Биосовместимые магниевые сплавы являются перспективными для применения в качестве материалов для изготовления биорезорбируемых имплантатов. Данная работа посвящена определению рациональных режимов равноканального углового прессования (РКУП) сплава Mg-8.6Zn-1.2Zr с целью формирования структурного состояния, обеспечивающего высокие характеристики прочности и коррозионной стойкости. Установлено, что один проход РКУП при температуре 400 °С позволяет достичь заметного прироста предела прочности (до 330 МПа), однако при этом ухудшается коррозионная стойкость. Анализ вкладов в предел текучести показал, что даже при высокой температуре 400 °С вклад от дислокационного упрочнения соизмерим с вкладом от измельчения зеренной структуры. Иммерсионные испытания свидетельствуют о том, что после первого прохода РКУП при 400 °С скорость коррозии в растворе Рингера достигает 9 мм/год. Было предложено провести дополнительно второй проход РКУП со снижением температуры до 250 °С, что в результате позволило сохранить предел прочности на уровне 325 МПа и поднять коррозионную стойкость до уровня, соответствующего исходному отожженному состоянию, с величиной скорости коррозии 6 мм/год. EBSD-исследования позволяют связать такое поведение с увеличением в структуре количества специальных границ типа Σ13a, Σ15b, Σ17a после второго прохода цикла РКУП.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
В настоящее время сплавы на основе магния рассматриваются в качестве перспективных материалов для использования в ортопедической хирургии [1, 2]. Магний является биосовместимым металлом, нетоксичен и гипоаллергенен. Главным же свойством, которое выделяет магний и его сплавы на фоне медицинских сталей, титановых сплавов, сплавов на основе кобальта и др., является их биорезорбируемость. Это свойство может позволить снизить количество хирургических вмешательств при остеосинтезе, что, в свою очередь, снизит травматический эффект и повысит эффективность восстановления пациента. Известно, для того чтобы костная ткань восстановилась, в среднем необходимо около 12 недель [3, 4]. При этом на протяжении этого времени необходимо, чтобы у имплантата сохранялся определенный уровень конструкционной прочности и скорости коррозии.
Список литературы
1. He, M., Chen, L., Yin, M., Xu, S., and Liang, Z., Review on Magnesium and Magnesium-Based Alloys as Biomaterials for Bone Immobilization, J. Mater. Res. Technol., 2023, vol. 23, p. 4396. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.02.037
2. Chen, Y., Xu, Z., Smith, C., and Sankar, J., Recent Advances on the Development of Magnesium Alloys for Biodegradable Implants, Acta Biomater., 2014, vol. 10(11), p. 4561. DOI: 10.1016/j.actbio.2014.07.005
3. Witte, F., Kaese, V., Haferkamp, H., Switzer, E., Meyer-Lindenberg, A., Wirth, C.J., and Windhagen, H., In Vivo Corrosion of Four Magnesium Alloys and the Associated Bone Response, Biomaterilas, 2005, vol. 26(17), p. 3557. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.09.049
4. Claes, L., Recknagel, S., and Ignatius, A., Fracture Healing under Healthy and Inflammatory Conditions, Nat. Rev. Rheumatol., 2012, vol. 8(3), p. 133. DOI: 10.1038/nrrheum.2012.1
