для использования в автомобилестроении, медицине (Рисунок
1.3.1 а). Также на рисунке 1.3.1 представлены другие варианты применения наноструктурного титана.
В работе [93] были исследованы заготовки из чистого титана, полученные деформацией РКУП в сочетании с деформационно-термической обработкой. Варьируя режимами обработки (количество проходов, степень деформации и маршруты движения заготовки в процессе РКУП), были получены и исследованы 3 наноструктурных состояния, существенно отличающиеся размером и формой зерен, плотностью дефектов и механическими свойствами, представленными в таблице 1.3.1. В состоянии 1 титан характеризовался равноосной микроструктурой со средним размером зерен около 250 нм. В состоянии 2 имел волокнистую в осевом направлении структуру с заметно меньшим размером зерен около 150 нм.