Influence of cold deformation on the structure, texture, elastic and microdurometric properties of biocompatible beta-titanium alloys based on the Ti–Nb–Zr system

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The influence of cold rolling with degrees of 85, 90% on the structural and textural state, microdurometric and elastic properties of hardened biocompatible -titanium alloys (at.%) Ti-26%Nb-3%Zr, Ti -26%Nb-5%Zr, Ti-26%Nb-6%Zr, Ti-26%Nb-3%Zr-1%Sn, Ti-26%Nb-3%Zr-1%Sn-0.7Ta . It is shown that an increase in the degree of deformation during cold rolling contributes to the formation of a more pronounced two-component texture {001}, {112} an increase in microhardness and a decrease in the values ​​of the elastic modulus in the rolling plane . A good agreement between the calculated and experimental values ​​of the modulus of elasticity of alloys in the quenched and cold-rolled states has been established.The influence of alloying and anisotropic state of alloys (through the molybdenum equivalent and the Zener anisotropy factor, respectively) on the level of their microhardness, contact modulus of elasticity E, including the difference in E in different sections of a cold-rolled sheet, is considered. It has been established that the minimum average value of Е=51±2 GPa in the rolling plane is given by the Ti-26Nb-3Zr alloy rolled with ε=90%, and the minimum level of average values Е (52±2 GPa in the rolling plane and 62±1 GPa in cross section) is typical for the Ti-26Nb-3Zr-1Sn alloy after rolling with ε= 85%

About the authors

A. A. Korenev

Ural Federal University

Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Ekaterinburg, 620002 Russia

A. G. Illarionov

Ural Federal University; Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: a.g.illarionov@urfu.ru
Ekaterinburg, 620002 Russia; Ekaterinburg, 620108 Russia