5. Zeng, R.C., Qi, W.C., Cui, H.Z., Zhang, F., Li, S.Q., and Han, E.H., In Vitro Corrosion of As-Extruded Mg-Ca Alloys-The Influence of Ca Concentration, Corros. Sci., 2015, vol. 96, p. 23. DOI: 10.1016/j.corsci.2015.03.018
6. Bornapour, M., Celikin, M., Cerruti, M., and Pekguleryuz, M., Magnesium Implant Alloy with Low Levels of Strontium and Calcium: The Third Element Effect and Phase Selection Improve Bio-Corrosion Resistance and Mechanical Performance, Mater. Sci. Eng. C, 2014, vol. 35, p. 267. DOI: 10.1016/j.msec.2013.11.011
7. Wan, Y., Xiong, G., Luo, H., He, F., Huang, Y., and Zhou, X., Preparation and Characterization of a New Biomedical Magnesium-Calcium Alloy, Mater. Design, 2008, vol. 29(10), p. 2034. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.04.017
8. Di Virgilio, A.L., Reigosa, M., and de Mele, M.F.L., Biocompatibility of Magnesium Particles Evaluated by In Vitro Cytotoxicity and Genotoxicity Assays, J. Biomed. Mater. Res. B. Appl. Biomater., 2011, vol. 99(1), pp. 111-119. DOI: 10.1002/jbm.b.31877
9. Elkaiam, L., Hakimi, O., Yosafovich-Doitch, G., Ovadia, S., and Aghion, E., In Vivo Evaluation of Mg-5% Zn-2% Nd Alloy as an Innovative Biodegradable Implant Material, Ann. Biomed. Eng., 2020, vol. 48, p. 380. DOI: 10.1007/s10439-019-02355-5
10. Heublein, B., Rohde, R., Kaese, V., Niemeyer, M., Hartung, W., and Haverich, W., Biocorrosion of Magnesium Alloys: A New Principle in Cardiovascular Implant Technology? Heart, 2003, vol. 89(6), p. 651. DOI: 10.1136/heart.89.6.651
11. Kraus, T., Fischerauer, S.F., Hänzi, A.C., Uggowitzer, P.J., Löffler, J.F., and Weinberg, A.M., Magnesium Alloys for Temporary Implants in Osteosynthesis: In Vivo Studies of Their Degradation and Interaction with Bone, Acta Biomater., 2012, vol. 8(3), p. 1230. DOI: 10.1016/j.actbio.2011.11.008
12. Hänzi, A.C., Gerber, I., Schinhammer, M., Löffler, J.F., and Uggowitzer, P.J., On the In Vitro and In Vivo Degradation Performance and Biological Response of New Biodegradable Mg-Y-Zn Alloys, Acta Biomater., 2010, vol. 6(5), p. 1824. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.10.008
13. Valiev, R.Z. and Langdon, T.G., Principles of Equal-Channel Angular Pressing as a Processing Tool for Grain Refinement, Prog. Mater. Sci., 2006, vol. 51(7), p. 881. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2006.02.003
14. Langdon, T.G., Twenty-Five Years of Ultrafine-Grained Materials: Achieving Exceptional Properties through Grain Refinement, Acta Mater., 2013, vol. 61(19), p. 7035. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.08.018
15. Gupta, A., Chandrasekhar, B., and Saxena, K.K., Effect of Equal-Channel Angular Pressing on Mechanical Properties: An Overview, Mater. Today. Proc., 2021, vol. 45, p. 5602. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.02.317
16. Zhang, Q., Li, Q., and Chen, X., Research Progress of Ultrafine Grained Magnesium Alloy Prepared by Equal Channel Angular Pressing, Mater. Res. Exp., 2021, vol. 8(2), p. 022001. DOI: 10.1088/2053-1591/abe062
17. Yin, D.L., Cui, H.L., Qiao, J., and Zhang, J.F., Enhancement of Mechanical Properties in a Mg-Zn-Zr Alloy by Equal Channel Angular Pressing at Warm Temperature, Mater. Res. Innovat., 2015, vol. 19(9), p. S9. DOI: 10.1179/1432891715Z.0000000001912
