The Microstructural State and Characteristics of the Deformation and Fracture, Energy Dissipation and Accumulation in Deformed Ultrafine-Grained Alloys Based on Titanium, Niobium, and Magnesium for Medical Applications

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of the study of the microstructure, physical and mechanical characteristics, processes of the energy dissipation and accumulation under tension in technical titanium and in Ti–45Nb, Mg–2.9Y–1.3Nd alloys in the coarse-grained (CG) and ultrafine-grained (UFG) states have been summarized. It has been found that substructural strengthening of ultrafine-grained technical titanium results in a change in deformation and thermal behavior, especially at the initial stage of deformation. It has been found that dispersion strengthening of Ti–45Nb alloy with the ω-phase nanoparticles and Mg24Y5 intermetallics, and of Mg–2.9Y–1.3Nd alloy with the β-, β′-, and β1-phase precipitates reduces the influence of the UFG structure on the patterns of energy accumulation and dissipation under tension at the initial stage of deformation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Y. Р. Sharkeev

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS; The National Research Tomsk Polytechnic University

Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055; Tomsk, 634050

Е. V. Legostaeva

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS

Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

А. Y. Eroshenko

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS

Author for correspondence.
Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

N. А. Luginin

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS; The National Research Tomsk Polytechnic University

Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055; Tomsk, 634050

A. I. Tolmachev

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS

Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

P. V. Uvarkin

Institute of Strength Physics and Materials Science (ISPMS) SB RAS

Email: eroshenko@ispms.ru
Russian Federation, Tomsk, 634055

References

  1. Kaur M., Singh K. Review on titanium and titanium-based alloys as biomaterials for orthopedic applications // Mater. Sci. Eng. 2019. V. 102. P. 844–862.
  2. Xiaotian L., Shuyang C., Regen K.H. Binary titanium alloys as dental implant materials — a review. // Biomater. 2017. V. 4. № 5. P. 315–323.
  3. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., and Langdon T.G., Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications. New Jersey: John Wiley & Sons, 2014. 440 p.
  4. Glezer A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Plastic Deformation of Nanostructured Materials. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2017. 334 p.
  5. Moyseychik E., Vavilov V., Kuimova M. Infrared thermographic assessment of heat release phenomena in steel parts subjected to quasi-static deformation // Measurement. 2021. V. 185. P. 110117.
  6. Oliferuk W., Gadaj S.P., Grabski M.W. Energy storage during the tensile deformation of Armco iron and austenitic steel // Mater. Sci. Eng. A. 1985. V. 70. P. 131–141.
  7. Bagavathiappan S., Lahiri B., Saravanan T., Philip J., Jayakumar T. Infrared thermography for condition monitoring — A review //Infrared Phys. Technol. 2013. V. 60. P. 35–55.
  8. Golasi´nski K.M., Staszczak M., Pieczyska E.A. Energy Storage and Dissipation in Consecutive Tensile Load-Unload Cycles of Gum Metal // Materials. 2023. V. 16. P. 3288.
  9. 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. V. 12. № 7. P. 1136.
  10. Eroshenko A. Yu., Luginin N.A., Legostaeva E.V., Tolmachev A.I., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., Sharkeev Yu.P., Schmidt J. Effect of Severe Plastic Deformation on Structure and Mechanical Properties of Magnesium Alloy Mg–Ca // AIP Conference Proceedings. 2022. V. 2509. P. 020068–1–020068–5.
  11. Sharkeev Y.P., Vavilov V.P., Chulkov A.O., Legostaeva E.V., Eroshenko A.Y., Belyavskaya O.A., Ustinov A.M., Skrypnyak V.A., Klopotov A.A., Kozulin A.A., Skrypnyak V.V., Zhilyakov A.Y., Kouznetsov V.P., Kuimova M.V. Research on the processes of deformation and failure in coarse- and ultrafine-grain states of Zr1–Nb alloys by digital image correlation and infrared thermography // Mater. Sci. Eng. A. 2020. V. 784. P. 139203.
  12. Martynenko N.S., Lukyanova E.A., Serebryany V.N. Increasing strength and ductility of magnesium alloy WE43 by equal-channel angular pressing // Mater. Sci. Eng. A. 2018. V. 712. P. 625–629.
  13. Плехов О., Чудинов В., Леонтьев В., Наймарк О. Экспериментальное исследование закономерностей диссипации энергии при динамическом деформировании нанокристаллического титана // ПЖТФ. 2009. T. 35. № 2. С. 82–90.
  14. Legostaeva E., Eroshenko A., Vavilov V., Skripnyak V.A., Chulkov A., Kozulin A., Skripnyak V.V., Glukhov I., Sharkeev Y. Comparative Investigation of the Influence of Ultrafine-Grained State on Deformation and Temperature Behavior and Microstructure Formed during Quasi-Static Tension of Pure Titanium and Ti-45Nb Alloy by Means of Infrared Thermography // Materials. 2022. V. 15. P. 8480.
  15. Ivanov A.M., Lukin E.S., Petrova N.D. Regularities of Deformation and Fracture of Steels Subjected to Equal Channel Angular Pressing and Thermal Processing // Mater. Sci. Forum. 2008. V. 584–586. P. 6436–6448.
  16. Gadaj S.P., Nowacki W.K., Pieczyska E.A. Changes of temperature during the simple shear test of stainless steel // Arch. Mech. 1996. V. 48. № 4. P. 779–788.
  17. Taylor G.I., Quinney H. The latent energy remaining in a metal after cold working // Proc. R. Soc. London, Ser. A. 1934. V. 143. P. 307–326.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Electron microscopic light-field (a, b) with corresponding microdifraction patterns (a, c) and dark-field (d) images of the titanium structure in the CC (a) and UMZ (b, c, d) states.

Download (210KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Electron microscopic light–field (a, b) with corresponding microdifraction patterns (a, c) and dark-field (d) images of the structure of the Ti-45Nb alloy in KK- (a) and UMZ-(b, c, d) states; Fig. 2b the dotted line highlights the rings corresponding to the GPU phase.

Download (247KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Optical (a, c) and electron microscopic light-field (b, d) images with corresponding microdifraction patterns (b, d) of the Mg–2.9Nd–1.3Y alloy structure in KK (a, b) and UMZ (c, d) states.

Download (226KB)
Indexing metadata
5. 4. True deformation (a, d), temperature curves (b, e) and dependences of the coefficient of deformation hardening (c, e) for samples of titanium VT1-0 (curves 1), Ti–45Nb alloys (curves 2) and Mg–2.9Y–1.3Nd (curves 3) in KK- (a–b) and UMZ- (g–e) states.

Download (284KB)
Indexing metadata
6. 5. Dependences of the energies during deformation on the true deformation for samples of titanium VT1-0 (curves 1), Ti–45Nb alloys (curves 2) and Mg–2.9Y–1.3Nd (curves 3) in the KK (a–b) and UMZ (g–e) states: a, d is the specific work of plastic deformation (Ar); b, e is the specific amount of heat released during deformation (Q); c, e is the absorbed energy during deformation (Es).

Download (268KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».