CC BY
34
УДК 620.17 / 620.18
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1450-1452
РАЗРУШЕНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОГО ТИТАНА
© Г.В. Шляхова1'2*, В.И. Данилов1'3*, Л.Б. Зуев1'4*, Е.Ю. Карташов2)
1) Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, e-mail: [email protected] 2) Северский технологический институт НИЯУ МИФИ, г. Северск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 3) Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Российская Федерация, e-mail: [email protected] 4) Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: lbz@ ispms.tsc.ru
Исследованы особенности микроструктурного состояния ультрамелкозернистого титана после пластической деформации. Изучена особенность деформационной кривой титана в субмикрокристаллическом состоянии. Установлено, что после достижения наивысшего напряжения на падающем участке деформационной кривой в образце формируется зона локализации. В дальнейшем эта зона оформляется в шейку разрушения, где и происходит разрыв. Установлено, что излом образцов является «чашечно-ямочным». Ультрамелкозернистая структура в зоне предстоящего разрушения отличается появлением неравноосных субзерен, которые вытянуты вдоль оси растяжения образца.
Ключевые слова: субмикрокристаллический титан; локализация деформации; структура; разрушение.
Особенности микроструктурного состояния ультрамелкозернистых (субмикрокристаллических) и нано-структурных металлов, получаемых методами интенсивной пластической деформации приводят к отличиям их свойств, прежде всего физико-механических, от свойств крупнозернистых металлов. Металлы и сплавы с ультрамелкозернистой структурой обладают повышенными функциональными и механическими свойствами и имеют специфическое деформационное поведение. Особенно это важно учитывать при разработке изделий из ультрамелкозернистых материалов, работающих в условиях различных видов нагружения. В настоящее время показано, что технически чистый титан в наноструктурированном и ультрамелкозернистом состоянии может найти успешное практическое применение в качестве медицинских имплантатов, в т. ч. и дентальных. Согласно данным, приведенным в [1], формирование ультрамелкозернистой (нано- и субмикрокристаллической) структуры в титане ВТ 1-0 может позволить в ряде случаев отказаться от использования титановых сплавов, что может снизить риск возникновения токсических явлений и аллергических реакций вследствие присутствия легирующих добавок. В частности, дентальные имплантаты при эксплуатации испытывают статические и циклические нагрузки, под действием которых в материале могут развиваться процессы, приводящие к обратимому и необратимому формоизменению и последующему разрушению изделия.
В этой связи в работе предпринято исследование деформационного поведения и локализации пластического течения на мезоскопическом уровне субмикрокристаллического титана.
В качестве объекта исследования был выбран технически чистый титан марки ВТ1-0. Для получения субмикрокристаллического состояния в заготовках
титана применяли один из методов интенсивной пластической деформации, а именно, метод многократного одноосного прессования (а^-прессование) в сочетании с прокаткой.
Микроструктуру полученного таким способом материала изучали методом электронной микроскопии. Деформационное поведение субмикрокристаллического титана исследовалось в процессе одноосного статического растяжения при одновременной регистрации эволюции поля макродеформаций методом двухэкспо-зиционной спекл-фотографии [2] с шагом 0,2 % от величины общей деформации на протяжении всей диаграммы нагружения вплоть до разрушения. Для анализа формирующегося в зоне разрушения рельефа на мезоскопическом уровне использовалась атомно-сило-вая микроскопия (АСМ) [3].
Механические испытания (рис. 1) показали, что характер деформации СМК титана (1) существенно отличается от крупнозернистого титана (2).
Характерной особенностью развития пластической деформации в субмикрокристаллическом титане по сравнению с крупнокристаллическим является локализация пластической деформации с развитием макрополос [4]. В начале пластической деформации развиваются макрополосы (шириной до несколько сот микрометров), расположенные под углом 45° к оси нагружения. Одновременно с развитием макроополос локализованной деформации наблюдается образование шейки. Развитие макрополос локализованной деформации при растяжении в субмикрокристаллическом титане ранее было изучено в работах [4].
В работе исследовали деформационный рельеф в СМК титане на мезоскопическом уровне с помощью атомно-силового микроскопа Solver PH47-PRO. Установлено, что деформирование сопровождается появле-
2016. Т. 21, вып. 3. Физика
Рис. 1. Диаграммы нагружения. 1 - субмикрокристаллический титан; 2 - крупнокристаллический титан
Рис. 2. Топография поверхности зоны разрушения образца СМК титана
Рис. 3. ЭЭ-изображение участка 5x5 мкм, АСМ
нием на поверхности образца мезополос локализации (складок), размеры которых, а также плотность распределения их по образцу меняются по мере удаления от макроочага разрушения [5-6].
Излом образцов является «чашечно-ямочным», это говорит о вязком характере разрушения. «Ямки» имеют равноосную форму со средним размером 2 мкм. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными на АСМ (рис. 2).
Основную долю составляют субзерна размерами 0,1-0,4 мкм. Однако зерна и субзерна становятся более неравноосные, наблюдается преимущественная вытя-нутость элементов структуры в направлении деформации. Наблюдаются субзерна и зерна, имеющие размеры 0,6-0,8 мкм, измеренные по максимальному диаметру (рис. 3). При этом средний размер элементов структуры в зоне разрушения образца после растяжении составляет
0.2.мкм, как в исходных образцах до разрушения. Исследование развития деформационного процесса
в субмикрокристаллическом титане позволило установить, что после достижения наивысшего напряжения на падающем участке деформационной кривой в образце формируется зона локализации. В дальнейшем эта зона оформляется в шейку разрушения, где и происходит разрыв. Ультрамелкозернистая структура в зоне предстоящего разрушения отличается появлением неравноосных субзерен, которые вытянуты вдоль оси растяжения образца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валиев Р.З., Семенова И.П., Латыш В.В и др. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработки и перспективы коммерциализации / Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 9-10. С. 80-89.