18. Mirzadeh, H., Grain Refinement of Magnesium Alloys by Dynamic Recrystallization (DRX): A Review, J. Mater. Res. Technol., 2023, vol. 25, p. 7050. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.07.150
19. Xu, X., Nie, H., Zhou, J., Zhang, H., Li, Z., Yang, Y., Chen, H., and Yang, T., Dynamic Recrystallization and Twinning Behavior of Magnesium Alloy during Hot Tension, Mater. Res. Technol., 2023, vol. 24, p. 7270. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.056
20. Zeng, R., Kainer, K.U., Blawert, C., and Dietzel, W., Corrosion of an Extruded Magnesium Alloy ZK60 Component-The Role of Microstructural Features, J. Alloys Compd., 2011, vol. 509(13), p. 4462. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.01.116
21. Zeng, R.C., Zhang, J., Huang, W.J., Dietzel, W., Kainer, K.U., Blawert, C., and Wei, K.E., Review of Studies on Corrosion of Magnesium Alloys, Trans. Nonferrous Met. Soc. Chin., 2006, vol. 16, p. 763. DOI: 10.1016/S1003-6326(06)60297-5
22. Wang, J., Yuan, Y., Chen, T., Wu, L., Chen, X., Jiang, B., Wang, J., and Pan, F., Multi-Solute Solid Solution Behavior and Its Effect on the Properties of Magnesium Alloys, J. Magnes. Alloys, 2022, vol. 10(7), p. 1786. DOI: 10.1016/j.jma.2022.06.015
23. Zhang, Q., Li, Q., and Chen, X., The Effects of Sn Content on the Corrosion Behavior and Mechanical Properties of Mg-5Gd-3Y-xSn-0.5Zr Alloys, RSC Adv., 2021, vol. 11(3), pp. 1332-1342. DOI: 10.1039/D0RA08986A
24. Bratsch, S.G., Standard Electrode Potentials and Temperature Coefficients in Water at 298.15 K, J. Phys. Chem. Refer. Data, 1989, vol. 18, p. 1. DOI: 10.1063/1.555839
25. Parfenov, E.V., Kulyasova, O.B., Mukaeva, V.R., Mingo, B., Farrakhov, R.G., Cherneikina, Y.V., Yerokhin, A., Zheng, Y.F., and Valiev, R.Z., Influence of Ultra-Fine Grain Structure on Corrosion Behaviour of Biodegradable Mg-1Ca Alloy, Corros. Sci., 2020, vol. 163, p. 108303. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108303
26. Li, Z., Peng, Z., Qi, K., Li, H., Qiu, Y., and Guo, X., Microstructure and Corrosion of Cast Magnesium Alloy ZK60 in NaCl Solution, Materials, 2020, vol. 13(17), p. 3833. DOI: 10.3390/ma13173833
27. Aksenov, D.A., Nazarov, A.A., Raab, G.I., Raab, A.G., Fakhretdinova, E.I., Asfandiyarov, R.N., Shishkunova, M.A., and Sementeeva, Y.R., Effects of Severe Plastic Deformation and Ultrasonic Treatment on the Structure, Strength, and Corrosion Resistance of Mg-Al-Zn Alloy, Materials, 2022, vol. 15(20), p. 7200. DOI: 10.3390/ma15207200
28. Ostapovets, A., Šedá, P., Jäger, A., and Lejček, P., Characteristics of Coincident Site Lattice Grain Boundaries Developed during Equal Channel Angular Pressing of Magnesium Single Crystals, Scripta Mater., 2011, vol. 64(5), p. 470. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.11.011
29. Aung, N.N. and Zhou, W., Effect of Grain Size and Twins on Corrosion Behaviour of AZ31B Magnesium Alloy, Corros. Sci., 2010, vol. 52(2), p. 589. DOI: 10.1016/j.corsci.2009.10.018
30. Zou, G., Peng, Q., Wang, Y., and Liu, B., The Effect of Extension Twinning on the Electrochemical Corrosion Properties of Mg-Y Alloys, J. Alloys Compd., 2015, vol. 618, p. 44. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.08.115
