Сверхэластичность и механические свойства тонкой проволоки tini после термообработки

Сверхэластичность и механические свойства тонкой проволоки tini после термообработки

Автор: Марченко Е.С., Ковалёва М.А., Хоменко М.Д., Байгонакова Г.А., Дубовиков К.М.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (106) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Сплавы на основе никелида титана активно используются в медицине в качестве имплантатов. Особую популярность получила проволока из никелида, которую применяют для изготовления сетчатых имплантатов, использующихся в рабочих элементах для ортодонтических аппаратов, искусственных связках при разрывах сухожилий и др. Однако, перед производством изделий из проволоки никелида титана последнюю подвергают термообработке для придания нужной формы в процессе обжатия. Многие работы посвящены исследованию отжига проволок толщиной более 1 мм, поэтому целью данной работы будет представление результатов изучения структуры и механических свойств никелидтитановых проволок диаметром 100 мкм, отожженных при 300, 400, 500, 600 °C. Деформационное поведение проволоки исследовалось после испытаний на прочность при растяжении. Полученные кривые растяжения описывают его механические свойства и сверх-эластичность. Поверхность излома проволоки исследовалась на сканирующем электрон-ном микроскопе с энергодисперсионным рентгеновским анализатором. Также проводился фрактографический анализ основных характеристик излома. Установлено, что прочность на разрыв и мартенситное напряжение сдвига уменьшаются с увеличением температуры отжига. Условия отжига, определенные полученными результатами, не подавляют сверх-эластичность проволоки, а придают ей прочность и пластичность, необходимые для медицинских целей. Образцы проволоки, отожженные при 300 и 400°С, демонстрируют схожее сверхэластичное поведение при циклических испытаниях, характеризующихся механическим гистерезисом и 1 % остаточной деформации. Отжиг проволоки толщиной 100 мкм при 500 и 600 °C спровоцировал большую остаточную деформацию после циклических испытаний.

Еще

Никелид титана, сверхэластичность, термический отжиг, структура, механические свойства

Короткий адрес: https://sciup.org/146282997

IDR: 146282997   |   DOI: 0.15593/RJBiomech/2024.4.04

Список литературы Сверхэластичность и механические свойства тонкой проволоки tini после термообработки

  • Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М.А. Жмайло, А.Н. Коваленко // Российский журнал биомеханики. – 2022. – № 4. – С. 19–33.
  • Особенности изготовления и клинического применения пористых имплантатов из титана для лечения травм и заболеваний позвоночника / М.Ю. Коллеров, Е.А. Давыдов, Е.В. Завгородняя, М.Б. Афонина // Российский журнал биомеханики. – 2022. – Т. 26, № 1. – С. 73–84.
  • Otsuka, K. Recent developments in shape memory alloy research / K. Otsuka, X. Ren // Intermetallics – 1999. – Vol. 7. – P. 511–528.
  • Pelton, A.R. The physical metallurgy of nitinol for medical applications / A.R. Pelton, S.M. Russell, J. DiCello // JOM. – 2003. – Vol. 55. – P. 33–37.
  • A review of research, applications, and opportunities for shape memory alloys / J.M. Jani, M. Leary, A. Subic, M.A. Gibson // Mater. Des. – 2014. – Vol. 56. – P. 1078–1113.
  • TiNi-based thin films in MEMS applications: a review. Sens / Y. Fu, H. Du, W. Huang, S. Zhang, M. Hu // Actuator A Phys. – 2004. –Vol. 112, no. 2–3. – P. 395–408.
  • Outcome of TiNi stent treatments in symp-tomatic central airway stenoses caused by aspergillus fumigatus infections after lung transplantation / B.X. Xie, Y.M. Zhu, C. Chen, D.P. Zhao, C.L. Yang, J.A. Ding, G.N. Jiang // Transplant. Proc. – 2013. – Vol. 45, no. 6. – P. 2366–2370.
  • Repair of huge thoracic defect combined with hernia after multimodality treatment of breast cancer / E. Topolnitskiy, T. Chekalkin, E. Marchenko, Y. Yasenchuk // Respir. Med. Case Rep. – 2021. – Vol. 34. – Article no. 101558.
  • Zhentao, Y. Overview of the development and application of biomedical metal materials / ed. Y. Zhentao. – Titanium Al-loys for Biomedical Development and Applications. Am-sterdam: Elsevier. – 2022. – P. 1–26.
  • Drexel, M. The effects of cold work and heat treatment on the properties of nitinol wire / M. Drexel, G. Selvaduray, A. Pelton // ASME. – 2007. – Article no. 38012.
  • Yoon, S.H Phase transformations of nitinol shape memory alloy by varying with annealing heat treatment conditions / S.H. Yoon, D.J. Yeo // Proc. SPIE. – 2004. – No. 5648.
  • A comparative study of elastic constants of Ti-Ni-based alloys prior to martensitic transformation / N. Miura, X. Ren, J. Zhang, K. Otsuka, K. Tanaka // Mater. Sci. Eng. A. – 2001. – Vol. 312. – P. 196–206.
  • On the effect of aging on martensitic transformations in Ni-rich NiTi shape memory alloys / G. Eggeler, J. Khalil-Allafi, S. Gollerthan, C. Somsen, W. Schmahl, D. Sheptyakov // Smart. Mater. Struct. – 2005. – Vol. 14, no. 5. – P. 186–191.
  • Pelton, A.R. Optimisation of processing and properties of medical grade Nitinol wire / A.R. Pelton, J. Dicello, S. Miyazaki // Minim. Invasive Ther. Allied Technol. – 2000. – Vol. 9, no. 2. – P. 107–118.
  • Wang, Z.G. Study of incomplete transformations of near equiatomic TiNi shape memory alloys by DSC methods / Z.G. Wang, X.T. Zu, Y.Q. Fu // Mater. Sci. Eng. A. – 2005. – Vol. 390, no. 1–2. – P. 400–403.
  • Effects of aging temperature and aging time on the mecha-nism of martensitic transformation in nickel-rich NiTi shape memory alloys / I. Kaya, H.E. Karaca, M. Nagasako, R. Kainuma // Mater. Charact. – 2020. – Vol. 159. – Article no. 110034.
  • The effects of heat treatment on the recovery stresses of shape memory alloys / H. Sadiq, M.B. Wong, R. Al-Mahaidi, X.L. Zhao // Smart. Mater. Struct. – 2010. – Vol. 19, no. 3. – Article no. 035021.
  • Sadrnezhaad, S.K. Optimum temperature for recovery and recrystallization of 52Ni48Ti shape memory alloy / S.K. Sadrnezhaad, S.H. Mirabolghasemi // Mater. Des. – 2007. – Vol. 28, no. 6. – P. 1945–1948.
  • Effect of heat treatments on a Ni-Ti alloy sintered by Elec-tro-Sinter-Forging / C. Balagna, A. Fais, K. Brunelli, L. Peruzzo, S. Spriano // J. Alloys Compd. – 2017. – Vol. 72. – P. 338–347.
