Исследование деформационного и термического поведения титана и сплава Ti-45Nb в крупнокристаллическом и ультрамелкозернистом состояниях при квазистатическом растяжении
Выявление влияния УМЗ состояния на процессы теплообразования. диссипации и накопления энергии в процессе деформирования титана ВТ1-0 и сплава Ti-45 мас.% Nb (Ti-45Nb) и их теплофизические свойства
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………………… 10
ГЛАВА 1. Титан и титан – ниобиевый сплавы в биомедицине ………………………………………………….. 14
1.1 Исторический обзор материалов, используемых в медицине……………………………………………. 14
1.1.1 Требования, предъявляемые к биомедицинским материалам …………………………………….. 16
1.1.2 Титан и его сплавы ………………………………………………………………………………………………….. 22
1.1.3 Титан-ниобиевые сплавы …………………………………………………………………………………………. 24
1.2 Методы интенсивной пластической деформации …………………………………………………………….. 30
1.2.1 Деформация кручением …………………………………………………………………………………………… 32
1.2.2 Деформация равноканальным угловым прессованием ………………………………………………. 33
1.2.3 Всесторонняя ковка (abc- пресование) ……………………………………………………………………… 33
1.2.4 Комбинированный метод интенсивной пластической деформации …………………………….. 34
1.3 Метод инфракрасной термографии…………………………………………………………………………………. 36
1.3.1 Деформационное поведение различных материалов, исследуемые методом ИК
термографии при различных видах нагружения ………………………………………………………………… 38
1.3.2 Исследование влияния УМЗ состояния на деформационное поведение сплава Zr-1Nb .. 45
1.4 Метод лазерной вспышки ………………………………………………………………………………………………. 47
1.4.1 Определение коэффициента термической диффузии …………………………………………………. 50
1.4.2 Определение теплоемкости ……………………………………………………………………………………… 50
1.4.3 Расчет теплопроводности ………………………………………………………………………………………… 50
ГЛАВА 2. Методика эксперимента …………………………………………………………………………………………. 51
2.1 Подготовка образцов для эксперимента ………………………………………………………………………….. 51
2.2 Испытание на растяжение ……………………………………………………………………………………………… 52
2.3 Микроструктура титана ВТ1-0 и сплава Ti-45%Nb до и после ИПД …………………………………. 54
2.4 Измерение теплофизических свойств ……………………………………………………………………………… 56
2.5 Диссипации и накопление энергии при деформации ……………………………………………………….. 57
ГЛАВА 3. Расчёты и аналитика ………………………………………………………………………………………………. 59
3.1 Исследование влияния УМЗ состояния титана ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb на деформационное
поведение при квазистатическом растяжении ………………………………………………………………………. 59
3.2 Исследование влияния УМЗ состояния титана ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb на тепловое
поведение при квазистатическом растяжении ………………………………………………………………………. 61
3.3 Определения температуропроводности и теплопроводности в титане ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb
в КК и УМЗ состояниях ………………………………………………………………………………………………………. 66
3.4 Расчет диссипации энергии для титана ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb в КК и УМЗ состояниях при
растяжении…………………………………………………………………………………………………………………………. 69
ГЛАВА 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение…………………… 74
4.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения …………………………………………………………………………………………………………….. 75
4.2 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………………………………………… 77
4.3 Инициация проекта ……………………………………………………………………………………………………….. 78
4.3.1 Цели и результат проекта…………………………………………………………………………………………. 78
4.3.2 Организационная структура проекта. ……………………………………………………………………….. 80
4.3.3 Ограничения и допущения проекта. …………………………………………………………………………. 80
4.3.4 План проекта …………………………………………………………………………………………………………… 80
4.4 Бюджет научно-технических исследований. ……………………………………………………………………. 83
4.4.1 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ ……………………….. 83
4.4.2 Основная заработная плата ………………………………………………………………………………………. 84
4.4.3 Отчисления на социальные нужды 27.1% …………………………………………………………………. 86
4.4.4 Затраты на энергию …………………………………………………………………………………………………. 86
4.4.5 Формирование сметы расходов ………………………………………………………………………………… 86