31. Gerashi, E., Alizadeh, R., and Langdon, T.G., Effect of Crystallographic Texture and Twinning on the Corrosion Behavior of Mg Alloys: A Review, J. Magnes. Alloys, 2022, vol. 10(2), p. 313. DOI: 10.1016/j.jma.2021.09.009
32. Chen, M., Ma, C., Liu, Q., Cheng, M., Wang, H., and Hu, X., Plastic Deformation Mechanism of High Strength and Toughness ZK61 Magnesium Alloy Plate by Multipass Horizontal Continuous Rolling, Materials, 2023, vol. 16(3), p. 1320. DOI: 10.3390/ma16031320
33. Alawad, M.O., Alateyah, A.I., El-Garaihy, W.H., BaQais, A., Elkatatny, S., Kouta, H., Kamel, M., and El-Sanabary, S., Optimizing the ECAP Parameters of Biodegradable Mg-Zn-Zr Alloy Based on Experimental, Mathematical Empirical, and Response Surface Methodology, Materials, 2022, vol. 15(21), p. 7719. DOI: 10.3390/ma15217719
34. Choi, H.Y. and Kim, W.J., Effect of Thermal Treatment on the Bio-Corrosion and Mechanical Properties of Ultrafine-Grained ZK60 Magnesium Alloy, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2015, vol. 51, p. 291. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2015.07.019
35. Obara, T., Yoshinga, H., and Morozumi, S., {112-2}<1123> Slip System in Magnesium, Acta Metall., 1973, vol. 21(7), p. 845. DOI: 10.1016/0001-6160(73)90141-7
36. Al-Samman, T. and Gottstein, G., Room Temperature Formability of a Magnesium AZ31 Alloy: Examining the Role of Texture on the Deformation Mechanisms, Mater. Sci. Eng. A, 2008, vol. 488(1-2), p. 406. DOI: 10.1016/j.msea.2007.11.056
37. Yuan, Y., Ma, A., Gou, X., Jiang, J., Arhin, G., Song, D., and Liu, H., Effect of Heat Treatment and Deformation Temperature on the Mechanical Properties of ECAP Processed ZK60 Magnesium Alloy, Mater. Sci. Eng. A, 2016, vol. 677, p. 125. DOI: 10.1016/j.msea.2016.09.037
38. Orlov, D., Raab, G., Lamark, T.T., Popov, M., and Estrin, Y., Improvement of Mechanical Properties of Magnesium Alloy ZK60 by Integrated Extrusion and Equal Channel Angular Pressing, Acta Mater., 2011, vol. 59(1), p. 375. DOI: 10.1016/j.actamat.2010.09.043
39. Ungár, T. and Borbély, A., The Effect of Dislocation Contrast on X-Ray Line Broadening: A New Approach to Line Profile Analysis, Appl. Phys. Lett., 1996, vol. 69(21), p. 3173. DOI: 10.1063/1.117951
40. Muiruri, A., Maringa, M., and du Preez, W., Evaluation of Dislocation Densities in Various Microstructures of Additively Manufactured Ti6Al4V (ELI) by the Method of X-Ray Diffraction, Materials, 2020, vol. 13(23), p. 5355. DOI: 10.3390/ma13235355
41. Prikhod’ko, V.M., Petrova, L.G., and Chudina, O.V., Metallophysical Basis for the Development of Hardening Technology, Moscow: Mechanical Engineering, 2003.
42. Huihui, Y., Yunchang, X., Maoyin, W., and Qing, L., Hall-Petch Relationship in Mg Alloys: A Review, J. Mater. Sci. Tech., 2018, vol. 34(2), pp. 248-256. DOI: 10.1016/j.jmst.2017.07.022
43. Koike, J. and Ohyama, R., Geometrical Criterion for the Activation of Prismatic Slip in AZ61 Mg Alloy Sheets Deformed at Room Temperature, Acta Mater., 2005, vol. 53, pp. 1963-1972. DOI: 10.1016/j.actamat.2005.01.008
44. Guan, B., Xin, Y., Huang, X., Wu, P., and Liu, Q., Quantitative Prediction of Texture Effect on Hall-Petch Slope for Magnesium Alloys, Acta Mater., 2019, vol. 173, p. 142. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.05.016
