Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых ультрамелкозернистых (УМЗ) (нано- и субмикрокристаллических) конструкционных и функциональных материалов с комплексом повышенных прочностных и эксплуатационных свойств является приоритетом российских ученых и конкурентоспособна на мировом рынке.
Сплавы на основе циркония благодаря уникальному комплексу свойств (высокой радиационной и коррозионной стойкости, механической прочности) являются основным конструкционным материалом активных зон атомных реакторов.
Одним из перспективных направлений повышения комплекса механических и эксплуатационных свойств циркониевых сплавов для новых сфер применения, в частности как биоинертного материала для хирургической имплантологии, является получение в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
В настоящее время в медицинской технике для стоматологической и ортопедической имплантологии и эндопротезирования, а также в нейрохирургии и онкологии преимущественно используются титановые сплавы, обладающие высокой биосовместимостью с тканями организма и высокими механическими свойствами. Показано, что формирование в них УМЗ структуры методом ИПД значительно повышает уровень прочности и обеспечивает создание комплекса свойств, требуемых для использования в импланталогии. Применение циркониевых сплавов для этих целей ограничено из-за их более низкой прочности по сравнению с титановыми сплавами, несмотря на их высокую биосовместимость (в частности, сплава Zr-2,5%Nb) с тканями человека.
Поэтому разработка способов получения УМЗ структуры в сплавах циркония методами ИПД, исследование их структуры и свойств является актуальной научной и практической задачей.
В настоящей работе изучена возможность повышения прочностных свойств циркониевых сплавов путем получения в них УМЗ структуры методами ИПД: равноканально-угловым прессованием (РКУП) и кручением под высоким гидростатическим давлением (КГД). В настоящее время имеется мало работ, посвященных структуре и свойствам УМЗ циркония и его сплавов, нет данных об их усталостной прочности и коррозионной повреждаемости, что также свидетельствует об актуальности представленной работы.
Цель работы
Изучение структурно-фазовых превращений, механических и коррозионных свойств при формирования ультрамелкозернистой структуры в сплавах циркония методами интенсивной пластической деформации для создания комплекса свойств, необходимых для их применения в имплантологии.
Для достижения цели решались следующие задачи:
Изучить закономерности формирования УМЗ структуры и особенности структурно-фазовых превращений в циркониевых сплавах при интенсивной пластической деформации и последующем нагреве;
Изучить влияние УМЗ структуры на процессы деформации и разрушения УМЗ сплавов циркония в сравнении с титаном, полученных методом РКУП, и определить характеристики их механических свойств при статическом и циклическом нагружении.
Определить характеристики коррозионной повреждаемости УМЗ сплава Zr-2,5%Nb, полученного методом РКУП;
Определить режимы обработки сплава Zr-2,5%Nb для получения УМЗ структуры и обеспечения высокого комплекса свойств.
Научная новизна
Показано, что ИПД КГД сплавов Zr-2,5%Nb и Zr-l%Nb-0,3%Fe-l,2%Sn приводит к формированию УМЗ структуры с размером зерен в наноразмерном диапазоне (30-50 нм) и повышению микротвердости с 160 HV в исходном состоянии до 400 HV. Деформационное упрочнение после КГД сохраняется при нагреве до температур 350-400С. ИПД РКУП сплава Zr-2,5%Nb приводит к формированию нерегулярной зерен-но-субзеренной ориентированной структуры с поперечным размером ориентированных структурных элементов 30-150 нм и равноосных зерен (субзерен) - 50-200 нм и повышению микротвердости с 160 HV в исходном состоянии до 265 HV.
Формирование УМЗ структуры при РКУП обеспечивает повышение статической и циклической прочности сплава Zr-2,5%Nb: предел прочности увеличивается с 560 до 770 МПа при уменьшении относительного удлинения до 10 %; предел выносливости увеличивается с 340 до 420 МПа при повышении ограниченной долговечности —10 раз, по сравнению с исходным состоянием.
Обнаружено образование co-Zr фазы высокого давления при КГД сплавов Zr-2,5%Nb, Zr-l%Nb-0,3%Fe-l,2%Sn и Zr-l%Nb, которая частично сохраняется при нагреве до 350 С в сплавах Zr-2,5%Nb и Zr-l%Nb-0,3%Fe-l,2%Sn.
Формирование УМЗ структуры после РКУП изменяет механизм потери устойчивости течения сплава Zr-2,5%Nb при растяжении: шейка формируется из-за образования трещин на стадии равномерной пластической деформации при истинной равномерной деформации ер<п (где п-
показатель степени деформационного упрочнения), а не от «геометрического разупрочнения» при ер=п, как в крупнозернистом состоянии.
5. Обнаружено, что формирование УМЗ структуры при РКУП приводит к повышению сопротивления коррозионному разрушению под напряжением сплава Zr-2,5%Nb, которое происходит по механизму питтинго-образования без образования трещин.
Практическая значимость:
На основе систематических исследований определены режимы получения массивных заготовок из сплава Zr-2,5%Nb с ультрамелкозернистой структурой методом РКУП и последующей термической обработки.
Проведена аттестация структуры и механических свойств заготовок из сплава Zr-2,5%Nb с ультрамелкозернистой структурой для различных перспективных функциональных назначений, и показана возможность для их дальнейшего применения в имплантологии.
Работа проводилась в рамках проекта РФФИ №08-03-90020-Бела «Получение высокопрочного ультрамелкозернистого циркониевого сплава для медицинского применения».
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на следующих научных конференциях:
V-я научно-практическая конференция материаловедческих обществ России: Цирконий: металлургия, свойства, применение, Ершово, Московская область, 24-28 ноября 2008 года.
The Second International Symposium "Bulk Nanostractured Materials: from fundamentals to innovations", Ufa, Russia, September 22-26, 2009.
111-я международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов - DFMN-2009», Москва, 12-15 октября 2009
Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», 27-29 октября 2009 года, Москва.
V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур - ПРОСТ-2010», Москва, 20-22 апреля 2010
Ш-я международная конференция «Функциональные наномате-риалы и высокочистые вещества», Суздаль, 4-8 октября 2010
IV France-Russia Conference «Achievements in Materials and Environmental Sciences» Names 2010, 26-29 October 2010, Nancy, France.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 3 статьи в изданиях, включенных в перечень журналов рекомендованных ВАК, 11 работ в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, 6-ти глав с описанием методик и результатов исследований, выводов и списка использованной литературы, который включает 117 наименований. Работа изложена на 142 страницах, содержит 51 рисунок и 7 таблиц.
