Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом
Исследованы образцы порошкового титана пористостью 0,05―0,40, полученные холодным прессованием и последующим спеканием в вакууме при температурах 573 и 773 К. Получены экспериментальные зависимости скорости распространения продольной акустической волны и модуля волны сжатия от пористости. Установлен...
Saved in:
| Published in: | Современные проблемы физического материаловедения |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28638 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом / А.В. Вдовиченко, Г.А. Мешкова, В.А. Назаренко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 145-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28638 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Вдовиченко, А.В. Мешкова, Г.А. Назаренко, В.А. 2011-11-15T16:49:41Z 2011-11-15T16:49:41Z 2008 Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом / А.В. Вдовиченко, Г.А. Мешкова, В.А. Назаренко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 145-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28638 620.179:620.22 Исследованы образцы порошкового титана пористостью 0,05―0,40, полученные холодным прессованием и последующим спеканием в вакууме при температурах 573 и 773 К. Получены экспериментальные зависимости скорости распространения продольной акустической волны и модуля волны сжатия от пористости. Установлено наличие анизотропии свойств упругости в зависимости от направления прессования образцов. ru Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України Современные проблемы физического материаловедения Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| spellingShingle |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом Вдовиченко, А.В. Мешкова, Г.А. Назаренко, В.А. |
| title_short |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| title_full |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| title_fullStr |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| title_full_unstemmed |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| title_sort |
исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом |
| author |
Вдовиченко, А.В. Мешкова, Г.А. Назаренко, В.А. |
| author_facet |
Вдовиченко, А.В. Мешкова, Г.А. Назаренко, В.А. |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современные проблемы физического материаловедения |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України |
| format |
Article |
| description |
Исследованы образцы порошкового титана пористостью 0,05―0,40, полученные холодным прессованием и последующим спеканием в вакууме при температурах 573 и 773 К. Получены экспериментальные зависимости скорости распространения продольной акустической волны и модуля волны сжатия от пористости. Установлено наличие анизотропии свойств упругости в зависимости от направления прессования образцов.
|
| issn |
XXXX-0073 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28638 |
| citation_txt |
Исследование упругости пористого титана акустическим неразрушающим методом / А.В. Вдовиченко, Г.А. Мешкова, В.А. Назаренко // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 145-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vdovičenkoav issledovanieuprugostiporistogotitanaakustičeskimnerazrušaûŝimmetodom AT meškovaga issledovanieuprugostiporistogotitanaakustičeskimnerazrušaûŝimmetodom AT nazarenkova issledovanieuprugostiporistogotitanaakustičeskimnerazrušaûŝimmetodom |
| first_indexed |
2025-11-25T23:56:21Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:56:21Z |
| _version_ |
1850585760552452096 |
| fulltext |
УДК 620.179:620.22
Исследование упругости пористого титана
акустическим неразрушающим методом
А. В. Вдовиченко, Г. А. Мешкова, В. А. Назаренко
Исследованы образцы порошкового титана пористостью 0,05―0,40, полученные
холодным прессованием и последующим спеканием в вакууме при температурах
573 и 773 К. Получены экспериментальные зависимости скорости
распространения продольной акустической волны и модуля волны сжатия от
пористости. Установлено наличие анизотропии свойств упругости в
зависимости от направления прессования образцов.
Введение
Титан и его сплавы, в том числе изготовленные из порошков, широко
используются в качестве материалов специального назначения. Технически
чистый титан удовлетворяет требованиям, предъявляемым к химическим и
механическим свойствам материалов биомедицинского назначения. Он
обладает более высокой удельной прочностью, более низкой жесткостью,
лучшей коррозионной стойкостью в биологической среде по сравнению с
нержавеющей сталью и сплавами на основе хрома и кобальта [1, 2].
Применение металлических имплантатов в ортопедической хирургии
ограничивается тем, что модули упругости металлов в 10―20 раз выше
модуля упругости кости, что может привести к разрушению костной
ткани. Использование пористых материалов позволяет получить дополни-
тельные преимущества, а именно уменьшить модуль упругости материала
имплантата до величин, сопоставимых с модулем упругости костных
тканей, и улучшить сцепление имплантата с костью. Еще одним
преимуществом пористых материалов является возможность “прораста-
ния” костной ткани через поры. Поэтому в последнее время неизменным
остается интерес отечественных и зарубежных исследователей к
получению пористых титановых материалов, в том числе методами
порошковой металлургии [3, 4].
Настоящая работа посвящена исследованию скорости распростра-
нения акустической волны в материалах с различной пористостью,
изготовленных из титанового порошка, на ранних стадиях их
консолидации. Скорость звука напрямую связана с модулями упругости
материала, поэтому полученные данные могут быть использованы при
мониторинге имплантатов in-vivo. В то же время исследования изменения
скорости распространения упругой волны в зависимости от техноло-
гических параметров позволяют получить информацию о процессах
формирования структуры и свойств порошковых материалов на разных
стадиях их изготовления [5, 6].
