ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 5
1.1 Первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация. Общие
закономерности 5
1.1.1 Критерии оценки склонности металлов и сплавов к рекристаллизации. .7
1.1.2 Температуры начала и конца рекристаллизации 10
1.2 Титан и его сплавы. Технически чистый титан 13
1.3 Методы интенсивной пластической деформации 15
1.3.1 Метод поперечно-винтовой прокатки 15
Глава 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 18
3.1 Материал исследования 18
3.2 Методика проведения отжигов 18
3.3 Методика пробоподготовки образцов к металлографическим
исследованиям 19
3.4 Метод просвечивающей электронной микроскопии 20
3.5 Определение среднего размера зерна/структурного элемента по методу
случайных секущих 23
3.6 Определение энергии активации по методу наименьших квадратов 24
3.7 Методика измерения микротвердости 25
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 27
4.1 Анализ стадий рекристаллизации после термических воздействий 27
4.2 Определение кинетической закономерности роста зерен и значений
энергии активации рекристаллизации 30
ВЫВОДЫ 34
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 35
В последние годы большое внимание уделяется исследованиям и освоению в медицинской практике высокопрочного нелегированного титана, увеличение прочности с сохранением достаточно хорошей пластичности, которого достигается воздействием большой (интенсивной, мегапластической и др.) пластической деформации с формированием ультрадисперсной зеренно-субзеренной структуры с размером элементов >1 мкм. В основном благодаря тому, что материалы обладают уникальными физическими и механическими свойствами. Существует оптимальный диапазон размеров зерна, в котором наноструктурированный (НС) материал имеет и высокую прочность, и хорошую пластичность. Например, для технически чистого титана оптимальный комплекс механических свойств достигается после дорекристаллизационного отжига при температурах 573¬623 К [1]. Такой отжиг позволяет снять напряжения первого рода, что в особенности технологически важно при производстве полуфабрикатов из прутков и пластин.
Общеизвестно, что титановые сплавы отличаются легкостью, устойчивостью к коррозии, являются по своей природе абсолютно биоинертными, хорошо поддаются различной обработке, не теряя высокую прочность, и тем самым обладают рядом преимуществ перед другими металлами и сплавами. Например, в сравнении со сталью они предоставляют значительно более высокие показатели коррозионной стойкости и биосовместимости в средах живых организмов, немагнитны и имеют существенно меньший удельный вес. В свою очередь очень важно отметить, что титан марок ВТ1-0 и ВТ1-00 не склоны к коррозионному растрескиванию под нагрузкой или даже при наличии острых концентраторов напряжений. Указанные свойства позволяют титановым сплавам, а в особенности НС-титану, находить широкое применение в качестве материала конструкций медицинского назначения: травматологии, ортопедии и стоматологии. [2]
Специфической особенностью структуры наноструктурных чистых металлов является ее термическая нестабильность. Температура рекристаллизации таких металлов, как правило, существенно ниже обычной. Во время нагрева в них наблюдается аномальный рост зерен, аномальное упрочнение и другие необычные эффекты.
Таким образом, низкая термостабильность ограничивает применение наноструктурированных материалов, в особенности титана. Исследование современными методами электронной микроскопии кинетики роста зерен в широком интервале температур позволяет дополнить представления о термостабильности состояния в нелегированном титановом сплаве, как основы для расчета ресурса работы имплантатов из таких материалов в биологической среде живого организма.
Установлено, что температурная зависимость скорости роста зерен при изотермических отжигах в наноструктурированном титане марки ВТ1-00, полученная механико-термической обработкой по близким к известным технологическим режимам интенсивной пластической деформации, имеет два выраженных температурных интервала. В обоих из них рост зерен подчиняется степенному закону со степенным показателем п — 3.
При температурах изотермических отжигов выше 623 К (что составляет примерно 0.3 температуры плавления титана Тил) энергия активации рекристаллизации, протекающей по типу вторичной рекристаллизации, имеет величину 224,84 ±27,35 кДж/моль для титана марки ВТ1-00. При температурах ниже 623К процесс собирательной рекристаллизации характеризуется энергией активации 101,91±10 кДж/моль.
Можно предполагать, что наиболее вероятной причиной смены механизмов роста зерен и возрастания (более чем вдвое) энергии активации рекристаллизации при температуре выше 623К является различие в состоянии границ зерен. После воздействия пластической деформацией границы зерен имеют дефектную неравновесную структуру, характеризующуюся повышенной удельной поверхностной энергией (неравновесные границы зерен). При отжиге происходит возврат структуры и свойств (в том числе диффузионных) границ зерен, с которым может быть связано изменение механизма их миграции в процессе рекристаллизации.
Проведены расчеты термостабильности данного материала при нормальной температуре человеческого тела в течение длительного периода. Выявлено, что титан марки ВТ1-00 можно использовать в качестве имплантатов на протяжении длительного времени, при этом он будет оставаться термически стабильным и сохранять свои высокие механические свойства при комнатных температурах.