4.5 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………………………………………… 87
p а
4.5.1 Интегральный показатель эффективности разработки ( финр )и аналога ( финр ) ….. 88 I I
Заключение к разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 89
ГЛАВА 5. Социальная ответственность …………………………………………………………………………………… 90
Социальная ответственность ……………………………………………………………………………………………….. 91
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности……………………………… 92
5.2 Производственная безопасность …………………………………………………………………………………….. 93
5.3 Анализ вредных производственных факторов …………………………………………………………………. 94
5.5 Анализ опасных производственных факторов. ………………………………………………………………… 96
5.6 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду ………………………………………… 97
5.7 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………………………………… 98
Заключение к разделу «Социальная ответственность» ………………………………………………………….. 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………………. 100
Список публикаций ………………………………………………………………………………………………………………. 102
Список использованной литературы ……………………………………………………………………………………… 103
Приложение …………………………………………………………………………………………………………………………. 115
Развитие современного технического прогресса предъявляет все более
возрастающие требования к повышению функциональных свойств новых
конструкционных материалов. Особое место в этом аспекте занимают
ультрамелкозернистые (УМЗ) и/ или наноструктурные (НС) материалы.
Анализ механического поведения УМЗ и НС материалов является важным
критерием в установлении механизмов пластической деформации и
прогнозировании функциональных свойств разрабатываемых материалов. К
характерным особенностям механических свойств и деформационного
поведения УМЗ / НС металлов и сплавав, связанных с размером зерен и
особенностями микроструктуры (большая объемная доля неравновесных
границ зерен, высокая концентрация точечных и линейных дефектов на
границах и вблизи границ зерен, а также высокая плотность дислокаций),
относятся повышенная прочность и пластичность, степень деформационного
упрочнения, сопротивление к ударным и циклическим нагрузкам и т.д. [1, 2].
На сегодняшний день перспективными материалами для современной
медицины являются биоинертные сплавы на основе титана, циркония и
ниобия, в том числе и в УМЗ состоянии [1, 3-8]. Широко распространенными
материалами для медицинских имплантатов являются «чистый» титан (ВТ1-0,
Grade 1,2,3,4), титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4VELi, Ti-15Mo-
5Zr-3Al, Ti-15Мо [4,5].
Сплавы систем Ti-Nb, которые содержат только биоинертные
металлы, обладают высокой коррозионной стойкостью, биоинертностью,
являются перспективными материалами для использования в ядерной технике,
полупроводниковой промышленности и для изготовления имплантатов [4].
Особый интерес для медицины представляет титановые -сплавы системы Ti-
Nb, которые при концентрации ниобия 40-45 мас. % имеют низкий модуль
упругости (50-60 ГПа), близкий к модулю упругости кортикальной костной
ткани [7, 8]. Несомненным преимуществом сплава системы Ti-Nb является
отсутствие токсичного воздействия на организм, так как сплавы содержат
только биоинертные металлы. Однако широкое применение в медицине
сплавов систем Ti-Nb сдерживается их низким уровнем прочностных свойств.
У сплава Ti-45Nb предел текучести составляет 380 МPа и предел прочности
650 МPа, что ниже уровня механических свойств среднепрочных титановых
сплавов медицинского применения [9]. Создание НС или УМЗ структуры в
металлах и сплавах методами интенсивной пластической деформации (ИПД)
позволяет обеспечить значительное повышение конструктивной прочности
без дополнительного легирования и решить проблему повышения
механических свойств.
Большое количество работ выполнено по исследованию
микроструктуры и физико-механических свойств материалов медицинского
назначения, в которых сформирована нано- или УМЗ структура методом ИПД.
В первую очередь, это «чистый» титан марок ВТ1-0, ВТ1-00, Grade 1, Grade 2.
Было показано, что перевод указанных сплавов в НС или УМЗ состояние
методом ИПД позволяет повысить их механические свойства до уровня
среднелегированных титановых сплавов.
