Thermomechanical processing and its effects on microstructure and biomedical behaviors of β-type titanium alloys
Beta-tipi titanyum alaşımlarının mikroyapı ve biyomedikal özellikleri üzerine termomekanik ısıl işlemin etkileri
- Tez No: 519003
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Biyomateryaller, titanyum alaşımları, termomekanik işleme, ısıl işlemler, mekanik özellikler, Biyomedikal uygulamalar, Biomaterials, titanium alloys, thermomechanical processing, heat treatments, mechanical properties, Biomedical applications
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Paslanmaz çelik, yapısal bir biyomateryal olarak kullanılacak ilk modern metaldi. 1931'de, ilk femoral boyun fiksasyon cihazına paslanmaz çelik uygulandı. Birkaç yıl sonra, 1936'da, kemik plakaları için alaşım kobalt-krom kullanıldı. Daha sonra, 1947 yılında on yıl sonra, Titanyum ve alaşımı kemik plakaları ve kalça eklemleri için kullanıldı. Kemik ve metal arasındaki genç modülün değerindeki fark, kemik içine implant edildiğinde stres korumasına neden olur. Bu etki kemiği takar ve implantın gevşemesine ve sonunda görev yeteneğini yitirmesine neden olur. Kemiğin genç modülü yaklaşık 30 GPa iken, paslanmaz çelik, kobalt-krom ve titanyum modülü sırasıyla 200, 230 ve 127 GPa'dır. Bununla birlikte, beta faz titanyumun genç modülü, uygun alaşım elementleri eklemeleri ile 40 GPa'ya indirgenebilir. Son birkaç on yıl içerisinde, beta titanyum alaşımının yapısal biyomateryaller olarak kullanımında bir artış görülmüştür. Mükemmel mekanik özellikler, korozyon direnci ve biyouyumluluk özellikleri ile birlikte, paslanmaz çelikten daha düşük bir Young modülü, kobalt-krom ve ticari olarak saf titanyum kombinasyonu, beta titanyum alaşımlarını ideal biyomateryaller haline getirmektedir. Biyomedikal uygulamalar için daha sonra düşük elastik modüllü TNTZ olarak adlandırılacak olan bir beta tipi titanyum alaşımı Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr geliştirilmiştir ve kullanım dikkate alınmıştır. Bu çalışmada, termomekanik ısıl işlemler ve bunların ciddi şekilde deforme olmuş TNTZ'nin mikroyapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Ciddi soğuk haddelenmiş TNTZ üzerine% 90'lık bir azalma oranı ile su söndürme ve hava soğutması ile 5,10,30 ve 60 dakika boyunca 1063K'da çözelti işlemi uygulanmıştır. Mikroyapısal özellikler optik mikroskopi, XRD ve SEM kullanılarak analiz edilirken, mekanik davranışları analiz etmek için sertlik ölçümleri, çekme ve yorulma testleri gibi mekanik testler yapılmıştır. TNTZST'nin optik mikroyapısı sadece eş fazlı iri taneli yapıya ve ortalama 57 μm tane büyüklüğüne sahip tek fazlı fazda gözlemlenmiştir. Diğer tarafta TNTZCR'nin mikroyapısı yuvarlanma yönüyle yüksek çıkma yoğunluğu nedeniyle gözlenmez. Buna ek olarak, TNTZST-WQ ve TNTZST-AC, 10 dakikadan fazla tavlama sonrasında ortalama (6-11 μm) tane büyüklüğüne sahip olan tane sınırlarını gözlemlemektedir.TNTZST ve TNTZCR'nin (XRD) sadece tek fazdan oluşur. TNTZST ın (XRD) profilleri ve bunu takiben buzlu suyla söndürme ve a ″ martensitik fazda gösterilen hava soğutması β matrisinde oluşturulmuştur. Hem hava soğutmalı hem de su verme işlemlerinde β (110) en güçlü tepe noktası olduğu düşünülmektedir. TNTZCR örneklerinin Vickers sertlik ölçümleri. TNTZST ve TNTZCR için ortalama sertlik değerleri sırasıyla 189 ve 251 HV'dir. Sertlik ölçümünün optimum değeri TNTZST60-AC altında değerlendirilmiştir. Sertlik değeri 261 HV'dir. TNTZST-10-WQ'nun gerilme-uzama eğrisi yaklaşık 448 MPa ve en yüksek çekme mukavemeti ~ 1200 MPa'yı göstermektedir. Oysa, TNTZST-5-WQ eğrisi, minimum akma dayanımı 259 MPa ve gerilme mukavemeti 950 MPa'yı göstermektedir. Maksimum akma dayanımı TNTZST-5-AC ile gösterilmiştir. TNTZST-5-AC'nin akma dayanımı ve nihai çekme mukavemeti, sırasıyla 600 MPa ve 1300 MPa'dır. TNTZST-60-AC tarafından gösterilen minimum akma dayanımı ve nihai çekme mukavemeti. Akma dayanımı 252 MPa ve en yüksek gerilme kuvveti 1200 MPa'dan daha fazladır. Gerilme numunelerinin SEM fraktografisi analizi, titanyum alaşımlarının tavlandığı tüm TNTZ'nin sünek kopması yaşadığını göstermiştir. Biyomedikal uygulamalarda sünek davranış istenir. Ek olarak, TNTZST-30-WQ ve TNTZST-60-WQ yüzeyleri, hücre yapışması için önemli ölçüde uyumlu olduğunu gösterdi. TNTZST-30-WQ ve TNTZST-60-WQ yüzeyleri, hücre yapışması için önemli ölçüde uyumlu olduğunu gösterdi. NIH-3T3 hücreleri iyi gelişmiştir ve filamentlerin TNTZST-AC-30 ve TNTZST-30-WQ ve TNTZST-60-AC ve TNTZST-60-WQ üzerinde birbiri ile temas etmesini arttırmıştır.
