مـروری بر مهمترین روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید تیتانیـوم
الموضوعات :
فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
سیدمحمدرضا سده ئی
1
,
محمدرضا مرکی
2
,
علی جلالی
3
,
هادی ایزدی
4
1 - دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 - استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
3 - دانش‌آموخته کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
4 - دانش‌آموخته کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
تاريخ الإرسال : 10 السبت , جمادى الثانية, 1445
تاريخ التأكيد : 26 الأربعاء , رجب, 1445
تاريخ الإصدار : 05 الأحد , محرم, 1445
الکلمات المفتاحية:
اکستروژن برشی ساده,
تغییر شکل پلاستیک شدید,
اتصال نورد تجمعی,
تیتانیوم,
ایکپ,
ملخص المقالة :
چکیده
مقدمه: در طی سالهای اخیر، مطالعه تغییرشکل پلاستیک شدید بر اساس فرآیندهای مناسب برای ورق و مواد جامد انجام شده است. با توجه به ضعف برخی خواص و کاربردهای مهم فلز تیتانیوم، این روشها موضوعی جذاب برای افزایش راندمان این فلز کاربردی تلقی می شود. بنابراین، تلاش‌هایی برای بررسی و توسعه فرآیندهای تغییرشکل پلاستیک شدید موثر و مناسب برای تولید نمونه های تیتانیومی صورت گرفته است. تغییرشکل پلاستیک شدید به عنوان روش اصلی برای تولید مواد بسیار ریزدانه و نانوساختار با استحکام و سختی بالا شناخته شده است. مطالعه حاضر در مورد بررسی جدیدترین روش‌های این خانواده مناسب برای تولید نمونه های تیتانیومی نانوساختار با دانه‌های فوق‌ریز است. این مطالعه همچنین تأثیر برخی از مهمترین روش‌های مختلف تغییرشکل پلاستیک شدید را بر خواص تیتانیوم نشان و با مقایسه بین آن ها بر اساس مزایا و معایب روش های تغییرشکل پلاستیک شدید بر اساس دیدگاه پردازش و خواص انجام می شود.
یافته ها: دما، سرعت روانکاری مناسب 3 عامل اساسی و مهم برای تغییر شکل پلاستیک شدید فلز تیتانیوم است. فراوانی استفاده از سه روش فوق برای فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن به ترتیب شامل روش های ایکپ، اتصال نورد تجمعی و اکستروژن برشی ساده می باشد. نقطه ضعفی که در اکثر تحقیقات انجام شده بر روی تیتانیوم فرآوری شده با روش های تغییر شکل پلاستیک شدید مشهود است، عدم بررسی خواص زیست سازگاری تیتانیوم همزمان با خواص مکانیکی آن پس از فرآیند است. تقریباً می توان گفت که در هیچ یک از تحقیقات انجام شده در مورد روش های تغییر شکل شدید پلاستیک، خروجی صنعتی خاصی معرفی نشده است و تنها در سطح کار تحقیقاتی باقی مانده است.
المصادر:
1. Maghsoudloo, H., Gerdooei, M., & Ghaderi, S. H. (2019). Improving Mechanical Properties of Ultrafine-Grained Titanium Produced through Warm ECAP Using a Novel Lubrication System. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 51(5), 1047-1056.
2. Eftekhari M, Faraji G, Shapoorgan O, Baniassadi M. Experimental investigation of the effect of temperature in extrusion process of ECAPed nanostructured Titanium. Modares Mechanical Engineering. 2017 Jun 10;17(4):52-60.
3. R.Z. Valiev, I.P. Semenova, V.V. Latysh, H. Rack, T.C. Lowe, J. Petruzelka, L. Dluhos, D. Hrusak, J. Sochová, Nanostructured titanium for biomedical applications, Advanced engineering materials, 10(8) (2008).
4. Y. Okazaki, E. Gotoh, Comparison of metal release from various metallic biomaterials in vitro, Biomaterials, 26(1) (2005) 11-21.
5. Y. Li, C. Wong, J. Xiong, P. Hodgson, C. Wen, Cytotoxicity of titanium and titanium alloying elements, Journal of dental research, 89(5) (2010) 493-497.
6. Balasubramanian, R., Nagumothu, R., Parfenov, E., Valiev, R., 2021. Development of nanostructured titanium implants for biomedical implants – a short review. Mater. Today Proc. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.064.
7. Polyakov, A.V., Dluhoˇ s, L., Dyakonov, G.S., Raab, G.I., Valiev, R.Z., 2015. Recent advances in processing and application of nanostructured titanium for dental implants. Adv. Eng. Mater. 17, 1869–1875. https://doi.org/10.1002/ adem.201500212.
8. Aktas, S., Kisioglu, Y., 2022. Improving the fatigue life of produced dental implants by the thread-rolling process. Mater. Test. 64, 1012–1025. https://doi.org/10.1515/mt- 2021-2159.