References

  1. Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials // Mater. Sci. Eng. R. 2015. V. 87. P. 1–57.
  2. 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.
  3. Biesiekierski A., Wang J., Abdel-Hady M., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys // Acta Biomater. 2012. V. 8. P. 1661–1669.
  4. Илларионов А.Г., Гриб С.В., Илларионова С.М., Попов А.А. Cвязь структуры, фазового состава, физико-механических свойств в закаленных сплавах системы Ti–Nb // ФММ. 2019. Т. 120. № 2. С. 161–168.
  5. Hao Y.L., Li S.J., Sun S.Y., Yang R. Effect of Zr and Sn on Young’s modulus and superelasticity of Ti–Nb-based alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 441. P. 112–118.
  6. Abdel-Hady M., Fuwa H., Hinoshita K., Kimura H., Shinzato Y., Morinaga M. Phase stability change with Zr content in β-type Ti–Nb alloys // Scripta Materialia. 2007. V. 57. P. 1000–1003.
  7. Illarionov A.G., Grib S.V., Yurovskikh A.S. Scientific approaches to the development of titanium-based alloys for medical implants // Solid State Phenomena. 2019. V. 299. P. 462–467.
  8. Wang X., Zhang L.G., Guo Z.Y., Jiang Y., Tao X.M., Liu L.B. Study of low-modulus biomedical β Ti–Nb–Zr alloys based on single-crystal elastic constants modeling // J. Mechan. Behavior of Biomed. Mater. 2016. V. 62. P. 310–318.
  9. Inamura T., Hosoda H., Wakashima K., Miyazaki S. Anisotropy and Temperature Dependence of Young’s Modulus in Textured TiNbAl Biomedical Shape Memory Alloy // Mater. Trans. 2005. V. 46. № 7. P. 1597–1603.
  10. Hao Y.L., Niinomy M., Kuroda D., Fukunaga K., Zhou Y.L., Yang R., Suzuki A. Aging Response of the Young’s Modulus and Mechanical Properties of Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr for Biomedical Applications // Metal. Mater. Trans. A. 2003. V. 34A. P. 1009–1012.
  11. He F., Yang S., Cao J. Effect of cold rolling and aging on the microstructure and mechanical properties of Ti–Nb–Zr alloy // JMEPEG. 2020. V. 29. P. 3411–3419.
  12. Inamura T., Shimizu R., Kim H.Y., Miyazaki S., Hosoda H. Optimum rolling ratio for obtaining {001} recrystallization texture in Ti–Nb–Al biomedical shape memory alloy // Mater. Sci. Eng. C. 2016. V. 61. P. 499–505.
  13. Cojocaru V.-D., Raducanu D., Gloriant T., Gordin D.M., Cinca I. Effects of cold-rolling deformation on texture evolution and mechanical properties of Ti–29Nb–9Ta–10Zr alloy // Materials Science and Engineering: A. 2013. V. 586. P. 1–10.
  14. Lan C., Wu Y., Guo L., Chen H., Chen F. Microstructure, texture evolution and mechanical properties of cold rolled Ti–32.5Nb–6.8Zr–2.7Sn biomedical beta titanium alloy // J. Mater. Sci. Techn. 2018. V. 34. P. 788–792.
  15. 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.
  16. Marker C., Shang S.-L., Zhao J.-C., Liu Z.-K. Elastic knowledge base of bcc Ti alloys from first-principles calculations and CALPHAD-based modeling // Comp. Mater. Sci. 2017. V. 140. P. 121–139.
  17. Korenev A.A., Grib S.V., Illarionov A.G. Evolution of Structure, Physical and Mechanical Properties in Biocompatible Alloys Ti–39Nb–5Zr, Ti–39Nb–5Zr–2Sn, Ti–39Nb–5Zr–2Sn–2Ta under Deformation and Thermal Effects // AIP Conference Proceedings, 2020. V. 2313. P. 060007.
  18. Illarionov A.G., Narygina I.V., Grib S.V. Temperature range definition of phase transformation in experimental biocompatible Ti–Nb–Zr system alloys by various methods // Mater. Today: Proceedings. 2019. V. 19. Part 5. P. 2385–2388.
  19. Илларионов А.Г., Нежданов А.Г., Степанов С.И., Муллер-Камский Г., Попов А.А. Cтруктурно-фазовое состояние и механические свойства биосовместимых сплавов различных классов на основе титана // ФММ. 2020. Т. 121. № 4. С. 411–417.
  20. Jiang B., Wang Q., Wen D., Xu W., Chen G. Dong C., Sun L. and 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.
  21. 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.
  22. Ranganathan S.I., Ostoja-Starzewski M. Universal Elastic Anisotropy Index // Phys. Rev. Letters. 2008. V. 101. P. 055504.
  23. Муслов С.А., Шеляков А.В., Андреев В.А. Сплавы с эффектом памятью формы: свойства, получение и применение в технике и медицине. М.: МГМСУ им. А.И. Евдокимова, 2018. 254 с.
  24. Paszkiewicz T., Wolski S. Anisotropic properties of mechanical characteristics and auxeticity of cubic crystalline media // Phys. Stat. Sol. (b). 2007. V. 244. № 3. P. 966–977.
  25. Kim H.Y., Sasaki T., Okutsu K., Kim J.I., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Texture and shape memory behavior of Ti–22Nb–6Ta alloy // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 423–433.
  26. Kovalik M., Wojciechowski K.W. Poisson’s ratio of orientationally disordered hard dumbbell crystal in three dimensions // J. of Non-Cryst/Solids. 2006. V. 352. P. 4269–4278.
  27. Kent D., Wang G., Dargusch M. Effects of phase stability and processing on the mechanical properties of Ti–Nb based β Ti alloys // Mechan. Behavior Biomed. Mater. 2013. V. 28. P. 15–25.
  28. Khrunyk Y.Y., Ehnert S., Grib S.V., Illarionov A.G., Stepanov S.I., Popov A.A., Ryzhkov M.A., Belikov S.V., Xu Z., Rupp F., Nüssler A.K. Synthesis and Characterization of a Novel Biocompatible Alloy, Ti–Nb–Zr–Ta–Sn // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. P. 10611.
  29. Levinger B.W. Lattice Parameter of Beta Titanium at Room Temperature // Trans. AIME J. Metals. 1953. № 2. P. 195.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (193KB)
Indexing metadata
3.

Download (981KB)
Indexing metadata
4.

Download (262KB)
Indexing metadata
5.

Download (274KB)
Indexing metadata
6.

Download (243KB)
Indexing metadata
7.

Download (187KB)
Indexing metadata
8.

Download (64KB)
Indexing metadata


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».