45. Honeycombe, R., Plastic Deformation of Metals, Moscow: Mir, 1972.
46. Cáceres, C.H. and Lukáč, P., Strain Hardening Behaviour and the Taylor Factor of Pure Magnesium, Philos. Mag., 2008, vol. 88(7), p. 977. DOI: 10.1080/14786430801968611
47. Aagesen, L.K., Miao, J., Allison, L.E., Aubry, S., and Arsenlis, A., Prediction of Precipitation Strengthening in the Commercial Mg Alloy AZ91 Using Dislocation Dynamics, Metall. Mater. Trans. A, 2018, vol. 49, p. 1908. DOI: 10.1007/s11661-018-4530-6
48. Balogh, L., Figueiredo, R.B., Ungár, T., and Langdon, T.G., The Contributions of Grain Size, Dislocation Density and Twinning to the Strength of a Magnesium Alloy Processed by ECAP, Mater. Sci. Eng. A, 2010, vol. 528(1), p. 533. DOI: 10.1016/j.msea.2010.09.048
49. Joós, B. and Duesbery, M.S., The Peierls Stress of Dislocations: An Analytic Formula, Phys. Rev. Lett., 1997, vol. 78(2), pp. 266-269. DOI: 10.1103/physrevlett.78.266
50. Hutchinson, C.R., Nie, J.F., and Gorsse, S., Modeling the Precipitation Processes and Strengthening Mechanisms in a Mg-Al-(Zn) AZ91 Alloy, Metall. Mater. Trans. A, 2005, vol. 36, pp. 2093-2105. DOI: 10.1007/s11661-005-0330-x
51. Jamili, A.M., Zarei-Hanzaki, A., Abedi, H.R., and Minárik, P., The Grain Boundary Character Distribution in Thermomechanically Processed Rare Earth Bearing Magnesium Alloy, J. Alloys Compd., 2019, vol. 798, p. 158. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.04.306
52. Shuhua, C., Ting, L., Nianfeng, L., and Feng, F., Effects of Zn on Microstructure, Mechanical Properties and Corrosion Behavior of Mg-Zn Alloys, Mater. Sci. Eng. C, 2012, vol. 32, pp. 2570-2577. DOI: 10.1016/j.msec.2012.07.042
53. Cai, S., Lei, T., Li, N., and Feng, F., Effects of Zn on Microstructure, Mechanical Properties and Corrosion Behavior of Mg-Zn Alloys, Mater. Sci. Eng. C, 2012, vol. 32(8), p. 2570. DOI: 10.1016/j.msec.2012.07.042
54. Xie, Y.P., Wang, Z.Y., and Hou, Z.F., The Phase Stability and Elastic Properties of MgZn2 and Mg4Zn7 in Mg-Zn Alloys, Scripta Mater., 2013, vol. 68(7), p. 495. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.11.034
55. Peng, P., Zhang, K., She, J., Tang, A., Zhang, J., Song, K., Yang, Q., and Pan, F., Role of Second Phases and Grain Boundaries on Dynamic Recrystallization Behavior in ZK60 Magnesium Alloy, J. Alloys Compd., 2020, vol. 861, p. 157958. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157958
56. Liu, F., Yang, C., Liao, Z., and Wu, H., Prediction of Flow Stress and Microstructure Evolution Mechanism during Thermal Tensile Process of ZK60 Alloy, Front. Mater., 2024, vol. 10, p. 1334815. DOI: 10.3389/fmats.2023.1334815
57. Krajňák, T., Minárik, P., Gubicza, J., Máthis, K., Kužel, R., and Janeček, M., Influence of Equal Channel Angular Pressing Routes on Texture, Microstructure and Mechanical Properties of Extruded AX41 Magnesium Alloy, Mater. Charact., 2017, vol. 123, p. 282. DOI: 10.1016/j.matchar.2016.11.044
58. Straumal, B., Martynenko, N., Temralieva, D., Serebryany, V., Tabachkova, N., Shchetinin, I., Anisimova, N., Kiselevskiy, M., Kolyanova, A., Raab, G., Willumeit-Römer, R., Dobatkin, S., and Estrin, Y., The Effect of Equal-Channel Angular Pressing on the Microstructure, the Mechanical Properties, and Biodegradation Behavior of Magnesium Alloyed with Ag and Gd, Crystals, 2020, vol. 10(10), p. 918. DOI: 10.3390/cryst10100918
59. Martynenko, N.S., Lukyanova, E., Serebryany, V., Prosvirnin, D., Terentiev, V., Raab, G., Dobatkin, S., and Estrin, Y., Effect of Equal Channel Angular Pressing on Structure, Texture, Mechanical and In-Service Properties of a Biodegradable Magnesium Alloy, Mater. Lett., 2019, vol. 238, p. 218. DOI: 10.1016/j.matlet.2018.12.024
60. Dumitru, F.D., Higuera-Cobos, O.F., and Cabrera, J.M., ZK60 Alloy Processed by ECAP: Microstructural, Physical and Mechanical Characterization, Mater. Sci. Eng. A, 2014, vol. 594, p. 32. DOI: 10.1016/j.msea.2013.11.050
61. Mostaed, E., Hashempour, M., Fabrizi, A., Dellasega, D., Bestetti, M., Bonollo, F., and Vedani, M., Microstructure, Texture Evolution, Mechanical Properties and Corrosion Behavior of ECAP Processed ZK60 Magnesium Alloy for Biodegradable Applications, Mech. Behav. Biomed. Mater., 2014, vol. 37, p. 307. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2014.05.024
