Введение к работе
Актуальность работы
Изучение сплавов на основе никелида титана началось с 1965 года, когда в
эквиатомных композициях титана и никеля было обнаружено проявление эффекта
запоминания формы (ЭЗФ). Возможность изделий из этих сплавов термически
управляемо изменять форму и нелинейно обратимо деформироваться при
определенных условиях - сверхупругость (СУ) привлекла внимание многих
изобретателей для создания разнообразных функциональных устройств.
Примером могут служить трансформирующиеся конструкции
(самораскрывающиеся антенны, солнечные батареи и др.), термомеханические соединения (муфты для сборки трубопроводов, элементы одностороннего крепления и др.), термочувствительные датчики (пожарные датчики, термостаты и др.).
В последние 15 лет сплавы на основе никелида титана стали широко применятся в области медицины. В частности, в МАТИ им. К.Э. Циолковского под руководством академика РАН Ильина А.А. разработаны принципы проектирования, производства и применения биологически и механически совместимых имплантатов (БМСИ) из сплавов на основе никелида титана для травматологии, ортопедии и нейрохирургии.
Широкий спектр возможностей применения этого материала и особые условия эксплуатации изделий из него потребовали проведения всестороннего исследования термомеханических свойств сплавов, а также металлургических и технологических методов управления ими.
В настоящее время достаточно хорошо исследовано влияние химического состава, деформации и термической обработки на температурные, силовые и деформационные характеристики ЭЗФ и СУ сплавов на основе никелида титана. Однако вопросы усталостных свойств материала и долговечности конструкций из него остаются открытыми. Это во многом обусловлено принципиальным отличием механического поведения сплавов на основе никелида титана с ЭЗФ и СУ от механического поведения обычных конструкционных материалов на основе титана, железа и алюминия. Следует отметить, что эксплуатация многих конструкций из материала с ЭЗФ и СУ, особенно в медицине, происходит при значительных деформациях (до 3%) в течении 10-106 циклов. Обеспечение высокой циклической долговечности изделий путем оптимизации структуры
материала в процессе его обработки является актуальной проблемой металловедения. Кроме того необходима разработка методов оценки долговечности и надежности изделий, особенно медицинских, работающих при специфических условиях эксплуатации.
Цель работы состояла в установлении влияния химического состава и структуры на усталостные свойства сплавов на основе никелида титана и повышении долговечности медицинских изделий из этих сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние химического состава и термической обработки на механическое поведение и усталостные свойства сплавов на основе никелида титана.
-
Выявить роль структуры и механизмов деформации в усталостном разрушении сплавов на основе никелида титана.
-
Определить влияние условий циклических испытаний медицинских изделий на их долговечность и характеристики работоспособности.
-
Разработать методику проведения испытаний медицинских изделий из сплавов на основе никелида титана для определения их долговечности.
-
Оптимизировать химический состав и термическую обработку сплавов на основе никелида титана для повышения долговечности медицинских изделий.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Показано, что усталостные характеристики в условиях малоциклового (до 1000 циклов) нагружения сплавов на основе никелида титана возрастают при увеличении напряжений скольжения и снижении напряжений мартенситного сдвига. Соотношение этих напряжений и, соответственно, малоцикловую долговечность характеризует критическая степень деформации, отвечающая переходу от формоизменения материала по мартенситному механизму к формоизменению по механизму скольжения.
-
Установлено, что максимальная циклическая долговечность сплавов на основе никелида титана наблюдается в том случае, когда В2-фаза имеет наиболее высокие напряжения скольжения. Повышение напряжений скольжения происходит при деформационном упрочнении материала, например, при волочении проволоки или при старении сплава с пересыщенной никелем В2-фазой с образованием мелкодисперсных частиц типа Ti3Ni4.
3. Обоснованы методологические принципы испытаний медицинских изделий из сплавов на основе никелида титана на надежность и долговечность. Основными из них являются: анализ результатов предварительных клинических испытаний с целью определения изменения формы изделий в процессе эксплуатации (функциональных движений и т.п.); расчет зависимости максимальной циклической деформации (єф) от параметров изменения формы изделия; расчет амплитуды деформации (є„) и базы циклических испытаний (N„), исходя из заданной долговечности имплантата (Na) и коэффициента к, зависящего от структуры материала и определенного по усталостным испытаниям сплава на основе никелида титана, подвергнутого соответствующей термической обработке.
ы ^
(1)
z=z,
-k
N. ,=N,
(2)
Практическая значимость работы
1. Разработаны режимы термической обработки полуфабрикатов и изделий
из сплавов на основе никелида титана для обеспечения максимальной циклической
(деформационной) долговечности медицинских изделий различного назначения:
- для имплантатов, используемых для остеосинтеза, окончательная
термообработка должна включать вакуумный отжиг при температуре 700С и
последующее старение в интервале температур 450О470С;
- для имплантатов, используемых для протезирования связочно-хрящевых
структур, окончательная термообработка должна включать вакуумный отжиг при
температуре 700С и последующее старение в интервале температур 480О520С.
2. Разработаны методики ускоренных испытаний долговечности
имплантатов из сплавов на основе никелида титана для остеосинтеза (ФИнт
«МАТИ-КИМПФ») и протезирования связочно-хрящевых структур позвоночника
(«КИМПФ-ДИ»).
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 7-ми Международных и 3-х Российских научных конференциях и семинарах. В том числе: на Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Россия, г. Москва, 2002 г., 2004-2007 гг.), Международной конференции
«Ті в СНГ» (Украина, г. Киев, 2005 г., г. Ялта, 2007 г.), Второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Россия, г. Москва, 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Россия, г. Москва, 2004 г., 2006 г.)
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных высшей аттестационной комиссией - 2. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 115 наименований и приложения, содержит 81 рисунок и 19 таблиц.
