Анализ графиков предельного формоизменения тонких фольг из биоматериала Nickel 200: экспериментальные данные

RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS

Современные сплавы биоматериалов, такие как титановые сплавы (например, Ti6Al4V [1; 2]) и сплавы с эффектом «памяти формы» на основе никелида титана [3; 4], активно применяются в медицине – например, для изготовления имплантов [5] и ортопедических конструкций. Их ключевое преимущество заключается в биосовместимости, высокой прочности и устойчивости к коррозии в агрессивной биологической среде. Благо- даря продуманному подбору легирующих элементов удаётся добиться оптимального баланса между механическими свойствами и способностью материала интегрироваться с живыми тканями — что подтверждается исследованиями механического поведения таких материалов при различных нагрузках [6; 7]. При этом технологии обработки таких сплавов постоянно совершенствуются, чтобы обеспечить точность изготовления сложных форм и соответствие строгим медицинским стандартам: например, активно развиваются аддитив-

0009-0007-9532-0347

0000-0003-2375-959X

0000-0003-3120-4009

Эта статья доступна в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International

License (CC BY-NC 4.0)

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)

ные технологии для создания ячеистых структур [8; 9] и методы микроформовки [10; 11]. Одним из перспективных методов формообразования является штамповка листового металла: она позволяет эффективно производить заготовки и детали из тонких листов биосовмести-мых сплавов с высокой точностью и повторяемостью, минимизируя отходы и сокращая необходимость в последующей механической обработке. Эффективность подобных технологий подтверждается экспериментальными и численными исследованиями процессов микроформовки нержавеющих сталей (например, SS 304 и SS 316L) [10; 11], которые также могут находить применение в биомедицинских задачах.

Штамповка листового металла представляет собой ключевой производственный метод, при котором под действием приложенной силы листовой металл принимает заданную форму без удаления материала, что позволяет изготавливать сложные детали с помощью таких технологий, как гибка, растяжение и глубокая вытяжка [12]. Данный метод особенно востребован в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника, где он позволяет получать легкие, но прочные детали, отличающиеся высокой точностью. Тем не менее, по мере того как промышленные требования развиваются в сторону все более миниатюрных компонентов, традиционные методы формовки сталкиваются с ограничениями при производстве деталей субмиллиметрового масштаба, что требует развития специализированных технологий микроформовки [13]. Микроформовка ставит перед нами особые задачи, которые значительно отличаются от процессов макромасштаба, что в основном объясняется эффектами размера, изменяющими поведение материала при уменьшенных размерах. По мере того как размеры заготовки приближаются к размеру зерен материала, механические свойства демонстрируют анизотропное поведение, а картины деформации становятся все более неоднородными, что приводит к непредсказуемым результатам формовки. Более того, шероховатость поверхности и эффекты трения заметно усиливаются в микромасштабах, что еще больше усложняет процесс формовки и часто приводит к дефектам, таким как уши, трещины и складки, которые влияют на целостность изделия [14].

Для решения этих задач ученые сосредоточили свои усилия на разработке передовых методов микроформовки и специализированного оборудования, способного обеспечить соблюдение строгих технических требований, присущих производству в микромасштабе. В отличие от традиционных процессов формовки, микроформовка не предполагает использования специализированного промышленного оборудования, что обусловливает необходимость создания индивидуальных конфигураций, адаптированных к конкретным задачам. Например, Akhtar Razul Razali и Yi Qin [15] исследовали ключевые проблемы в области микроформовки, а их исследовательская группа разработала высокоточную систему подачи, работающую без механической передачи, что обеспечивает улучшенный контроль над по- током материала во время процесса формовки. Аналогичным образом, Yasunori Saotome et. al [16] исследовали возможности микроглубокой вытяжки, показав, что традиционные модели формования неадекватно предсказывают поведение материала в уменьшенных масштабах, что требует внедрения новых аналитических методологий. Эти достижения подчеркивают критическую важность понимания эффектов размера и анизотропии материала в микроформовке для достижения стабильных и надежных производственных результатов.