62. Kim, H.S. and Kim, W.J., Enhanced Corrosion Resistance of Ultrafine-Grained AZ61 Alloy Containing Very Fine Particles of Mg17Al12 Phase, Corros. Sci., 2013, vol. 75, p. 228. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.05.032
63. Orlov, D., Ralston, K.D., Birbilis, N., and Estrin, Y., Enhanced Corrosion Resistance of Mg Alloy ZK60 after Processing by Integrated Extrusion and Equal Channel Angular Pressing, Acta Mater., 2011, vol. 59, p. 6176. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.06.033
Выпуск
Другие статьи выпуска
Исследование распространения волн в сложных структурах, состоящих из различных материалов и имеющих разные условия на границе раздела, представляет большую важность во многих областях, таких как геофизика, неразрушающий контроль и сенсорные технологии. Горизонтально поляризованные сдвиговые волны распространяются в направлении нормали к поверхности среды. Поведение волн зависит от свойств материала, характера сцепления слоев и граничных условий. Для внутренних областей Земли характерна неоднородность, наличие напряжений и неидеального сцепления между слоями. В связи с этим настоящее исследование посвящено детальному изучению распространения нормальных горизонтально поляризованных поперечных волн в структуре сложной геометрии, состоящей из неоднородного слоя, лежащего на предварительно напряженном основании. Поскольку достичь идеального контакта между материалами с различными свойствами практически невозможно, сцепление между слоем и подложкой считается неидеальным. Для моделирования неидеальной границы раздела задавали различные условия, среди которых дислокационные, силовые и пружинные. Помимо условий на границе раздела вводили граничные условия на свободной поверхности слоя (свободная или жестко закрепленная граница). Для каждого сценария получены аналитические дисперсионные соотношения. Влияние различных параметров, таких как неоднородность, начальное напряжение, толщина слоя, дефекты и коэффициенты скачков, на распространение нормальных горизонтально поляризованных волн представлено в графическом виде.
Снижение удароопасности угольных пластов, склонных к внезапным выбросам породы и газа, является одной из ключевых проблем в области обеспечения геодинамической безопасности ведения горных работ. В работе представлена математическая модель гидроразрыва пород кровли как одного из ключевых методов снижения удароопасности. В качестве выемочного участка рассмотрены особенности строения свиты вмещающих пород пласта 3 шахты Алардинская Кондомского месторождения Кузнецкого угольного бассейна. На основе трехмерного конечно-разностного анализа с привлечением подхода континуальной механики накопления повреждений в работе выполнен анализ влияния расстояния между скважинами гидроразрыва на формирование эффективной сети трещин в труднообрушаемой кровле. Показано, что с изменением начального расстояния между скважинами гидроразрыва изменяется не только время формирования эффективной сети трещин, но и характер изменения расстояния между смежными областями накопленных повреждений. Проведение гидроразрыва пород кровли из забоя имеет благоприятное влияние на редуцирование опорного давления и снижение удароопасности.
Рассмотрены феноменология и природа двухуровневого (основы и вторых фаз) наноструктурирования при выполнении термомеханической обработки сложнолегированных алюминиевых сплавов, реализующей их холодную интенсивную пластическую деформацию. Обоснована важность учета и применения принципа оптимизации гетерогенности структуры, регламентирующего параметры вторых фаз сплавов, с целью контроля наноструктурирования их матрицы. Сформулирован ряд положений, которые могут послужить основой разработки критериев указанного принципа для термомеханической обработки с интенсивной пластической деформацией, обеспечивающих улучшенный комплекс свойств сплава через эффективный контроль наноструктурирования матрицы. Предложен новый подход к классификации наноструктурированных сплавов.
