Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

C. О. Рогачев, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: csaap@mail.ru
C. А. Никулин, заведующий кафедрой, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: nikulin@misis.ru
В. М. Хаткевич, ведущий инженер, канд. техн. наук, эл. почта: hatvm87@mail.ru

Проведено исследование влияния деформации сдвигом методом кручения под высоким квази гидростатическим давлением (КВД) при различных температурах, а также постдеформационного отжига на механические свойства промышленного циркониевого сплава марки Э125 (Zr – 2,5 % Nb). КВД-деформацию выполняли на плоских образцах сплава в рекристаллизованном состоянии диаметром 20 и исходной толщиной 1,5 мм. Метод КВД реализовывали при комнатной температуре, а также при температурах 300 и 325 ^oC, давлении 4 ГПа с числом оборотов нижней наковальни N = 5. В качестве методов исследования материала использовали измерение микротвердости по Виккерсу, рентгенофазовый анализ (РФА), а также испытания на растяжение миниатюрных образцов, вырезанных из сплава после КВД. Установлено, что наибольшее упрочнение сплава наблюдалось после КВД при комнатной температуре: значения микротвердости увеличились в 2,4–2,5 раза по сравнению с исходными и составили 380–400 HV. Отжиг образцов сплава, обработанных методом КВД, приводит к разупрочнению материала, а повышение температуры КВД способствует повышению термической стабильности сплава. Определены механические свойства (пределы текучести и прочности, относительное удлинение) образцов сплава после КВД и последующего отжига. Полученные образцы характеризуются высокой прочностью и очень низкой пластичностью (разрушение образцов при растяжении происходит на упругой области кривой напряжение – деформация при значениях напряжения 920–1060 МПа). Установлены режимы деформационно-термической обработки сплава, обеспечивающие сочетание высокой прочности и удовлетворительной пластичности. Для сплава, обработанного КВД при температуре 325 ^oC и отожженного при 400 ^oC, условный предел текучести и предел прочности составили 840 и 900 МПа соответственно, а относительное удлинение — 4 %. Полученные результаты позволяют расширить использование циркониевых сплавов в качестве материала для изготовления медицинских имплантатов и медицинских инструментов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-70007. Авторы благодарят канд. физ.-мат. наук Р. В. Сундеева за помощь в проведении рентгено-фазового анализа.

1. Займовский А. С., Никулина А. В., Решетников Ф. Г. Циркониевые сплавы в атомной промышленности. — М. : Энергоатомиздат, 1994. — 253 с.
2. Исаенкова М. Г., Перлович Ю. А., Фесенко В. А., Соловьев В. Н., Сергачева М. И. Влияние технологических параметров изготовления оболочечных труб на их кристаллографическую текстуру // Цветные металлы. 2014. № 12. С 62–67.
3. Логинов Ю. Н., Полищук Е. Г., Тугбаев Ю. В. Особенности моделирования процесса прессования труб из сплавов на основе циркония // Цветные металлы. 2018. № 9. С. 82–87.
4. Rubitschek F., Niendorf T., Karaman I., Maier H. J. Corrosion fatigue behavior of a biocompatible ultrafine-grained niobium alloy in simulated body fluid // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. Vol. 5. P. 181–192.
5. Шапошников Ю. Г., Шерепо К. М., Горохов В. Ю., Берченко Г. Н. Цирконий для эксплантатов в травматологии и ортопедии // Ортопедия, травматология и протезирование. 1993. № 1. С. 31–33.
6. Ryoo H. S., Yu S. H., Oh K. H., Hwang S. K. Monte-Carlo Simulation of Grain Growth in Zr Processed by ECAP // Material Science Forum. 2002. Vol. 408-412. P. 655–660.
7. Perlovich Yu., Isaenkova M., Fesenko V., Grekhov M., Seng-Ho Yu et al. Features of Texture and Structure Development in Zirconium under Equal Channel Angular Pressing // Materials Science Forum. 2006. Vol. 503-504. P. 859–864.
8. Companhoni M. V. P., Matheus J. R. G., Marcondes T. L., Pinto A. L. Analysis of microstructure and microhardness of Zr – 2.5Nb processed by High-Pressure Torsion (HPT) // Journal of Materials Science. 2012. Vol. 47, No. 22. P. 7835–7840.
9. Haraguchi R., Yoshimatsu Y., Nagaoka T., Arita M., Edalati K., Horita Z. Electrical resistivity mapping of titanium and zirconium discs processed by high-pressure torsion for homogeneity and phase transformation evaluation // Journal of Materials Science. 2017. Vol. 52. P. 6778–6788.
10. Zhilyaev A. P., Sabirov I., González-Doncel G., Molina-Aldareguía J., Srinivasarao B. et al. Effect of Nb additions on the microstructure, thermal stability and mechanical behavior of high pressure Zr phases under ambient conditions // Materials Science and Engineering A. 2011. Vol. 528. P. 3496–3505.
11. Nikulin S. A., Rozhnov A. B., Rogachev S. O., Khatkevich V. M., Turchenko V. A. et al. Investigation of structure, phase composition, and mechanical properties of Zr – 2.5% Nb alloy after ECAP // Materials Letters. 2016. Vol. 169. P. 223–226.
12. Хасанова Г. Ф., Хисамов Р. Х., Сафаров И. М., Мулюков Р. Р. Фазовые превращения наноструктурированного сплава Zr — 2,5 % Nb с различным исходным состоянием // Перспективные материалы. 2011. № 12. С. 540–545.
13. Pérez-Prado M. T., Gimazov A. A., Ruano O. A., Kassner M. E., Zhilyaev A. P. Bulk nanocrystalline -Zr by high-pressure torsion // Scripta Materialia. 2008. Vol. 58. P. 219–222.
14. Edalati K., Horita Z., Yagi S., Matsubara E. Allotropic phase transformation of pure zirconium by high-pressure torsion // Materials Science and Engineering A. 2009. Vol. 523. P. 277–281.
15. Добромыслов А. В., Талуц Н. И. Структура циркония и его сплавов. — Екатеринбург : УрО РАН, 1997. — 228 с.
16. Rogachev S. O., Nikulin S. A., Rozhnov A. B., Gorshenkov M. V. Microstructure, Phase Composition, and Thermal Stability of Two Zirconium Alloys Subjected to High-Pressure Torsion at Different Temperatures // Advanced Engineering Materials. 2018. Vol. 20, Iss. 9. P. 1800151 p.
17. Rogachev S. O., Nikulin S. A., Khatkevich V. M., Gorshenkov M. V., Sundeev R. V. et al. Effect of annealing on structural and phase transformations and mechanical properties of ultrafinegrained E125 zirconium alloy obtained by high-pressure torsion // Materials Letters. 2017. Vol. 206. P. 26–29.
18. Shelekhov E. V., Sviridova T. A. Programs for X-ray analysis of polycrystals // Metal Science and Heat Treatment. 2000. Vol. 42, No. 8. P. 309–313.