Российские физики раскрыли механизм сверхпрочности нанотитана
Ученые выявили причину необычайно высоких прочностных характеристик наноструктурированного титана. Материал планируют использовать при создании зубных имплантов.
Юлия УгловаАвтор Hi-Tech Mail
Ученые из Института проблем машиноведения РАН совместно с партнерами из Уфы и Китая изучили ранее полученный наноструктурированный титан технической чистоты, подходящий для изготовления зубных имплантов. Специалисты раскрыли причины его повышенной прочности, говорится на сайте Российской академии наук.
Эксперты изучали специально подготовленный образец наноструктурированного технически чистого титана, практически лишенного посторонних примесей. Этот образец изготовили в Уфимском университете науки и технологий. Для придания особых свойств материал прошел специальную обработку: двукратное кручение под высоким давлением с последующим отжигом. Благодаря этому средний размер зерна металла сократился до 100 нм, что примерно в 100-1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. При этом межзеренные границы обогатились атомами примесей.
После специфической обработки наноструктурированный титан приобрел высокие показатели прочности. В частности, предел текучести составил около 1340 МПа, а предел прочности — 1510 МПа. Для сравнения: традиционный крупнозернистый (около 10 мкм) горячекатаный титан показывает значительно худшие свойства — всего лишь 500 МПа предела текучести и 680 МПа предела прочности. Другие методы обработки давали промежуточные результаты — пределы текучести колебались от 600 до 1200 МПа, а пределы прочности — от 720 до 1340 МПа. Эти различия подчеркивают важность разработанной технологии для значительного повышения механических характеристик титанового сплава.
«Мы предположили, что сверхпрочность наноструктурированного титана связана с тем, как примеси влияют на дефектную структуру границ зерен. Для проверки этой идеи мы использовали теоретическую модель, разработанную ранее для наноструктурированных тем же способом алюминиевых сплавов. Она объясняет, как примеси на границах зерен взаимодействуют с имеющимися там дислокациями, блокируя их подвижность и повышая прочность материала», — комментирует руководитель лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Михаил Гуткин.
В наноструктурных материалах, созданных путем интенсивной деформации, способность к пластическому изменению формы в значительной степени определяется поведением границ зерен. Именно там скапливаются дефектные элементы структуры, образовавшиеся в ходе процесса деформации. Под воздействием нагрузки они начинают активно перемещаться, формируя скопления, которые создают зоны повышенного локального напряжения и подвижности зерен. Присутствие примесей, таких как атомы железа, оказывает противоположный эффект. Они снижают внутренние механизмы пластичности отдельных зерен, что приводит к повышению общей механической прочности материала.
Понимание механизмов формирования прочности открывает путь к осознанному управлению механическими характеристиками металлов за счет контроля распределения примесей в структуре материала. Дальнейшие исследования в данном направлении могут стать основой для разработки принципиально новых материалов, сочетающих одновременно высочайшую прочность и хорошую пластичность.
Ранее ученые разработали самый прочный и дешевый титановый сплав для 3D-печати.
Поделиться