2. Данилов В.И., Зуев Л.Б., Горбатенко В.В. и др. Использование спекл-интерферометрии для исследования локализации пластической деформации // Заводская лаборатория. 2006. Т. 72. № 12. С. 40-45.
3. Эделъман В.С. Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии // Приборы и техника эксперимента. 1991. № 1. С. 24-42.
4. Дударев Е.Ф., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Бакач Г.П. и др. Деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана, полученного методом равноканального углового прессования // Металлы. 2004. № 1. С. 87-95.
5. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Шлясова Г.В., Орлова Л.Д. Мезо- и макро-структурная локализация пластического течения объемного су-микрокристаллического титана // Известия вузов. Физика. 2009. № 9/2. С. 48-52.
6. Шлясова Г.В., Ерошенко А.Ю., Данилов В.И., Шаркеев Ю.П. Микроструктура и особенности разрушения ультрамелкозернистого титана ВТ1-0, полученного методом abc-прессования // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 9. С. 24-28.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук России на 20132020 гг. и частично поддержана грантами РФФИ № 14-08-00299 А и № 16-48-700169 р_а.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 620.17 / 620.18
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1450-1452
FRACTURE IN ULTRAFINE GRAIN TITANIUM © G.V. Shlyakhova12), V.I. DanilovU), L.B. Zuev1,4), E.Y. Kartashov2)
1) Institute of Strength Physics & Materials Science, SB RAS, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
2) Seversk Technological Institute branch of NIYaU MIFI, Seversk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
3) Yurga Institute of Technology, TPU affiliate, Yurga, Russian Federation, e-mail: [email protected]
4) National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, e-mail: bsa@ ispms.tsc.ru
Features of a microstructural condition of the ultrafine-grained titan after plastic deformation are investigated. Feature of the deformation curve titan in a submicrocrystalline state is studied. It is established that after achievement of the highest tension on the falling site of a deformation curve in a sample the localization zone is formed. Further this zone is made out in a destruction neck where there is a gap. It is established that the break of samples is "cup and patching". The ultrafine-grained structure in a zone of the forthcoming destruction differs in emergence the neravnoosnykh subgrains which are extended along a sample stretching axis. Key words: submicrocrystalline titan; deformation localization; structure; fracture.
REFERENCES
1. Valiev R.Z., Semenova I.P., Latysh V.V i dr. Nanostrukturnyy titan dlya biomeditsinskikh primeneniy: novye razrabotki i perspektivy kommertsializatsii. Rossiyskie nanotekhnologii — Nanotechnologies in Russia. 2008, vol. 3, no. 9-10, pp. 80-89.
2. Danilov V.I., Zuev L.B., Gorbatenko V.V. i dr. Ispol'zovanie spekl-interferometrii dlya issledovaniya lokalizatsii plasticheskoy defor-matsii. Zavodskaya laboratoriya — Industrial Laboratory. 2006, vol. 72, no. 12, pp. 40-45.
3. Edel'man V.S. Razvitie skaniruyushchey tunnel'noy i silovoy mikroskopii. Pribory i tekhnika eksperimenta — Instruments and Experimental Techniques, 1991, no. 1, pp. 24-42.
4. Dudarev E.F., Grabovetskaya G.P., Kolobov Yu.R., Bakach G.P. i dr. Deformatsionnoe povedenie i mekhanicheskie svoystva ul'tramel-kozernistogo titana, poluchennogo metodom ravnokanal'nogo uglovogo pressovaniya. Metally — Russian metallurgy (Metally), 2004, no. 1, pp. 87-95.
5. Zuev L.B., Danilov V.I., Shlyakhova G.V., Orlova L.D. Mezo- i makrostrukturnaya lokalizatsiya plasticheskogo techeniya ob"emnogo sumikrokristallicheskogo titana. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika — Russian Physics Journal. 2009, no. 9/2, pp. 48-52.
6. Shlyakhova G.V., Eroshenko A.Yu., Danilov V.I., Sharkeev Yu.P. Mikrostruktura i osobennosti razrusheniya ul'tramelkozernistogo titana VT1-0, poluchennogo metodom abc-pressovaniya. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2012, no. 9, pp. 24-28.
GRATITUDE: The work is fulfilled within a framework of Fundamental Scientific Research Program of RAS for 20132020 and partly supported by grants of RFFR no. 14-08-00299 A and no. 16-48-700169 p_a.
Received 10 April 2016
Шляхова Галина Витальевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник; Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ, доцент кафедры «Машины и аппараты химических и атомных производств», e-mail: [email protected]
Shlyakhova Galina Vitalevna, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Research Worker; Seversk Technological Institute - branch of National Research Nuclear University MEPhl, Associate Professor of "Machines and Apparatus of Chemical and Atomic Production" Department, e-mail: [email protected]
Данилов Владимир Иванович, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник; Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Danilov Vladimir Ivanovich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Main Research Worker; Yurga Institute of Technology (branch) National Research Tomsk Polytechnic University, Yurga, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Зуев Лев Борисович, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры теории прочности и проектирования, e-mail: [email protected]
Zuev Lev Borisovich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker; National Research Tomsk State University, Professor of Strength and Design Department, e-mail: [email protected]
Карташов Евгений Юрьевич, Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ, г. Северск, Российская Федерация, кандидат технических наук, зав. кафедрой «Машины и аппараты химических и атомных производств», e-mail: [email protected]
Kartashov Evgeniy Yurevich, Seversk Technological Institute - branch of National Research Nuclear University MEPhI, Seversk, Russian Federation, Head of "Machines and Apparatus of Chemical and Atomic Production" Department, e-mail: [email protected] .ru