9. Sedehi SM, Khosravi M, Yaghoubinezhad Y. Mechanical properties and microstructures of reduced graphene oxide reinforced titanium matrix composites produced by spark plasma sintering and simple shear extrusion. Ceramics International. 2021 Dec 1;47(23):33180-90.
10. Ansarian, I., Shaeri, M.H., Ebrahimi, M., Min´ arik, P., Bartha, K., 2019. Microstructure evolution and mechanical behaviour of severely deformed pure titanium through multi directional forging. J. Alloys Compd. 776, 83–95. https://doi.org/10.1016/j. jallcom.2018.10.196.
11. Attarilar, S., Djavanroodi, F., Irfan, O.M., Al-Mufadi, F.A., Ebrahimi, M., Wang, Q.D., 2020. Strain uniformity footprint on mechanical performance and erosion-corrosion behavior of equal channel angular pressed pure titanium. Results Phys. 17, 103141 https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103141.
12. Nosrati, Hasan Ghaforian, Mahdi Gerdooei, Khalil Khalili, and Majid Mohammadi. "Usability of the ECAP-Conform process for the production of dental implants material." Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 147 (2023): 106124.
13. Bodkhe M, Sharma S, Mourad AH, babu Sharma P. A review on SPD processes used to produce ultrafine-grained and multilayer nanostructured tubes. Materials Today: Proceedings. 2021 Jan 1;46:8602-8.
14. Valder J, Rijesh M, Surendranathan AO. Forming of tubular commercial purity aluminum by ECAP. Materials and Manufacturing Processes. 2012 Sep 1;27(9):986-9.
15. M.I. Babaghayou, A.-H.-I. Mourad, A. Ochoa, Freddys Beltrán, and Nizamudeen Cherupurakal. ‘‘Study on the thermal stability of stabilized and unstabilized low-density polyethylene films.”, Polym. Bull. (2020) 1–17.
16. Pardis N, Ebrahimi R. Deformation behavior in Simple Shear Extrusion (SSE) as a new severe plastic deformation technique. Materials Science and Engineering: A. 2009 Dec 15;527(1-2):355-60.
17. Pardis N, Ebrahimi R. Deformation behavior in Simple Shear Extrusion (SSE) as a new severe plastic deformation technique. Materials Science and Engineering: A. 2009 Dec 15;527(1-2):355-60.
18. Sheikh H, Ebrahimi R, Bagherpour E. Crystal plasticity finite element modeling of crystallographic textures in simple shear extrusion (SSE) process. Materials & Design. 2016 Nov 5;109:289-99.
19. Bagherpour E, Qods F, Ebrahimi R, Miyamoto H. Microstructure evolution of pure copper during a single pass of simple shear extrusion (SSE): role of shear reversal. Materials Science and Engineering: A. 2016 Jun 1;666:324-38.
20. Sedehi, S. M. R., Khosravi, M., Yaghoubinezhad, Y., “Experimental investigation of mechanical properties, corrosion and biocompatibility of Ti/RGO composite made by the combined method of spark plasma sintering and simple shear extrusion,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 9, No. 1, pp. 1921-1926, 2022. https://doi.org/10.22068/JSTC.2022.559027.797
21. Semenova IP, Polyakova VV, Dyakonov GS, Polyakov AV. Ultrafine‐Grained Titanium‐Based Alloys: Structure and Service Properties for Engineering Applications. Advanced Engineering Materials. 2020 Jan;22(1):1900651.
22. Jäger A, Gärtnerova V, Tesař K. Microstructure and anisotropy of the mechanical properties in commercially pure titanium after equal channel angular pressing with back pressure at room temperature. Materials Science and Engineering: A. 2015 Sep 17;644:114-20.
23. Wu Y, Feng F, Xin H, Li K, Tang Z, Guo Y, Qin D, An B, Diao X, Dou C. Fracture strength and osseointegration of an ultrafine-grained titanium mini dental implant after macromorphology optimization. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2019 Jun 20;5(8):4122-30.
24. Shaat M. Effects of processing conditions on microstructure and mechanical properties of equal-channel-angular-pressed titanium. Materials Science and Technology. 2018 Jul 3;34(10):1149-67.
25. Gu Y, Ma A, Jiang J, Yuan Y, Wu H. Microstructure and tensile anisotropy of pure Ti processed by up-scaled RD-ECAP. Materials Characterization. 2020 Oct 1;168:110513.
26. Németh G, Horváth K, Hervoches C, Cejpek P, Palán J, Duchek M, Máthis K. Characterization of the Microstructure, Local Macro-Texture and Residual Stress Field of Commercially Pure Titanium Grade 2 Prepared by CONFORM ECAP. Metals. 2018 Nov 29;8(12):1000.
[27] Hoseini M, Pourian MH, Bridier F, Vali H, Szpunar JA, Bocher P. Thermal stability and annealing behaviour of ultrafine grained commercially pure titanium. Materials Science and Engineering: A. 2012 Jan 15;532:58-63.