Исследуемые материалы и методика эксперимента
Исследовали материалы, полученные из титанового порошка марки
ПТЭС различных фракций. Образцы готовили двухсторонним прессова-
© А. В. Вдовиченко, Г. А. Мешкова, В. А. Назаренко, 2008
145
нием в закрытой пресс-форме без ограничителя. Давление прессования
изменяли от 100 до 800 МПа. При этом в зависимости от давления
прессования пористость образцов изменялась от 0,05 до 0,4. Подробно
технология получения материалов описана в работе [3].
Влияние пористости и размера частиц порошка на характеристики
упругости сырых прессовок изучали на цилиндрических образцах диаме-
тром 11,3 и высотой 10 мм. Исследованы три партии образцов,
изготовленных прессованием порошка различных фракций: -630+500,
-500+315 и -315+200 мкм.
Влияние температуры спекания на акустические характеристики
определяли на образцах из порошка тех же фракций, а также из
полифракционного порошка -630 мкм. Образцы представляли собой
стержни прямоугольного поперечного сечения длиной l = 45 мм, шириной
b = 7 мм и высотой h = 3―5 мм. Давление прессования было направлено
по оси h. Измерения проводили на образцах трех партий: одну партию
составляли сырые прессовки, а две другие ― образцы, спеченные после
прессования в вакууме при температурах 573 и 773 К соответственно.
Скорость распространения продольной акустической волны
определяли методом сквозного прозвучивания. Метод состоял в том, что
исследуемый образец помещали между двумя ультразвуковыми
преобразователями, один из которых излучал импульсы частотой 0,6 МГц.
Другой преобразователь принимал прошедший через образец импульс, а
скорость распространения продольной акустической волны Vl
рассчитывали по измеренному пути и времени прохождения импульса.
Подробно экспериментальная установка и особенности выбора
параметров используемых измерительных преобразователей описаны в
работе [6]. В качестве иммерсионной жидкости, обеспечивающей
акустический контакт между преобразователями и образцом,
использовали воду. Для предотвращения попадания жидкости в поры
перед измерением на грани образцов наклеивали тонкую полимерную
пленку. Схема, изображающая направления, в которых производили
измерения, по отношению к направлению усилия прессования приведена
на рис. 1. Определяли скорость распространения волны Vl
h в направлении
оси прессования (направление h на рис. 1) и скорость Vl
b в
перпендикулярном ему направлении (направление b).
Результаты и их обсуждение
Результаты определения характеристик упругости на цилиндрических
образцах исследуемых материалов приведены на рис. 2. Как видно
(рис. 2, а), скорость распространения продольной акустической волны в
направлении прессования в цилиндрических прессовках при увеличении
пористости от 0,1 до 0,2 в целом убывает. Однако с увеличением
Рис. 1. Направления усилия
прессования и измерения скорости
акустической волны в стержневых
образцах.
l
Прессование
h
b
146
Рис. 2. Скорость распространения продольной упругой волны (а) и модуль
волны сжатия (б) в направлении прессования цилиндрических образцов из
титанового порошка фракций -630+500 (○), -500+315 (∆), -315+200 мкм (□)
в зависимости от пористости.
а б
пористости возрастает разброс экспериментальных данных. В материалах по-
ристостью 0,1 среднее значение скорости звука составляет lV = 1241 м/с, а
среднее квадратическое отклонение (СКО) ― s0,1 = 40 м/с. С увеличением
пористости до 0,15 среднее значение скорости убывает до lV =
= 1075 м/с, в то время как СКО удваивается и составляет s0,15 = 87 м/с.
Дальнейшее увеличение пористости на 0,05 снова приводит к удвоению
СКО ― до s0,20 = 167 м/с. Среднее значение измеренных скоростей
в материале пористостью 0,2 при этом превышает таковое в более
плотных материалах и составляет lV = 1133 м/с.
Несмотря на небольшое количество образцов в каждой группе, можно
сделать вывод о вероятном существовании зависимости между размером
порошка и скоростью звука в прессовке. Однако, учитывая довольно
значительный разброс экспериментальных точек, этот вопрос нуждается в
дополнительных исследованиях. Отметим только, что авторы монографии
[5] наблюдали экстремальный характер зависимости скорости акусти-
ческой волны от гранулометрического состава порошкового железа в
диапазоне пористостей 0,1―0,25.
