Аннотация 2
Введение 5
1 Аналитический обзор. Кинетика и механизм усталостного разрушения металлических материалов 7
1.1 Основные понятия и параметры усталостного нагружения 7
1.2 Зарождение и распространение усталостной трещины 11
1.3. Стадийность усталостного разрушения и строение усталостных изломов 13
1.4 Наноструктурирование материалов путем интенсивной пластической деформации 18
1.5 Задачи работы 23
2 Материал и методики исследования 24
2.1 Исследуемый материал 24
2.2 Методики механических испытаний 25
3 Результаты исследования 28
3.1 Структура и механические свойства при растяжении магниевого сплава Mg6Al после гомогенизации и после РКУП 28
3.2 Влияние РКУП на время до зарождения усталостной трещины при различных напряжениях цикла 29
3.3 Влияние РКУП на строение усталостных изломов 33
Заключение 37
Список используемой литературы и используемых источников 39
Несмотря на пристальное внимание ученых проблемы усталостного разрушения до конца не изучены. Выделяют четыре стадии усталостного разрушения [1]. Усталостное разрушение включает в себя стадии образования полосовых субструктур, зарождения и развития микротрещин, последующим перерождением микротрещин в макротрещины и распространением макротрещин в объеме металла.
Усталостное разрушение имеет место при переменных нагрузках на эксплуатируемые детали машин. Большинство деталей современных машин работает в условиях переменных нагрузок. В некоторых случаях и корпусные детали испытывают воздействие переменных нагрузок.
Что касается сплавов магния, то в машиностроении их используют редко. Новым, перспективным направлением использования сплавов магния является использование в качестве биоразлагаемых металлических материалов. Подобного рода материалы нашли применение в качестве ортопедических имплантатов. Использование традиционно применяемых нержавеющих сталей и титана требует повторной операции по извлечению имплантата. Кроме того, сплавы магния обладают хорошей биосовместимостью, магний играет важную роль в энергетическом обмене.
Однако механические характеристики сплавов магния существенно ниже, чем титана и нержавеющей стали. Кроме того, в физиологических условиях человеческого организма магний обладает таким свойством как неравномерная деградация. К тому же при ходьбе, например, имплантаты испытывают знакопеременные нагрузки. Это может способствовать перелому имплантатов до окончания срока полного восстановления кости. Начало применения сплавов магния в качестве фиксирующих имплантатов было еще в начале ХХ века. Но значительная скорость коррозии и процессы отторжения имплантата потребовали поиска новых систем легирования магниевых сплавов. За последние годы удалось создать сплавы на основе магния совместимые с организмом человека. Однако коррозия сплавов характеризуется неравномерностью, к тому же работа имплантатов в человеческом организме характеризуется знакопеременными нагрузками.
Можно для продления срока службы применить технологии равноканального углового прессования. Данная технология обработки материалов позволяет получать высокоплотные наноструктурированные металлы. Причем для обрабатываемых металлов характерным моментом является высокая однородность зерна. Уменьшение размеров зерен при равноканальном угловом прессовании может увеличить такие механические характеристики металла как предел текучести и прочности.
С учетом вышеизложенного, можно сформулировать следующую цель работы: продление срока службы имплантатов из магниевых сплавов путем обработки равноканальным угловым прессованием.
Проводили исследования циклической прочности сплава Mg6Al. Данный сплав применяется в медицине в качестве биоразлагаемого материала. При этом до момента своего разложения сплав должен выполнять свои функции, например удерживать в заданном положении поврежденные кости. Применение сплавов магния в качестве биоразлагаемых материалов позволяет обойтись от повторной операции удаления введенных в организм человека фиксирующих элементов.
Однако применение сплавов магния ограничивается низкими показателями прочности. Увеличить механические характеристики можно применив интенсивную пластическую деформацию. При этом такие характеристики материала как предел прочности, предел текучести возрастают, а пластичность незначительно увеличивается.
Исследовали механические характеристики сплава в исходном состоянии и в ультрамелкозернистом. Для перевода структуры сплава в мелкозернистое состояние из возможных способов применили равноканальное угловое прессование (РКУП). Маршрут прессования Вс, т.е. после каждого прохода заготовка поворачивалась на угол 90°. Всего проходов было 4.
Сравнение микроструктуры сплава после гомогенизирующего отжига и после равноканального углового прессования показало, что средний размер зерен уменьшился в 4 раза. Показатели твердости возросли в 1,2 раза, предел прочности увеличился в 1,13 раза, предел текучести увеличился в 1,3 раза. Также возросли показатели пластичности, примерно в 1,2 раза.
Таким образом, если рассматривать в комплексе, после равноканального углового прессования механические характеристики сплава при растяжении изменились в благоприятную сторону.
Результаты исследований циклической прочности показали, что при одном и том же напряжении цикла общее количество циклов до разрушения несколько больше у образцов, после гомогенизационного отжига. Количество циклов до зарождения усталостной трещины возрастает в зависимости от общей долговечности образцов. Однако, если принимать во внимание процентное отношение количества циклов до зарождения трещины, то оно находится для образца после гомогенизирующего отжига и в ультрамелкозернистом состоянии примерно на одном уровне и равно, примерно 19 %.
Анализ усталостных изломов показывает, что длина зоны усталостного развития усталостной трещины lf на поверхности изломов больше у образцов подвергнутого обработке равноканальным угловым прессованием. Следовательно циклическая трещиностойкость сплава после РКУП выше, по сравнению с отожженным состоянием.
Таким образом, сплав Mg6Al с ультрамелкозернистой структурой может быть рекомендован для применения там, где требуются высокие значения прочностных характеристик. Например, для наложения шинирования в травматологии или челюстно-лицевой хирургии.