  • Eggeler, G. Precipitation of Ni4Ti3-variants in a polycrystal-line Ni-rich NiTi Shape Memory Alloy / G. Eggeler, O. Bojda, A. Dloughy // Scr. Mater. – 2005. – Vol. 53. – P. 99–104.
  • Influence of heat treatments on the mechanical properties of high-quality Ni-rich NiTi produced by powder metallurgical methods / J. Mentz, M. Bram, H.P. Buchkremer, D. Stöver // Mater. Sci. Eng. A. – 2008. – Vol. 481–482. – P. 630–634.
  • Otsuka, K. Physical metallurgy of Ti–Ni-based shape memory alloys / K. Otsuka, X. Ren // Prog. Mater. Sci. – 2005. – Vol. 50, no. 5. – P. 511–678.
  • Stockel, D. Medical Uses of Nitinol / D. Stockel, A.R. Pelton, T.W. Duerig // Mater. Sci. Forum. – 2000. – Vol. 327. – P. 63–70.
  • Martensitic Phase Transformation in Ni-rich NiTi single Crystals with One Family of Ni4Ti3 Precipitates / M.C. Carroll, J. Michutta, A. Yawny, C. Somsen, K. Neuking, G. Eggeler // Mater. Sci. Eng. A. – 2004. – Vol. 378. – P. 152–156.
  • Influence of Manufacturing Methods on the Homogeneity and Properties of Nitinol Tubular Stents / D. Orgeas, L. Favier, D. Ferrier, P. Poncin, Y. Liu // J. Phys. IV. – 2001. – Vol. 11. – P. 541–546.
  • Features of deformation behavior of stress-bonded structures made of titanium nickelide under tension / A.A. Kozulin, A.V. Vetrova, M.A. Kovaleva, E.S. Marchenko, V.V. Titova // New materials and technologies: collection of scientific ar-ticles of the X Russian-Kazakh youth scientific and technical conference. – 2022. – Article no. 219.
  • Influence of wire geometry on the mechanical behavior of the TiNi design / G. Baigonakova, E. Marchenko, M. Kovaleva, A. Vorozhtsov // Metals. – 2022. – Vol. 12. – Article no. 1131.
  • Xue, D. The effect of aging on the B2-R transformation be-haviors in Ti-51at%Ni alloy / D. Xue, Y. Zhou, X. Ren // Intermetallics. – 2011. – Vol. 19, no. 11. – P. 1752–1758.
  • On the effect of room temperature ageing of Ni-rich Ni–Ti alloys / S. Kustov, B. Mas, D. Salas, E. Cesari, S. Raufov, V. Nikolaev, J. Van Humbeeck // Scr. Mater. – 2015. – Vol. 103. – P. 10–13.
  • Chang, S.H. Shape memory characteristics of as-spun and annealed Ti51Ni49 crystalline ribbons / S.H. Chang, S.K. Wu, L.M. Wu // Intermetallics. – 2010. – Vol. 18, no. 5. – P. 965–971.
  • Srivastava, A.K. Grain growth and precipitation in an an-nealed cold-rolled Ni50.2Ti49.8 alloy / A.K. Srivastava, D. Schryvers, J. Van Humbeeck // Intermetallics. – 2007. – Vol. 15, no 12. – P. 1538–1547.
  • Dorodeiko, V.G. Heat treatment of TiNi wire used for intrau-terine contraceptives / V.G. Dorodeiko, V.V. Rubanik, S.N. Miliukina // Mater. Sci. Eng. A. – 2008. – Vol. 481–482. – P. 616–619.
  • Nemat-Nasser, S. Superelastic and cyclic response of NiTi SMA at various strain rates and temperatures / S. Nemat-Nasser, W.G. Guo // Mech. Mater. – 2006. – Vol. 38, no. 5–6. – P. 463–474.
  • Yan, X.J. Influence of heat treatment on the fatigue life of a laser-welded NiTi alloy wire / X.J. Yan, D.Z. Yang, X.P. Liu // Mater. Charact. – 2007. – Vol. 58, no. 3. – P. 262–266.
  • Kaieda, Y. Fabrication of composition-controlled TiNi shape memory wire using combustion synthesis process and the in-fluence of Ni content on phase transformation behavior / Y. Kaieda // Sci. Technol. Adv. Mater. – 2003. – Vol. 4, no. 3. –P. 239–246.
  • Surface oxidation of NiTi and its effects on thermal and mechanical properties / A. Mahmud, Z. Wu, J. Zhang, Y. Liu, H. Yang // Intermetallics. – 2018. – Vol. 103. – P. 52–62.
  • Xu, Z. Metal oxidation kinetics and the transition from thin to thick films / Z. Xu, K.M. Rosso, S. Bruemmer // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2012. – Vol. 14, no. 42. – P. 14534–14539.
