Ультрамелкозернистая структура увеличила долговечность отечественного биосплава Ti-45Nb
Ультрамелкозернистая структура увеличила долговечность отечественного биосплава Ti-45Nb
![Ультрамелкозернистая структура увеличила долговечность отечественного биосплава Ti-45Nb](/upload/iblock/980/5zede7bbsv1vx4zpsauaj5jlwc4wetfh.png)
В 1,5 раза возрос предел выносливости в условиях гигацикловой усталости отечественного биосовместимого сплава титана с ниобием благодаря ультрамелкозернистой структуре, полученной методом трехмерной пластической деформации. Такие результаты показало исследование, проведенное лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) совместно с сотрудниками Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (ИМСС УрО РАН).
Титан благодаря своей высокой удельной прочности, долговечности, коррозионной стойкости и биосовместимости является наиболее предпочтительным материалом для изготовления медицинских имплантатов, в том числе таких, как искусственные тазобедренные суставы, пластины для остеосинтеза, винты и стержни для крепления позвоночника, стоматологические винты и прочие элементы, которые подвергаются длительному циклическому нагружению при использовании. Главным недостатком титановых имплантатов считается большая разница в механических характеристиках костной ткани и металла, из-за чего возникает неравномерность в распределении нагрузок в местах соединения кости и металла.
Титан куда более жесткий материал, чем кость. Модуль упругости титана превышает 100 ГПа, в то время как для кости эта характеристика не превосходит 30 ГПа. В связи с этим перспективным направлением считается использование в качестве материала для медицинских имплантатов сплава титана с ниобием, металлом также биологически инертным. Модуль упругости такого сплава составляет величину 50-60 ГПа. Но как он поведет себя при гигацикловом (более 109 циклов) усталостном нагружении? И как повлияет на эту характеристику структура сплава? Именно этот вопрос исследовали специалисты ИФПМ СО РАН и ИМСС УрО РАН.
![](/upload/medialibrary/2d5/30mfekh2d08e00oilald0bxbx5likx0q.JPG)
Рис. 1. Сплав Ti-45Nb с крупнозернистой (слева) и ультрамелкозернистой (справа) структурой под микроскопом.
Образцы для этих экспериментов изготовил Чепецкий механический завод, который входит в структуру ГК "Росатом", специализируясь в производстве металлов и сплавов для атомной промышленности. Был использован сплав Ti-45Nb, состоящий на 45% из ниобия. Образцы изготовлялись двух типов: с крупнозернистой (КЗ) структурой (средний размер кристаллического зерна 45 мкм), и с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой (0,2 мкм). УМЗ-структура была получена путем многократной трехмерной пластической деформации заготовок при определенном температурном режиме.
![](/upload/medialibrary/c88/a00njr5ldqjwpqexnraa6uzv5s6k1c5o.png)
Рис. 2. Образец на испытательном стенде.
Испытания проводились на ультразвуковом резонансном стенде при частоте нагружения 20 кГц, что позволяло пройти 109 циклов растяжения-сжатия за считанные часы.
![](/upload/medialibrary/53e/bavfzr126phh82aw02dj1vbhusiakt9g.JPG)
Рис. 3. Зависимость числа циклов до разрушения от величины нагрузки. 1 – результаты испытаний образцов с КЗ-структурой, 2 – результаты для образцов с УМЗ-структурой.
Как видно на рис. 3, УМЗ-структура образцов сплава Ti-45Nb обеспечила увеличение предела выносливости при числе циклов 109 в 1,5 раза по сравнению с КЗ-структурой – 295 МПа против 195 МПа.
В процессе этих испытаний был опробован и способ исследования напряженно-деформированного состояния материала методом инфракрасной термографии.
![](/upload/medialibrary/b5b/51z5tfanwjmnj9brqvzhynipd6grxyp9.png)
Рис. 4. Тепловое поле образцов при испытаниях. Слева – нагрев образца с КЗ-структурой, справа – с УМЗ-структурой.
Очевидно, что нагрев образца при переменных нагрузках связан с распределением в нем деформаций и напряжений. Следовательно, по температурному полю можно составить представление о том, как "работает" материал при усталостном нагружении. Получившаяся картина видна на рис. 4. Видно, что образец сплава с УМЗ-структурой более эффективно рассеивает генерируемое тепло, вовлекая в этот процесс больший деформируемый объем по сравнению с КЗ-образцом. По сравнению с КЗ-структурой тепловое поле УМЗ-образца распределяется равномернее, не достигает столь высоких температур в "очаге" и стабилизируется без дальнейшего роста максимальной температуры, наглядно показывая, что УМЗ-сплав лучше выдерживает усталостную нагрузку.