Расчет скорости ультразвука в компактном титане по формуле [7]
2/1
000
00
0 )21()1(
)1(
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ν−⋅ν+⋅ρ
ν−⋅
=
EVl (1)
с учетом известных из справочников данных о плотности ρ0, модуле
Юнга E0 и коэффициенте Пуассона ν0 компактного титана дает значение
Vl0 = 6410 м/с. Как видно, скорость продольной упругой волны в
прессовках пористостью 0,1 составляет 19% таковой в компактном титане.
Из формулы (1) следует, что скорость распространения продольной
упругой волны Vl зависит от двух модулей упругости материала и,
следовательно, невозможно рассчитать модуль Юнга по результатам
измерения одной акустической характеристики. Однако экспериментально
определить другую акустическую характеристику прессовок ― скорость
распространения сдвиговой волны ― не удалось из-за большого затухания
этого типа волны в слабоконсолидированных пористых материалах.
147
Анализ формулы (1) показывает, что, кроме характеристик упругости,
на скорость Vl влияет плотность материала ρ. Причем если увеличение
пористости, с одной стороны, снижает плотность, что должно приводить к
повышению скорости звука, то, с другой стороны, оно уменьшает модуль
Юнга, что ведет к снижению Vl. Экспериментальные данные о влиянии
пористости на коэффициент Пуассона противоречивы. Для того чтобы
выделить из полученных нами экспериментальных данных информацию
об упругости исследованных материалов, был рассчитан так называемый
модуль волны сжатия или продольно-волновой модуль:
ρ⋅=
ν−⋅ν+
ν−⋅
= 2
)21()1(
)1(
lVEM , (2)
где Vl и ρ ― экспериментально определенные скорость распространения
продольной упругой волны и плотность материала соответственно.
Сравнение значений, приведенных на рис. 2, б, с рассчитанным
модулем волны сжатия компактного титана M0 = 173 ГПа показывает, что
эта характеристика исследованных цилиндрических прессовок составляет
1,7―3,8% от M0.
Результаты определения скорости распространения продольной
упругой волны вдоль и поперек направления прессования (направления h
и b на рис. 1 соответственно) для материалов разных пористостей,
изготовленных из порошка различных фракций, приведены на рис. 3.
Измерения в обоих направлениях проводили на одних и тех же образцах.
Как видно из рис. 3, скорость звука в образцах, спеченных при 773 K,
пористостью 0,05―0,1 близка к скорости звука во влажной бедренной
кости, которая составляет 3000 м/с [8].
Полученные результаты свидетельствуют об анизотропии материала
исследованных образцов ― скорость распространения продольной
упругой волны в направлении прессования Vl
h (рис. 3, а) меньше скорости
распространения продольной упругой волны поперек направления
прессования Vl
b (рис. 3, б) как для сырых прессовок, так и для частично
спеченных образцов. Сравнение этих результатов с данными,
приведенными на рис. 2, а, показывает, что скорости Vl
h сырых прессовок
близки к скорости ультразвука, измеренной на цилиндрических образцах
соответствующей пористости в направлении прессования, но все же
несколько превышают их.
Подобную анизотропию экспериментально наблюдали и другие
авторы. В работе [5] приведены данные о того же рода анизотропии
скорости распространения упругой волны в ряде пористых порошковых
материалов: железе, железохромовой и железографитовой композициях.
Этот эффект объясняется особенностью расположения контактов между
деформированными в процессе прессования частицами, а также
разрушением контактных площадок, образовавшихся при прессовании
вследствие упругого последействия при снятии прессующей нагрузки.
Следует отметить, что наличие таких разрушенных контактных площадок,
которые фактически являются плоскостными порами, ведет к
нелинейности деформирования материала при прохождении упругой
волны, а также к рассеянию энергии вследствие трения в этих
разрушенных контактах. В результате этого происходит сильное затухание
упругой волны в порошковых, в особенности в слабоспеченных, материа-
148
Рис. 3. Зависимость скорости распространения продольной акустической
волны вдоль (а) и поперек (б) направления прессования стержневых
прессовок (□) и спеченных при 573 (○) и 773 K (■, ●) образцов из
титанового порошка фракций -630+500 (○); -630 (●) и -315+200 (□, ■).
ба
лах. Полагаем, что еще одной причиной анизотропии упругости
исследуемых материалов может быть градиент плотности по толщине
образца, обусловленный трением частиц порошка о стенки пресс-формы
при прессовании.
