УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УМЗ СТРУКТУРЫ В СПЛАВЕ Ti – Nb НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Исследования, связанные с оценкой циклической долговечности разрабатываемых конструкционных материалов для медицины и техники, являются актуальной задачей. Одним из перспективных направлений медицинского материаловедения является разработка биосовместимых        β-сплавов на основе титана с модулем Юнга, сопоставимым со значениями для кортикальной костной ткани (2 ‒ 23 ГПа), в том числе и ультрамелкозернистых (УМЗ) сплавов. Закономерности усталостного разрушения для биосовместимых УМЗ титановых сплавов с низким модулем упругости для режимов много- и гигацикловой усталости мало исследованы и требуют детального анализа. Выполнено исследование особенностей разрушения биосовместимого сплава Ti ‒ 45 мас. % Nb в УМЗ и крупнокристаллическом (КК) состоянии при проведении испытаний на гигацикловую усталость на ультразвуковой резонансной нагружающей машине Shimadzu USF-2000. УМЗ сплав получали комбинированным методом abc-прессования с многоходовой прокаткой. Установлено, что формирование многофазной УМЗ структуры в сплаве Ti – 45 мас. % Nb приводит к повышению предела усталости в 1,5 раза в сравнении с КК структурой. Методом электронной растровой и просвечивающей микроскопии исследована поверхность разрушения образцов сплава в УМЗ и КК состояниях в зонах зарождения и инициирования трещины. Установлено, что характер морфологии поверхности образцов после разрушения титана в КК и УМЗ состояниях подобный. Зоны зарождения и распространения трещины имеют макробороздчатое строение, состоящее из фасеток и ямочного микрорельефа. Показано, что в результате разрушения при гигациклических испытаниях в КК состоянии сплава Ti – 45 мас. % Nb сформировалась ячеисто-сетчатая дислокационная субструктура, а в УМЗ состоянии - фрагментированная субструктура.

1. Baltatu M.S., Vizureanu P., Sandu A.V., Solcan C., Hritcu L.D., Spataru M.C. Research progress of titanium-based alloys for medical devices. Biomedicines. 2023;11:2997.

2. https://doi.org/10.3390/biomedicines11112997

3. Abd-Elaziem W., Darwish M.A., Hamada A., Daoush W.M. Titanium-based alloys and composites for orthopedic implants applications: a comprehensive review. Materials & Design. 2024;241:112850. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112850

4. Sun B., Sun K., Meng X., Wang J. Size effect on the martensitic transformation of Ti – Nb shape memory alloy. Intermetallics. 2022;145:107562. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107562

5. Bignona M., Bertrand E., Rivera-Díaz-del-Castillo P.E.J., Tancret F. Martensite formation in titanium alloys: crystallographic and compositional effects. Journal of Alloys and Compounds. 2021;872:159636.

6. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159636

7. Liu K.Y., Yin L.X., Lin X., Liang S.X. Development of low elastic modulus titanium alloys as implant biomaterials. Recent Progress in Materials. 2022;4(2).

8. https://doi.org/10.21926/rpm.2202008

9. Marin E., Lanzutti A. Biomedical applications of titanium alloys: a comprehensive review. Materials. 2024;17:114.

10. https://doi.org/10.3390/ma17010114

11. Valiev R.Z., Alexandrov I.V., Kawasaki M., Langdon T.G. Ultrafine-grained materials. Cham: Springer International Publishing; 2024:451. https://doi.org/10.1007/978-3-031-31729-3

12. Picak S., Wegener T., Sajadifar S.V., Sobrero C. On the low-cycle fatigue response of CoCrNiFeMn high entropy alloy with ultra-fine grain structure. Acta Materialia. 2021;205:116540. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116540

13. Du B., Sheng L., Cui C., Hu Z., Sun X. Effects of grain refinement on the low-cycle fatigue behavior of IN792 superalloys. Crystals. 2021;11:892. https://doi.org/10.3390/cryst11080892

14. Ledon D.R., Bannikov M.V., Oborin V.A., Bayandin Yu.V., Naimark O.B. Prediction of the fatigue life of VT1-0 titanium in various structural states under very high cycle fatigue. Letters on Materials. 2021;11(4):422–426. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2021-4-422-426

15. Sharkeev Yu., Eroshenko A., Legostaeva E., Kovalevskaya Z., Belyavskaya O., Khimich M., Epple M., Prymak O., Sokolova V., Zhu Q., Sun Z., Zhang H. Development of ultrafine-grained and nanostructured bioinert alloys based on titanium, zirconium and niobium and their microstructure, mechanical and biological properties. Metals. 2022;12(7):1136.

