Исследование деформационного и термического поведения титана и сплава Ti-45Nb в крупнокристаллическом и ультрамелкозернистом состояниях при квазистатическом растяжении

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.