Более подробная информация на сайте ИФПМ СО РАН и в статье Characteristic Features of Ultrafine-Grained Ti-45 wt.% Nb Alloy under High Cycle Fatigue // Materials. -2021. - Vol. 14 (18).
Подготовил Леонид Ситник. Редакция сайта РАН.
Титан благодаря своей высокой удельной прочности, долговечности, коррозионной стойкости и биосовместимости является наиболее предпочтительным материалом для изготовления медицинских имплантатов, в том числе таких, как искусственные тазобедренные суставы, пластины для остеосинтеза, винты и стержни для крепления позвоночника, стоматологические винты и прочие элементы, которые подвергаются длительному циклическому нагружению при использовании. Главным недостатком титановых имплантатов считается большая разница в механических характеристиках костной ткани и металла, из-за чего возникает неравномерность в распределении нагрузок в местах соединения кости и металла.
Титан куда более жесткий материал, чем кость. Модуль упругости титана превышает 100 ГПа, в то время как для кости эта характеристика не превосходит 30 ГПа. В связи с этим перспективным направлением считается использование в качестве материала для медицинских имплантатов сплава титана с ниобием, металлом также биологически инертным. Модуль упругости такого сплава составляет величину 50-60 ГПа. Но как он поведет себя при гигацикловом (более 109 циклов) усталостном нагружении? И как повлияет на эту характеристику структура сплава? Именно этот вопрос исследовали специалисты ИФПМ СО РАН и ИМСС УрО РАН.
Рис. 1. Сплав Ti-45Nb с крупнозернистой (слева) и ультрамелкозернистой (справа) структурой под микроскопом.
Образцы для этих экспериментов изготовил Чепецкий механический завод, который входит в структуру ГК "Росатом", специализируясь в производстве металлов и сплавов для атомной промышленности. Был использован сплав Ti-45Nb, состоящий на 45% из ниобия. Образцы изготовлялись двух типов: с крупнозернистой (КЗ) структурой (средний размер кристаллического зерна 45 мкм), и с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой (0,2 мкм). УМЗ-структура была получена путем многократной трехмерной пластической деформации заготовок при определенном температурном режиме.
![](/upload/medialibrary/c88/a00njr5ldqjwpqexnraa6uzv5s6k1c5o.png)
Рис. 2. Образец на испытательном стенде.
Испытания проводились на ультразвуковом резонансном стенде при частоте нагружения 20 кГц, что позволяло пройти 109 циклов растяжения-сжатия за считанные часы.
Рис. 3. Зависимость числа циклов до разрушения от величины нагрузки. 1 – результаты испытаний образцов с КЗ-структурой, 2 – результаты для образцов с УМЗ-структурой.
Как видно на рис. 3, УМЗ-структура образцов сплава Ti-45Nb обеспечила увеличение предела выносливости при числе циклов 109 в 1,5 раза по сравнению с КЗ-структурой – 295 МПа против 195 МПа.
В процессе этих испытаний был опробован и способ исследования напряженно-деформированного состояния материала методом инфракрасной термографии.
![](/upload/medialibrary/b5b/51z5tfanwjmnj9brqvzhynipd6grxyp9.png)
Рис. 4. Тепловое поле образцов при испытаниях. Слева – нагрев образца с КЗ-структурой, справа – с УМЗ-структурой.
Очевидно, что нагрев образца при переменных нагрузках связан с распределением в нем деформаций и напряжений. Следовательно, по температурному полю можно составить представление о том, как "работает" материал при усталостном нагружении. Получившаяся картина видна на рис. 4. Видно, что образец сплава с УМЗ-структурой более эффективно рассеивает генерируемое тепло, вовлекая в этот процесс больший деформируемый объем по сравнению с КЗ-образцом. По сравнению с КЗ-структурой тепловое поле УМЗ-образца распределяется равномернее, не достигает столь высоких температур в "очаге" и стабилизируется без дальнейшего роста максимальной температуры, наглядно показывая, что УМЗ-сплав лучше выдерживает усталостную нагрузку.
Более подробная информация на сайте ИФПМ СО РАН и в статье Characteristic Features of Ultrafine-Grained Ti-45 wt.% Nb Alloy under High Cycle Fatigue // Materials. -2021. - Vol. 14 (18).
Подготовил Леонид Ситник. Редакция сайта РАН.