Важнейшим инструментом для оценки формуемости, как при традиционной, так и при микромасштабной обработке листового металла, является FLC (кривая предельного формоизменения – forming limit curve ), которая наглядно отображает комбинации минимальной и максимальной главных деформаций, где материал может держать нагрузку вплоть до момента разрушения [17; 18]. Горизонтальная и вертикальная оси обозначают минимальную и максимальную главные деформации, испытываемые исследуемыми образцами, как показано на рис. 1. Область, расположенная выше красной линии, классифицируется как красная зона, обозначающая зону разрушения, в которой может возникнуть любой вид дефекта. И наоборот, область ниже красной линии обозначается как зеленая зона, представляющая собой безопасную зону, в которой разрушение не ожидается, и в пределах этой области материал способен испытывать деформации, не подвергаясь разрушению [19]. Построение FLC может осуществляться с помощью экспериментальных, численных и аналитических методов. В методологической экспериментальной постановке на поверхность заготовки наносится сетка из маленьких окружностей диаметром 1 или 2 мм, при этом расстояние между центрами окружностей остается в пределах одного и того же диапазона размеров. В ходе процесса деформации эти круглые фигуры преобразуются в эллиптические формы в зависимости от заданных траекторий деформации [20]. Из полученных эллипсов можно вычислить как максимальную, так и минимальную главную деформацию, а, используя принцип постоянства объема, после определения поверхностных деформаций можно впоследствии определить толщину. Значения вдоль минимальной и максимальной главных осей деформации, особенно в точках локального растрескивания, можно соотнести с графиком FLC [21]. Область, расположенная выше этой кривой, обозначается как зона разрушения, тогда как область ниже нее классифицируется как безопасная зона. Samuel et al. [22] использовали как экспериментальные, так и численные методы для определения FLC с использованием различных моделей. Численные результаты с использованием метода конечных элементов ( FEA ) получены на MARC K 7.1–3 D с применением определяющих соотношений жестко-пластического течения. Эта численная модель используется для прогнозирования состояния деформации, FLC и распределения толщины листов из высококачественной стали и алюминиевых сплавов,

Рис. 1. Диаграмма FLC (кривая предельного формоизменения – forming limit curve ) [17]

предназначенных для глубокой вытяжки. Muhammad Ali Ablat и Ala Qattawi [23] провели всесторонний обзор численных моделей, относящихся к процессу формования листового металла. Они проанализировали достижения в области методов моделирования, а также их преимущества и недостатки. Использовали две категории экспериментальных методов: тест Марчиниака (испытание с плоским пуансоном) и тест Накадзимы (испытание с полусферическим пуансоном). Faramarz Djavanroodi и Ali Derogar провели оценку FLC для листов из титана Ti 6 Al 4 V и алюминиевого сплава A l6061- T 6 [2].Влияние технологических параметров на FLC было проанализировано и смоделировано с использованием ABAQUS / Standard . Теоретические модели FLC Hill-Swift и NADDRG ( North american deep drawing research group ) используются для определения начала разрушения в рамках метода конечных элементов, что демонстрирует превосходную прогнозирующую способность модели Hill-Swift . Ряд исследователей также установили пределы формования для тонких листов. Авторы статьи [20] получили FLC для стальных листов толщиной 200 мкм, дополнительно исследуя влияние размера круговой сетки, ориентации листа, размеров пуансона и скорости деформации. В том же духе Jambeswar Sahu и Sushil Mishra внесли вклад в область микродеформирования с помощью испытания на предельную высоту купола [24].

Цель исследования заключается в изучении способности биоматериала nickel 200 принимать форму с использованием одного из методов исследования, а именно FLC. Толщина биоматериала, использованного в настоящем исследовании, составляет 50 микрон. Методологический подход, принятый для исследования, является экспериментальным и использует тест Накадзимы со стандартными размерами образцов в соответствии со стандартами ASTM-2218-14, при этом результаты валидируются с численной моделью. Устройство, разработанное для проведения экспериментов, имеет полусферическую головку диаметром 4 мм. Микроструктурные исследования проводились с использованием как оптической микроскопии, так и сканирующей электронной микроскопии, причем результаты этих анализов раскрывают характеристики формуемости материала. Разработан и изготовлен инновационный инструмент для облегчения проведения экспериментов в соответствии с тестом Накадзимы. Исследование направлено на определение FLC для Ni200 и подтверждение поведения материала посредством микроструктурного анализа.

Материалы и методы

Nickel 200

Nickel 200 – это сплав, отличающийся составом из коммерчески чистого никеля, который ценится за исключительные механические свойства и устойчивость к коррозионным средам, что делает его пригодным для широкого спектра промышленных применений. Он особенно востребован в условиях, требующих устойчивости к воздействию щелочных растворов, о чем свидетельствует его использование в нефтехимической отрасли. Тем не менее, его эффективность может варьироваться в зависимости от конкретных параметров окружающей среды и применяемых технологических процессов. Nickel 200 демонстрирует превосходную коррозионную стойкость в щелочных средах по сравнению со сталью, покрытой химическим никелем, со скоростью коррозии от 4,7 до 5,2 мкм/год при 25°C и от 7,0 до 9,9 мкм/год при 85°C, что ниже, чем у сталей с покрытием [26]. Nickel 200 используется в сердечнососудистых имплантатах благодаря способности стиму- лировать рост эндотелиальных клеток, снижая образование тромбов. Химический состав Nickel 200 приведен в табл. 1.

Эксперимент

Для определения FLC будут использованы шесть траекторий деформации, характеризующих пластическое разрушение. В данном разделе представлены подробности проведения эксперимента, включая подготовку испытательных образцов, проектирование и настройку микроформовочного оборудования, а также процедуры, соблюдавшиеся в ходе испытаний. Траектории деформации включают одноосное, промежуточное одноосное, плоское, двухосное и промежуточное двухосное деформирование.

Подготовка образцов

Образцы подготовлены с использованием нанесения круговой сетки. Круговая сетка наносится с помощью метода электрохимического травления. При этом методе используется трафарет для маркировки, имеющий круглое отверстие диаметром 1 мм и расстояние 2 мм между соседними отверстиями. В ходе основной процедуры травления с помощью трафарета на материал наносится круговая сетка, как показано на рис. 2. В ходе экспериментального процесса листовой металл подвергается деформации, в результате чего круговые сетки принимают эллиптическую форму. Эта деформация позволяет определить минимальную и максимальную главные деформации, которые необходимы для построения FLC

Таблица 1

Химический состав Ni 200

Элемент Состав, % Ni ≥ 99 Fe ≤ 0,40 Mn ≤ 0,35 Si ≤ 0,35 Cu ≤ 0,25 C ≤ 0,15 S ≤ 0,010 материала. Для придания образцу требуемой формы используется EDM (метод электроэрозионной обработки – electrical discharge machining) с резанием проволокой. Определенная геометрическая конфигурация, необходимая для проведения экспериментов, соответствует стандарту ASTM 2218-14. Стандарт ASTM 2218-14 служит руководством для построения FLC различных материалов с помощью образцов определённой формы и размеров. Этот стандарт широко используется многими исследователями для выявления характеристик формуемости материалов посредством проведения специальных испытаний. Anil Mashalkar et al. [26] изложили результаты своих исследований тонких латунных пластин, соответствующих стандарту ASTM 2218-14 для толщины листа 100 микрон. Gyan Patel et al. [27] разъяснили и описали методологию построения FLC тонкой пластины из альфа-латуни. Диаметр всех образцов составляет 10 мм. В настоящем исследовании образцы подготовлены в соответствии с тестом Накадзима, как показано на рис. 3.

Настройка оборудования для проведения экспериментов

Разработана и изготовлена новая специализированная установка, предназначенная для проведения экспериментов по микроформовке, как показано на рис. 4. Установка состоит из двух комплектов штампов, а именно верхнего и нижнего штампов, с промежуточной полостью, предназначенной для размещения фрикционных или прижимных пластин, а также пространством

Двуосное

Плоское

Одноосное промежуточное

Одноосное

Двуосное промежуточное

Рис. 3. Подготовка испытательного образца для теста Накадзимы

Рис. 2. Образец с нанесенной сеткой

Рис. 5. Конфигурация специализированной установки

Рис. 4. Специализированная установка, разработанная для микроформовки

для образца. Устройство специально разработано с полусферической головкой диаметром 4 мм, в то время как диаметр наборов штампов составляет 4,5 мм. В качестве крепежных элементов для надежного соединения верхнего и нижнего штампов используются болты. Четыре внутренних болта служат для увеличения давления, оказываемого на прижимные пластины, что позволяет эффективно зафиксировать заготовку на месте. Заготовка стратегически располагается между прижимной пластиной и штампами.

Вся установка закреплена на универсальной испытательной машине грузоподъемностью 5 кН для проведения испытания по тесту Накадзима. Скорость перемещения траверсы на время проведения экспериментов настроена в диапазоне от 0,4 до 1,2 мм/мин. На рис. 5 показана установка в сборе.

Экспериментальное исследование

Оценка, проведенная в соответствии со стандартом ASTM 2218-14, а именно тест Накадзимы, выполнен на шести образцах. Использованные образцы были предварительно обработаны с нанесением круговой сетки с помощью EDM , как показано на рис. 3. Каждый образец прошел процесс, способствующий образованию единичной трещины на этапе деформации. В областях, где присутствовали трещины, были проведены измерения как максимальной, так и минимальной главных деформаций с использованием системы визуального измерения для повышения точности. Измерения были специально направлены на места, где появилось сужение. Максимальные и минимальные главные деформации определялись на соответствующих осях вблизи области сужения. Используя формулу для расчета деформации как отношения изменения длины к исходной длине, получены как максимальные, так и минимальные главные деформации. Эта методология играет важную роль в построении FLC для материала. Деформированные образцы показаны на рис. 6.

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение является принципиально необходимым для определения внутренних свойств материала. Данные, полученные в результате проведен- ного испытания на растяжение, дают важную информацию о характеристиках материала, включая предел прочности при растяжении, относительное удлинение и угловое смещение при разрушении. Эта информация необходима в качестве входных данных для моделирования, используемого при реализации вышеупомянутой методики. Образец, используемый для испытания на растяжение, тщательно подготавливается в соответствии со стандартом ASTM E8/E8M-13a [28], представленным на рис. 7. При подготовке образца к испытанию на растяжение используется EDM с резанием проволокой для уменьшения концентрации напряжений. Оценка проводилась с использованием универсальной испытательной машины грузоподъемностью 5 кН, оснащенной специальным приспособлением, предназначенным для надежного удержания образца. Испытание проводилось с использованием тензодатчика 1500 Н при температуре 25°C, скорости 3 мм/мин и допустимой длине 25 мм. Максимальное удлинение составило 1,88 %.

Конечно-элементное моделирование

Конечно-элементное моделирование распределения полей деформаций и геометрии заготовки может значительно повысить точность прогнозов появления деформации. Благодаря применению метода конечных элементов численные модели стали преобладающей методологией в этой области. Такой подход позволит получить ценную информацию о процессе без необходимости проведения долгих экспериментальных испытаний.

Анализ микродеформаций проводился в Abaqus . Модель состояла из инструмента, двух зажимных пластин и образца. Образец был надежно зажат между двумя зажимными пластинами для обеспечения надлежащей фиксации и выравнивания во время процесса прессования. Пластические деформации имеют существенное значение и учитываются с применением критерия пластического разрушения. Характеристики материала, введенные в программу, включая плотность, предел текучести, коэффициент Пуассона и критерий разрушения FLC , были получены на основе результатов испытания на растяжение. Параметры теста Накадзимы для двухосной деформации в направлении прокатки 0° представлены в табл. 2. Максимальная и минимальная главные деформации, учитывающие пути деформирования для направления прокатки 0°, приведены на рис. 9.

Одноосное Одноосное промежуточное     Плоское

Двуосное промежуточное

Двуосное

Рис. 6. Сформированные образцы после испытания по тесту Накадзимы для всех вариантов деформации

Параметр	Образец наименьшего размера, мм
G – длина измеряемой части	25,0 ± 0,1
W – ширина	6,0
T – толщина	6,0 ± 0,1
L – общая длина	100,0
R – радиус скругления	6,0
A – длина уменьшенной части	32,0
B – длина части сцепления	30,0
С – ширина части сцепления	10,0

Рис. 7. Стандартный образец для испытания на растяжение в соответствии со стандартом ASTM E 8 /E 8 M– 13 a

Результаты и обсуждение

Экспериментально исследованы траектории деформации для всех трёх вариантов образцов (0°, 45°, 90°), по шесть штук на каждый. Минимальная и максимальная главные деформации фиксировались с помощью системы визуального измерения. У каждого образца своя точка на графике деформации, которые в совокупности формируют экспериментальную FLC для материала Nikel 200. На основе зарегистрированных данных о деформации построена экспериментальная FLC со ссылкой на табл. 3.

О" 45°        90°

Рис. 8. Образцы для испытания на растяжение тонкой пластины Nickel 200

Таблица 2

Параметры эксперимента для моделирования испытаний по методу Накадзимы

Параметр	Значение
Диаметр полусферического пуансона, мм	4
Внутренний диаметр донного штампа, мм	4,25
Толщина двухосного образца, мм	0,05
Скорость пуансона, мм/мин	2
Размер заготовки, мм	3

Максимальная главная

Минимальная главная

Вид сжатия

Максимальная главная деформация

Минимальная главная деформация

Вид сжатия

деформация

деформация

Рис. 9. Величины максимальной и минимальной главных деформаций при направлении прокатки 0°

Параллельно с этим для каждой траектории деформации были проведены расчеты с использованием программы Abaqus . Значения минимальной и максимальной главных деформаций, полученные в результате анализа, приведены в табл. 3. Затем, на основе собранных данных построены графики экспериментальной и расчетной кривых линейной упругости FLC для стали Nikel 200. Сравнение экспериментальных и теоретических FLC показывает сильную корреляцию, что свидетельствует о хорошей согласованности между двумя методами. Комбинированные FLC , полученные с помощью экспериментального и численного подходов, представлены на рис. 10.

На рис. 5, представленном в исследовании, показаны кривые FLC для никелевых листов толщиной 50 мкм с различной ориентацией направления прокатки. Рассматривались ориентации 0°, 45°, 90°. Кривые FLC показывают зависимость между приложенным напряжением и деформацией, при которой происходит разрушение, для каждой ориентации. Результаты показывают: при ориентации под углом 0° относительно направления прокатки кривые пределов разрушения проходят при максимальных главных напряжениях. Это свидетельствует о том, что сопротивление материала разрушению выше, когда приложенное напряжение совпадает с направлением прокатки. С другой стороны, отклонение ориентации от направления прокатки может привести к снижению сопротивления разрушению, о чем свидетельствуют минимальные кривые пределов разрушения при более высоких напряжениях. В целом, исследование дает ценную информацию о влиянии толщины и направления прокатки на кривые FLC тонких никелевых листов. Эти результаты могут быть полезны для оптимизации процессов формовки, обеспечения безопасной и эффективной деформации материала и предотвращения     разрушения     во     время производственных операций.

Заключение

Исследование по оценке формуемости с помощью кривой FLC для фольги из Ni 200 толщиной 50 микрон проведено с использованием как эмпирических, так и численных методов. В эмпирическом подходе использовался тест Накадзимы, а численный подход был реализован с помощью решателя Abaqus . Полученные с помощью обоих методов кривые FLC продемонстрировали значительное совпадение, что позволило

Таблица 3

Экспериментальные и численные значения всех шести случаев деформации для пластины Nickel 200 толщиной 50 мкм

Угол поворота, °	Образец	Средняя минимальная главная деформация		Средняя максимальная главная деформация
		Эксперимент	Модель	Эксперимент	Модель
0	Одноосное	–0,2251	–0,20259	0,43313	0,3839
	Одноосное промежуточное I	–0,14513	–0,13061	0,3213	0,2827
	Одноосное промежуточное II	–0,06813	–0,05995	0,24581	0,2156
	Плоское	0,02158	0,01899	0,18334	0,1650
	Двуосное промежуточное	0,1584	0,14256	0,37012	0,3257
	Двуосное	0,3106	0,27332	0,48027	0,4226
45	Одноосное	–0,1972	–0,17748	0,45319	0,3988
	Одноосное промежуточное I	–0,14365	–0,12641	0,3817	0,34353
	Одноосное промежуточное II	–0,0501	–0,04408	0,3354	0,30186
	Плоское	0,01534	0,01349	0,24517	0,21575
	Двуосное промежуточное	0,16547	0,14892	0,3652	0,3213
	Двуосное	0,30917	0,244896	0,50153	0,4449
90	Одноосное	–0,2251	–0,20259	0,45139	0,4062
	Одноосное промежуточное I	–0,14513	–0,13286	0,34572	0,3111
	Одноосное промежуточное II	–0,06813	–0,05995	0,2971	0,2674
	Плоское	0,02158	0,01985	0,26518	0,2334
	Двуосное промежуточное	0,1584	0,14256	0,38135	0,3432
	Двуосное	0,3106	0,27333	0,4751	0,4181

a

Минимальная главная деформация

Рис. 10. Кривая предельного формоизменения для углов поворота: a – 0°, б – 45°, в – 90° установить важный ориентир для ученых, занимающихся проектированием и моделированием компонентов в сфере микроформовки, с особым акцентом на применения в биомедицинской области. Инструменты, приспособления и образцы были тщательно спроектированы и изготовлены в соответствии с установленными стандартами.