28. Hajizadeh K, Alamdari SG, Eghbali B. Stored energy and recrystallization kinetics of ultrafine grained titanium processed by severe plastic deformation. Physica B: Condensed Matter. 2013 May 15;417:33-8.
29. Tesař K, Koller M, Vokoun D, Tyc O, Čech J, Sedlák P. Texture, elastic anisotropy and thermal stability of commercially pure titanium prepared by room temperature ECAP. Materials & Design. 2023 Feb 1;226:111678.
30. Gu Y, Ma A, Jiang J, Li H, Song D, Wu H, Yuan Y. Simultaneously improving mechanical properties and corrosion resistance of pure Ti by continuous ECAP plus short-duration annealing. Materials Characterization. 2018 Apr 1;138:38-47.
31. State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, PR China (W. Lu).
32. Qarni MJ, Rosochowski A, Boczkal S. Influence of incremental ECAP on the microstructure and tensile behaviour of commercial purity titanium. Procedia engineering. 2017 Jan 1;207:1481-6.
33. Jafarian HR, Mahdavian MM, Shams SA, Eivani AR. Microstructure analysis and observation of peculiar mechanical properties of Al/Cu/Zn/Ni multi-layered composite produced by Accumulative-Roll-Bonding (ARB). Materials Science and Engineering: A. 2021 Feb 23;805:140556.
34. Wei Z, Zheng H, Wu R, Zhang J, Wu H, Jin S, Jiao Y, Hou L. Interface behavior and tensile properties of Mg-14Li-3Al-2Gd sheets prepared by four-layer accumulative roll bonding. Journal of Manufacturing Processes. 2021 Jan 1;61:254-60.
35. Ye N, Ren X, Liang J. Microstructure and mechanical properties of Ni/Ti/Al/Cu composite produced by accumulative roll bonding (ARB) at room temperature. Journal of Materials Research and Technology. 2020 May 1;9(3):5524-32.
36. Gholami MD, Salamat M, Hashemi R. Study of mechanical properties and wear resistance of Al 1050/Brass (70/30)/Al 1050 composite sheets fabricated by the accumulative roll bonding process. Journal of Manufacturing Processes. 2021 Nov 1;71:407-16.
37. Roghani H, Borhani E, Jafarian HR. Effect of a trace amount addition of CuO on aluminum sheet processed by accumulative roll bonding with the common roots and rapid annealing. Journal of Materials Research and Technology. 2021 Nov 1;15:4257-71.
38. Roghani H, Borhani E, Shams SA, Lee CS, Jafarian HR. Effect of concurrent accumulative roll bonding (ARB) process and various heat treatment on the microstructure, texture and mechanical properties of AA1050 sheets. Journal of Materials Research and Technology. 2022 May 1;18:1295-306.
39. Ghafari-Gousheh S, Nedjad SH, Khalil-Allafi J. Tensile properties and interfacial bonding of multi-layered, high-purity titanium strips fabricated by ARB process. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015 Nov 1;51:147-53.
40. Kitahara H, Matsushita S, Tsushida M, Ando S, Tsuji N. Fatigue properties of ARB-processed Ti sheets with crystallographic texture. International Journal of Fatigue. 2016 Nov 1;92:18-24.
41. فلاحتی عقدا, صفا, and حاجی صفری. "بررسی فرآیند PEO بر رفتار خستگی آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V." فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین 8, no. 31 (2018): 141-152.
42. Milner JL, Abu-Farha F, Bunget C, Kurfess T, Hammond VH. Grain refinement and mechanical properties of CP-Ti processed by warm accumulative roll bonding. Materials Science and Engineering: A. 2013 Jan 20;561:109-17
43. Maghsoudloo, H., Gerdooei, M., Ghaderi, S.H., 2017. Investigation of Mechanical Properties of a Titanium Implant Processed by Equal Channel Angular Pressing. Shahrood University of Technology.
44. Lin, H.K.; Li, G.Y.; Mortier, S.; Bazarnik, P.; Huang, Y.; Lewandowska, M.; Langdon, T.G. Processing of CP-Ti by high-pressure torsion and the effect of surface modification using a post-HPT laser treatment. J. Alloys Compd. 2019, 784, 653–659. [CrossRef]
45. Edalati, K.; Horita, Z. A review on high-pressure torsion (HPT) from 1935 to 1988. Mater. Sci. Eng. A 2016, 652, 325–352. [CrossRef]
46. Bagherpour, E.; Pardis, N.; Reihanian, M.; Ebrahimi, R. An overview on severe plastic deformation: Research status, techniques classification, microstructure evolution, and applications. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019, 100, 1647–1694. [CrossRef]
47. Gurau, G.; Bujoreanu, L.; Potecasu, O.; Cananau, N.; Alexandru, P.; Gurau, C.; Tanase, D. Process and Machine for Deforming Taper-Shaped Active Elements Made of Shape-Memory Materials by Twisting upon High. Pressure. Patent RO129900, 30 December 2016.
_||_