Согласно литературному анализу большое количество публикаций
выполнено по исследованию микроструктуры и физико-механических свойств
материалов медицинского назначения, в первую очередь, чистого титана, и
довольно мало для сплавов системы и Ti-Nb в УМЗ состоянии, полученных
методом интенсивной пластической деформации (ИПД) 1, 10-17. В тоже
время, стадийность деформационных кривых сплавов в УМЗ состоянии, а
также особенности микроструктуры на стадиях предразрушения требует более
глубокого изучения.
Для успешного практического использования УМЗ сплавов для
разработки конструкций и изделий медицинского назначения необходимо
понимание процессов пластической деформации и разрушения. Известно, что
деформирование и разрушение материалов характеризуется повышением
температуры пластически деформируемого материала, что и определяет
термопластический эффект [4]. Диссипация энергии при деформировании
материала сопровождается преобразованием механической энергии в
тепловую энергию, генерируемую процессами движения и аннигиляции
дислокаций, а также в накопливаемую энергию пластической деформации [5].
Эффективным методом исследования процессов теплообразования,
обусловленных диссипацией энергии в процессе деформирования, является
метод инфракрасной (ИК) термографии [6].
ИК термография позволяет с хорошей точностью проводить
бесконтактное измерение даже небольших локальных изменений температуры
поверхности материалов при нагружении в различных условиях, и более точно
определить истинные напряжения на стадии образования «шейки», тем самым
более детально изучить стадийность деформационных кривых.
Прежде всего, метод ИК термографии активно используется в качестве
средства неразрушающего контроля за процессами возникновения и развития
трещин, пор и других неоднородностей материала, для оценки долговечности
сварных соединений и др. [7-8].
В последние три десятилетия наблюдается устойчивый рост
использования ИК термографии, как метода мониторинга состояния
механизмов и оборудования, электрических установок, сварочных швов,
коррозионных повреждений, структуры, деформации материалов под
действием различных нагрузок, в различных промышленных отраслях.
С появлением высокоразрешающих ИК камер новых поколений метод
становится все более эффективными точным, что повышает его роль в
проведении исследований процессов деформации и разрушения, а также
процессов диссипации и накопления энергии [9-10]. В тоже время, число
работ, в которых исследуются процессы деформационного теплообразования
в УМЗ материалах с использованием метода ИК термографии невелико [11].
Кроме того, УМЗ структура оказывает влияние не только на их физико-
механические, но и на теплофизические свойства, а именно,
температуропроводность, теплопроводность и теплоемкость, и т.д., которые в
свою очередь влияют на процессы диссипации и накопления энергии в
процессе их деформирования. Данные вопросы практически не изучались в
современной литературе, и требуют детального анализа.
Цель настоящей работы – выявить влияние УМЗ состояния на
процессы теплообразования, диссипации и накопления энергии в процессе
деформирования титана ВТ1-0 и сплава Ti-45 мас.% Nb (Ti-45Nb) и их
теплофизические свойства.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1. Подготовка образцов из титана и сплава Ti-45Nb для проведения
механических испытаний с использованием метода инфракрасной
термографии, а также исследований температуропроводности и теплоемкости.
2. Обработка экспериментальных инженерных кривых «условное
напряжение – относительная деформация» титана ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb.
3. Обработка термофильмов, полученных методом ИК-термографии,
анализ температурных полей при деформации и построение температурных
зависимостей титана ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb.
4. Расчёт истинных кривых «напряжение – деформация» для титана
ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb в КК и УМЗ структурных состояниях с
использованием данных методом ИК-термографии
5. Анализ экспериментальных данных теплофизических свойств титана
ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb в КК и УМЗ состояниях
6. Расчёт диссипации энергии при деформировании образцов титана
ВТ1-0 и сплава Ti-45Nb в КК и УМЗ структурных состояниях с
использованием истинных деформационных и температурных кривых.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (37 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
5 (285 отзывов)