Проведено исследование влияния малоцикловой усталости при повышенных температурах на микроструктуру новой 10% Cr стали с низким содержанием азота и высоким содержанием бора, дополнительно легированной кобальтом, вольфрамом, молибденом и рением. После термической обработки реечная структура троостита отпуска с высокой плотностью дислокаций как внутри реечного пространства, так и в границах мартенситных реек стабилизирована частицами зернограничных карбидов М23С6 и М6С, а также карбонитридами NbX, равномерно распределенными в объеме матрицы. Средняя ширина мартенситных реек составляла 380 нм, а плотность свободных дислокаций внутри реечного пространства - 1.4 ∙ 1014 м-2. При малоцикловой усталости с увеличением амплитуды деформации от 0.2 до 1 % количество циклов до разрушения снижается на ~2 порядка, при этом вклад пластической составляющей деформации существенно увеличивается. Максимальное разупрочнение (24 %) наблюдается при температуре 650 °С и амплитуде деформации 0.6 % в середине количества циклов нагружения. После испытаний на малоцикловую усталость в структуре исследуемой стали обнаружены мелкие рекристаллизованные зерна, свободные от искажений решетки. Более того, реечная структура стали начинает трансформироваться в субзеренную структуру, при этом ширина реек и размер субзерен зависят от амплитуды деформации. Плотность свободных дислокаций практически не меняется с увеличением амплитуды деформации по сравнению с исходным состоянием, при этом плотность дислокаций в границах мартенситных реек существенно снижается с увеличением амплитуды деформации за счет снижения протяженности границ мартенситных реек. Фрактография изломов показала, что при обеих повышенных температурах испытания на малоцикловую усталость оксидные частицы выступают в качестве источников зарождения трещин.
В ряде случаев полимерные композитные материалы могут демонстрировать существенно нелинейный характер деформирования. В данной работе была исследована эффективность применения двух относительно простых моделей, учитывающих нелинейный характер деформирования тканевого композита с термореактивной матрицей. В обоих случаях было принято предположение о независимости кривой сдвига от вида напряженного состояния, а также определены границы применимости соответствующего допущения. Представлен простой алгоритм калибровки моделей, не требующий данных о поведении композитов при двухосном нагружении, который позволяет идентифицировать параметры моделей на основе стандартных испытаний на растяжение и сдвиг. Обе модели деформирования были реализованы в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench для детального анализа напряженно-деформированного состояния полимерных композитных материалов при комбинированном нагружении. Верификацию моделей деформирования проводили по результатам испытаний образцов композита c тканевым армированием, вырезанных под различными углами к направлению основы, а также образцов композита с симметричной укладкой ±φ. Было установлено, что предложенные модели деформирования могут предсказывать нелинейный механический отклик тканевых композитов с термореактивной матрицей в условиях комбинированного нагружения с приемлемой точностью при деформациях сдвига до 5 %.
Упругие свойства ряда бинарных сплавов титана Ti-Ме (Ме = V, Nb, Mo, Ta) c объемно-центрированной структурой расчетов с использованием методов точных МТ-орбиталей в приближении когерентной способности. Показано, что константы упругости C 11 и C 12 увеличиваются с концентрацией второго компонента в сплавах β-Ti-Me, хотя последняя слабо зависит от содержания, тогда как C 44 снижается в V и Nb, но это предусмотрено для Мо и Та. Расчет плотностей электронного течения показал, что концентрационное поведение C 11 обусловлено своеобразными химическими связями со следующими соседями, что наиболее выражено при увеличении числа d-электронов данного элемента. Установлено, что для всех изученных бинарных сплавов наименьшие значения модуля Юнга могут быть обнаружены вблизи области нестабильности β-фазы, а также в направлении <100>. С ростом содержания тантала анизотропия модуля Юнга уменьшается, но тогда ее характер сохраняется, как сплавы с V, Nb и Mo, при некоторых основах второго компонента становятся практически изотропными и меняется характер анизотропии. В результате полученные характеристики упругости бинарных титановых сплавов находятся в хороших согласованиях с учетом экспериментальных и теоретических данных.