Поскольку усадка при спекании исследуемых материалов практически
отсутствовала, именно по изменению характеристик упругости можно судить
о консолидации. Как отмечалось ранее, анализ изменения характеристик
упругости материалов с различной пористостью при повышении
температуры спекания по скорости распространения продольной упругой
волны осложняется тем фактом, что на скорость ультразвука влияет еще и
плотность (пористость) материала. Для выявления особенностей
консолидации материалов разной пористости на начальных стадиях спекания
оценивали модуль Юнга E исследованных материалов (рис. 4). При расчетах
полагали, что коэффициент Пуассона ν, входящий в формулу (2),
связывающую скорость Vl и модуль Юнга, изменяется с пористостью по
закону , где ν0 ― коэффициент Пуассона компактного титана, а
θ ― пористость. Следует подчеркнуть, что приведенные результаты являются
оценкой, поскольку неизвестно, насколько использованная зависимость
отражает изменение с пористостью коэффициента Пуассона слабо-
консолидированных порошковых материалов.
)1(0 θ−ν=ν
Представленные на рис. 4 результаты позволяют сделать ряд
заключений о протекании процесса спекания титанового порошка. Во-
первых, при температуре 573 K спекания не происходит и модуль
упругости образцов остается на уровне сырой прессовки. С повышением
температуры спекания до 773 K модуль Юнга исследованных материалов
увеличивается, однако этот эффект проявляется при пористостях до 0,2.
Спекание при данной температуре более пористых материалов не
приводит к заметному росту их упругости. На рис. 4 приведены также
аппроксимирующие кривые для полифракционного титана, спеченного
при 773 K (сплошная линия), и для прессовок, изготовленных из порошка
фракции -315+200 мкм (прерывистая линия). Как видно, разница в
значениях модулей Юнга неспеченных и спеченных при 773 K материалов
увеличивается с уменьшением пористости. Экстраполяция на нулевую
149
Рис. 4. Зависимость модуля Юнга поперек
направления прессования стержневых
прессовок (□) и спеченных при 573 (○) и
773 K (■, ●) образцов, из титанового
порошка фракций -630+500 (○), -630 (●)
и -315+200 мкм (□, ■).
пористость дает значения Еh
* = 20 ГПа
для прессовок и 50 ГПа для
частично спеченных материалов.
Поскольку усадка при спекании
практически отсутствует, консоли-
дация происходит лишь за счет
процессов, не требующих большого массопереноса, а именно
формирования совершенных металлических связей в области
деформированных контактов между частицами (плоскостных пор).
Повышение относительной площади плоскостных пор при увеличении
относительной плотности заготовки и может являться причиной отме-
ченной активации спекания.
Выводы
Скорость распространения продольной упругой волны в образцах
материалов пористостью 0,05―0,1, спеченных при температуре 773 К,
близка к скорости распространения ультразвука в бедренной кости.
Как прессовкам, так и спеченному материалу присуща анизотропия
характеристик упругости, которая может быть вызвана как наличием
плоскостных пор, так и градиентом пористости по толщине образца.
Характеристики упругости после спекания при температуре 573 К не
изменяются. После спекания при температуре 773 К повышается
упругость, величина ее зависит от пористости: при малых пористостях
модуль Юнга увеличивается в 1,5―2 раза, в то время как при пористости
0,3 изменений характеристик упругости не наблюдалось. Этот эффект
объясняется особенностями формирования контактов между частицами.
1. Oh I. H., Nomura N., Masahashi N., Hanada S. Mechanical properties of porous titanium
compacts prepared by powder sintering // Scripta Mater. ― 2003. ― 49. ― P. 1197―1202.
2. Erk K. A., Dunand D. C., Shull K. R. Titanium with controllable pore fractions by
thermoreversible gelcasting of TiH2 // Acta Mater. ― 2008. ― 56. ― P. 5147―5157.
3. Борисовская Е. М., Назаренко В. А., Подрезов Ю. Н. и др. Механические свойства
порошкового титана на разных стадиях его получения. I. Кривые уплотняемости заготовок
из титанового порошка // Порошковая металлургия. ― 2008. ― № 7/8. ― С. 43―53.
4. Ryan G. E., Pandit A. S., Apatsidis D. P. Porous titanium scaffolds fabricated using a rapid
prototyping and powder metallurgy technique // Biomaterials. ― 2008. ― 29. ―
P. 3625―3635.
5. Роман О. В., Скороход В. В., Фридман Г. Р. Ультразвуковой и резистометрический
контроль в порошковой металлургии. ― Минск: Выш. школа, 1989. ― 182 с.
6. Безымянный Ю. Г., Вдовиченко А. В., Кузьменко В. А. Некоторые результаты
акустических исследований материалов, изготовляемых методами порошковой
металлургии. ― Киев, 1994. ― 64 с. ― (Преп. / Ин-т пробл. материаловедения НАН
Украины).
7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: В 10-ти т. Т. VII. Теория
упругости. ― М.: Наука, 1987. ― 248 c.
8. Lakes R., Yoon H. S., Katz J. L. Ultrasonic wave propagation and attenuation in wet bone //
J. Biomed. Eng. ― 1986. ― 8. ― P. 143―148.
150
|