  • Thickness Effects on the Martensite Transformations and Mechanical Properties of Nanocrystalline NiTi Wires / G.A. Baigonakova, E.S. Marchenko, M.A. Kovaleva, E.A. Chudinova, A.A. Volinsky, Y. Zhang // Nanomaterials. – 2022. – Vol. 12. – Article no. 4442.
  • Bondarev, A.B. Technological scheme and features of the production of fine-gauge wire from TiNi alloys with shape memory effect / A.B. Bondarev, M.A. Khusainov // Bulletin of Novgorod State University. – 2012. – Vol. 68. – P. 119–121.
  • Portable universal tensile testing machine for studying me-chanical properties of superelastic biomaterials / S.V. Gunter, E.S. Marchenko, Y.F. Yasenchuk, G.A. Baigonakova, A.A. Volinsky // Eng. Res. Express. – 2021. – Vol. 3. – Article no. 045055.
  • Localized Plastic Deformation of Superelastic NiTi Wires in Tension / L. Kadeřávek, P. Šittner, O. Molnárová, L. Klimša, L. Heller // Shape Mem. Superelasticity. – 2023. – Vol. 9. – P. 261–279.
  • In-situ synchrotron x-ray diffraction texture analysis of ten-sile deformation of nanocrystalline superelastic NiTi wire at various temperatures / X. Bian, L. Heller, O. Tyc, L. Kadeřávek, P. Šittner // Mater. Sci. Eng. A. – 2022. – Vol. 853. – Article no. 143725.
  • Poletika, T.M. Ti3Ni4 precipitation features in heat-treated grain / subgrain nanostructure in Ni-rich TiNi alloy / T.M. Poletika, S.L. Girsova, A.I. Lotkov // Intermetallics. – 2020. – Vol. 127. – Article no. 106966.
  • Effect of heat treatment temperature on oxidation behavior in Ni–Ti alloy / K.S. Kim, K.K. Jee, W.C. Kim, W.Y. Jang, S.H. Han // Mater. Sci. Eng. A. – 2008. – Vol. 481–482. – P. 658–661.
  • Nolan, M. Density functional theory simulation of titanium migration and reaction with oxygen in the early stages of ox-idation of equiatomic NiTi alloy / M. Nolan, S.A.M. Tofail // Biomaterials. – 2010. – Vol. 31, no. 13. – P. 3439–3448.
  • Study of the evolution of the microstructure of the oxide layer of a thin monolithic wire of an alloy based on titanium nickelide / A.N. Monogenov, S.V. Gunter, J. Kim, T.V. Podoselnikova, J. Kamo, A.V. Proskurin // News of Higher Educational Institutions. Physics. – 2014. – Vol. 57. – P. 64–90.
  • Effect of surface oxidation on detwinning stress and trans-formation temperature of Ti-50Ni shape memory alloy / G. Ji, Z. Zhang, Y. Liu, X. Ding, J. Sun, X. Ren // J. Alloys Compd. – 2008. – Vol. 448, no. 1–2. – P. 171–176.
  • Rapid method for determination of the properties and form changing parameters in titanium nickelide based alloys / V.E. Gunther, V.N. Khodorenko, A.A. Klopotov, A.N. Monogenov, E.S. Marchenko, T.L. Chekalkin // Indus-trial laboratory. Diagnostics of materials. – 2016. – Vol. 82. – P. 60–63.
  • Surface oxidation of NiTi during thermal exposure in flow-ing argon environment / Z. Wu, A. Mahmud, J. Zhang, Y. Liu, H. Yang // Mater. Des. – 2018. – Vol. 140. – P. 123–133.
  • Effect of annealing on deformation-induced martensite stabi-lisation of NiTi / A.S. Mahmud, H. Yang, S. Tee, G. Rio, Y. Liu // Intermetallics. – 2008. – Vol. 16, no. 2. – P. 209–214.
  • The effect of ageing treatment on shape-setting and supere-lasticity of a nitinol stent / X. Liu, Y. Wang, D. Yang, M. Qi // Mater. Charact. – 2008. – Vol. 59, no. 4. – P. 402–406.
  • Stress-induced martensitic transformation in nanometric NiTi shape memory alloy strips: An in-situ TEM study of the thickness/size effect / S.C. Mao, H.X. Li, Y. Liu, Q.S. Deng, L.H. Wang, Y.F. Zhang // J. Alloys Compd. – 2013. – Vol. 579. – P. 100–111.
  • Wu, S.K. A study on the wire drawing of TiNi shape memory alloys / S.K Wu, H.C. Lin, Y.C. Yen // Mater. Sci. Eng. A. – 1996, – Vol. 215, no. 1–2. – P. 113–119.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp