Ученые обнаружили причину исключительно высоких прочностных характеристик наноструктурированного титана. Этот материал предполагается использовать для создания зубных имплантов.
Исследователи из Института проблем машиноведения РАН совместно с коллегами из Уфы и Китая проанализировали ранее полученный наноструктурированный титан технической чистоты, который подходит для производства зубных имплантов. Специалисты выяснили причины его повышенной прочности, как указано на сайте Российской академии наук.
Специалисты исследовали специально подготовленный образец наноструктурированного технически чистого титана, практически свободного от посторонних примесей. Этот материал был создан в Уфимском университете науки и технологий. Для придания уникальных свойств он прошел специальную обработку: двукратное кручение под высоким давлением с последующим отжигом. Благодаря этому средний размер зерна металла уменьшился до 100 нм, что примерно в 100-1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. При этом границы зерен обогатились атомами примесей.
После такой обработки наноструктурированный титан получил высокие прочностные характеристики. В частности, предел текучести составляет около 1340 МПа, а предел прочности — 1510 МПа. Для сравнения: традиционный крупнозернистый (около 10 мкм) горячекатаный титан демонстрирует значительно худшие показатели — всего 500 МПа предела текучести и 680 МПа предела прочности. Другие методы обработки давали промежуточные результаты — пределы текучести варьировались от 600 до 1200 МПа, а пределы прочности — от 720 до 1340 МПа. Эти различия подчеркивают значимость разработанной технологии для значительного улучшения механических характеристик титанового сплава.
«Мы предположили, что сверхпрочность наноструктурированного титана обусловлена тем, как примеси воздействуют на дефектную структуру границ зерен. Для проверки этой идеи мы применили теоретическую модель, ранее разработанную для наноструктурированных алюминиевых сплавов. Она объясняет, как примеси на границах зерен взаимодействуют с дислокациями, блокируя их подвижность и повышая прочность материала», — комментирует руководитель лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Михаил Гуткин.
В наноструктурированных материалах, созданных путем интенсивной деформации, способность к пластическим изменениям формы в значительной степени зависит от поведения границ зерен. Именно там скапливаются дефектные элементы структуры, образующиеся в результате деформации. Под воздействием нагрузки они начинают активно перемещаться, образуя 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 возможности для осознанного управления механическими характеристиками металлов путем контроля распределения примесей в структуре. Дальнейшие исследования в этой области могут стать основой для создания принципиально новых материалов, которые будут сочетать высокую прочность и хорошую пластичность.
Фото: hi-tech.mail.ru