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

A. A. Korenev; Коренев А. А.; A. G. Illarionov; Илларионов А. Г.

doi:10.31857/S0015323022601763

Влияние холодной деформации на структуру, текстуру, упругие и микродюрометрические свойства биосовместимых бета-титановых сплавов на базе системы Ti–Nb–Zr

Авторы: Коренев А.А.¹, Илларионов А.Г.¹^,2
Учреждения:
1. Уральский федеральный университет
2. Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
Выпуск: Том 124, № 6 (2023)
Страницы: 492-499
Раздел: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
URL: https://journals.rcsi.science/0015-3230/article/view/139444
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323022601763
EDN: https://elibrary.ru/WRFMFJ
ID: 139444

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация

С использованием расчетных и экспериментальных методик изучено влияние холодной прокатки со степенями 85, 90% на структурно-текстурное состояние, микродюрометрические и упругие свойства закаленных биосовместимых β-сплавов титана (ат. %) 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–0.7% Ta. Показано, что повышение степени деформации при холодной прокатке способствует формированию более ярко выраженной двухкомпонентной текстуры {001}_{β $⟨ 110 ⟩$ β}, {112}_{β $⟨ 110 ⟩$ β}, росту микротвердости и снижению значений модуля упругости в плоскости прокатки. Установлено хорошее соответствие расчетных и экспериментальных значений модуля упругости сплавов в закаленном и холоднокатаном состоянии. Рассмотрено влияние легирования и анизотропного состояния сплавов (через молибденовый эквивалент и фактор анизотропии Зенера соответственно) на уровень их микротвердости, контактного модуля упругости E, включая различие E в разных сечениях холоднокатаного листа. Определены составы сплавов и режимы деформации, позволяющие получить наиболее низкие значения модуля упругости.

Ключевые слова

биосовместимые сплавы титана, закалка, холодная прокатка, контактный модуль упругости, расчет из первых принципов, структура, текстура, микротвердость

Об авторах

А. А. Коренев

Уральский федеральный университет

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

А. Г. Илларионов

Уральский федеральный университет; Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

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

Список литературы

Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials // Mater. Sci. Eng. R. 2015. V. 87. P. 1–57.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ranganathan S.I., Ostoja-Starzewski M. Universal Elastic Anisotropy Index // Phys. Rev. Letters. 2008. V. 101. P. 055504.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Levinger B.W. Lattice Parameter of Beta Titanium at Room Temperature // Trans. AIME J. Metals. 1953. № 2. P. 195.