Природа неустойчивостей пластического течения θи S-типа рассмотрена в рамках концепции автоволн локализованной пластичности. Показано, что в одном и том же материале (АРМКО-железо) возможно возникновение неустойчивости деформации в виде распространения автоволн переключения или возбуждения. Автоволна переключения представляет собой равномерно движущийся при постоянном напряжении фронт локализации деформации, а автоволна возбуждения - такой же фронт, но движущийся с постоянно уменьшающейся скоростью при снижающемся напряжении. Проявление той или другой автоволн определяется температурно-скоростными условиями деформирования. Существует интервал низких температур, когда независимо от скорости деформирования реализуется только автоволна переключения, а скорость деформационного фронта экспоненциально растет с ростом деформирующего напряжения. При повышенных температурах возможно формирование автоволны возбуждения, когда происходит скачкообразное движение деформационного фронта в моменты спада деформирующего напряжения. Скорость фронта в таких условиях зависит от напряжения линейно. Показано, что скорости деформационных фронтов всегда определяются скоростями локальных деформаций на их фронтах. Установлено, что автоволна переключения (неустойчивость θ-типа) контролируется термически активируемым движением дислокаций, а автоволна возбуждения (неустойчивость S-типа) - вязким (надбарьерным) движением.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) - термопластичный высокоэффективный полимер, востребованный в биомедицине, судои машиностроении, производстве антропоморфных роботов и умных протезов. Высокоориентированные волокна на основе СВМПЭ обладают рекордной удельной прочностью и могут быть использованы для изготовления самоармированных полимерных композитов. Исследование эволюции при нагреве супрамолекулярной структуры СВМПЭ с помощью рентгеновского рассеяния позволяет прояснить механизмы, реализуемые при термомеханической деформации, в том числе при проявлении эффекта памяти формы. В данной работе лабораторная установка рентгеновского рассеяния XENOCS XEUSS 3.0 была использована для анализа наноструктуры в однонаправленном самоармированном полимерном композите на основе СВМПЭ. Были определены температурные зависимости радиуса инерции вращения и размерного фактора. Было определено, что значительные изменения этих параметров происходят в температурных диапазонах, соответствующих началу проявления эффекта памяти формы (снизу) и температуры плавления (сверху). Рассмотрена связь между анизотропной супрамолекулярной структурой материала и эволюцией двумерных диаграмм малоуглового рентгеновского рассеяния.
В настоящей работе впервые проведено исследование влияния дополнительной деформационно-термической обработки, включающей отжиг при 150 или 230 °С и дополнительную деформацию кручением под высоким давлением при комнатной температуре на 0.25 оборота, на микроструктуру, механические свойства и электропроводность сплава Al-1.17Mg-0.33Zr (мас. %) проводникового назначения в ультрамелкозернистом состоянии, предварительно сформированном обработкой кручением под высоким давлением при комнатной температуре. Показано, что дополнительная деформационно-термическая обработка при обеих температурах отжига приводит к проявлению в материале эффекта пластификации - значительному увеличению пластичности (на порядок и более) при сохранении высокой прочности на уровне 80 % от прочности сплава в состоянии до обработки. Проведено сравнение полученного эффекта с таковым для ультрамелкозернистых сплавов Al-Mg-Zr с меньшей концентрацией магния. Показано, что в результате применения деформационно-термической обработки (отжига при 150 °С и дополнительной деформации кручением под высоким давлением на 0.25 оборота) величина достигнутой пластичности уменьшается, а прочность повышается с увеличением концентрации Mg от ~0.5 до ~1.2 мас. %. Ультрамелкозернистый сплав Al-1.17Mg-0.33Zr демонстрирует более высокую термостабильность по сравнению с ультрамелкозернистыми сплавами Al-Mg-Zr с меньшим содержанием Mg. Это позволило при реализации деформационно-термической обработки использовать более высокую температуру отжига (230 °С). Установлено, что деформационно-термическая обработка, включающая отжиг при 230 °С и деформацию кручением под высоким давлением на 0.25 оборота, обеспечивает достижение наилучшего сочетания прочности (предела текучести ~380 МПа, предела прочности ~475 МПа) и пластичности (удлинения до разрушения 9 %, равномерной деформации 4 %), которое не уступает коммерческим сплавам Al-Mg с содержанием магния ~4 % после традиционной упрочняющей обработки или обработки, включающей равноканальное угловое прессование. Физические причины достижения такой комбинации свойств анализируются в сопоставлении с микроструктурными изменениями, происходящими в процессе деформационно-термической обработки.
Издательство
- Издательство
- ИФПМ СО РАН
- Регион
- Россия, Томск
- Почтовый адрес
- 634055 г. Томск, пр. Академический, д. 2/4
- Юр. адрес
- 634055, Томская обл, г Томск, Академический пр-кт, д 2/4
- ФИО
- Колубаев Евгений Александрович (ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- root@ispms.tomsk.ru
- Контактный телефон
- +7 (382) 2491881
- Сайт
- http:/www.ispms.ru