16. https://doi.org/10.3390/met12071136

17. Gatina S., Polyakova V., Modina Yu.M., Se-menova I.P. Fatigue behavior and fracture features of Ti-15Mo alloy in β-, (α+β)-, and ultrafine-grained two-phase states. Metals. 2023;13:580. https://doi.org/10.3390/met13030580

18. Naydenkin E., Mishin I.P., Ratochka I.V., Oborin V. Fatigue and fracture behavior of ultrafine-grained near β titanium alloy produced by radial shear rolling and subsequent aging. Materials Science and Engineering A. 2021;810:140968. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.140968

19. Bannikov M., Oborin V., Bilalov D.A., Naimark O.B. Nonlinear dynamics and stages of damage of Ti6Al4V and Ti45Nb titanium alloys in very high cycle fatigue. PNRPU Mechanics Bulletin. 2020;2:145–153. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.2.12

20. Oborin V., Bayandin Yu., Bannikov M., Savinykh A.S. Prediction of titanium alloy Ti-6Al-4V lifetime under consecutive shock-wave and gigacycle fatigue loads. Procedia Structural Integrity. 2021;32:152–157.

21. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.09.022

22. Edalati K., Bachmaier A., Beloshenko V.A. et al. Nanomaterials by severe plastic deformation: review of historical developments and recent advances. Materials Research Letters. 2022;10(4):163–256. https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2029779

23. Glezer A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Plastic deformation of nanostructured materials. Boca Raton: CRC Press; 2017:334.

24. ASTM E1382-97. Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. West Conshohocken, PA: ASTM International; 2016:24.

25. Naimark O., Bayandin Yu., Uvarov S. Critical dynamics of damage-failure transition in wide range of load intensity. Acta Mechanica. 2021;232(4):1329–1345. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02922-1

26. Naimark O., Oborin V., Bannikov M., Ledon D. Critical dynamics of defects and mechanisms of damage-failure transitions in fatigue. Materials. 2021;14(10):2554. https://doi.org/10.3390/ma14102554

27. Mahmood A., Sun C., Lashari M.I., Li W. Microstructure-based interior cracking behavior of α + β titanium alloy under two stress ratios and intermediate temperature in the very high-cycle fatigue regime. Journal of Materials Science. 2024;59(27):1–20. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09892-y

28. Klevtsov G.V., Valiev R.Z., Klevtsova N.A., Tyurkov M.N., Pigaleva I.N., Aksenov D.A. Fracture kinetics and mechanisms of ultrafine-grained materials during fatigue tests in the low-cycle fatigue region. Metals. 2023;13:709. https://doi.org/10.3390/met13040709

29. Shanyavskiy A.A., Soldatenkov A.P. Metallic materials fatigue behavior: scale levels and ranges of transition between them. International Journal of Fatigue. 2022;158:106773. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106773

30. Pan X., Xu S., Nikitin A., Shanyavskiy A. Crack initiation induced nanograins and facets of a titanium alloy with lamellar and equiaxed microstructure in very-high-cycle fatigue. Materials Letters. 2023;357:135769.

31. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.135769

32. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. Москва: Металлургия, 1986:224.

33. Avateffazeli M., Webster G., Tahmasbi K., Haghshenas M. Very high cycle fatigue at elevated temperatures: a review on high temperature ultrasonic fatigue. Journal of Space Safety Engineering. 2022;9(6).

34. https://doi.org/10.1016/j.jsse.2022.07.006

35. Shanyavskiy A.A., Nikitin A.D., Palin-Luc T. Very high cycle fatigue of D16T aluminum alloy. Physical Mesomechanics. 2021;24(1):122–129. https://doi.org/10.1134/S1029959921010112