Özet (Çeviri)
Stainless steel was the first modern metal to be used as a structural biomaterial. In 1931, stainless steel was applied in the first femoral neck fixation device. After few years, in 1936, the alloy cobalt-chromium was used for bone plates. Then, a decade later in 1947, Titanium and its alloy were used for bone plates and hip joints. The difference in the value of young modulus between bone and metal causes stress shielding when implanted in bone. This impact wears far the bone and causes the implant to loosen and finally lose mission ability. The young modulus of bone is around 30 GPa, while the modulus of stainless steel, cobalt-chromium and titanium are 200, 230 and 127 GPa respectively. However, the young modulus of beta phase titanium can be reduced to as 40 GPa, with suitable alloying elements additions. The last few decades have seen an increase in the use of β titanium alloy as structural biomaterials. Their combination of excellent mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility, along with a lower Young's modulus than stainless steel, cobalt-chromium and commercially pure titanium make the β titanium alloys ideal biomaterials. β type titanium alloy Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, (referred as TNTZ), with low elastic modulus has been developed for biomedical applications, and utilization is being taken into account. In this study, thermomechanical heat treatments and their effects on the microstructure and mechanical properties of severely deformed TNTZ have been systematically investigated. TNTZST5,10,30 and 60 following by water quenching and air cooling has been applied on the severely cold rolled TNTZ with an over 90% reduction ratio, desigined as TNTZCR. While, microstructural features have been analyzed using optical microscopy, XRD and SEM, mechanical tests such as using hardness measurements, tensile and fatigue tests have been carried out to analyze mechanical behavior. The optical microstructure of TNTZST was observed only single β phase with an equiaxed coarse grain structure and an average grain size of about 57 μm. On the other side the microstructure of TNTZCR do not observed because of high dislocation density with rolling direction. In addition TNTZST-WQ and TNTZST-AC are observed grain boundaries with an average grain size around (6-11 μm) after annealing above 10 minutes. The (XRD) of TNTZST and TNTZCR are composed only single β phase. The (XRD) profiles of TNTZST5-WQ and TNTZST5-WQ samples shown α″ martensitic phase are formed in β matrix. It is considered that the β (110) was the strongest peak in both air cooling and water quenching treatments.The Vickers hardness measurements of TNTZCR samples. The average hardness values are 189 and 251 HV for TNTZST and TNTZCR, respectively. The optimum value of hardness measurement was evaluated under TNTZST-60-AC. Its hardness value is 261 HV. The stress-strain curve of TNTZST-10-WQ show highest yield strength about 448 MPa and ultimate tensile strength ~1200 MPa. Whereas, TNTZST-5-WQ curve show minimum yield strength 259 MPa and tensile strength 950 MPa. The maximum yield strength was shown by TNTZST-5-AC. The yield strength and ultimate tensile strength of TNTZST-5-AC is 600 MPa and 1300 MPa respectively. While minimum yield strength and ultimate tensile strength shown by TNTZST-60-AC. It's observed yield strength 252 MPa and ultimate tensile strength more than 1200 MPa. The SEM fractography analysis of the tensile specimens showed that all TNTZ annealed of titanium alloys experience ductile failure. Ductile behavior is desirable in biomedical applications. In additional, TNTZST-30-WQ and TNTZST-60-WQ surfaces showed significantly compatible for cell adhesion. TNTZST-30-WQ and TNTZST-60-WQ surfaces showed significantly compatible for cell adhesion. NIH-3T3 cells exhibits well- developed and increased the filaments to contact with each other on the TNTZST-AC-30 and TNTZST-30-WQ and TNTZST-60-AC and TNTZST-60-WQ.
Benzer Tezler
- Effects of heat treatment after hot rolling on the corrosion and mechanical properties of Mg- Zn- Ca- Mn biomaterials
Sıcak haddeleme sonrası ısıl işlemin Mg- Zn- Ca- Mn biyomateryallerin korozyon ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri
LAITH MOHAMMED ABDULLAH AL-MASHHADANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ GÜNGÖR
- Homojenizasyonun AA 6063 alüminyum alaşımının iç yapısı ve özelliklerine etkisi
Effect of heat treatment on the mıcrostructure and properties of a AA6063 aluminium allory
SEMA ONURLU
- Akışla şekillendirme uygulanmış AA7075 kalite alüminyum alaşımının mekanik ve korozyon özelliklerine retrogresyon ve yeniden yaşlandırma işleminin etkisi
The effect of retrogression and reaging heat treatment on the mechanical and corrosion properties of a flow formed AA7075 aluminum alloy
EDA URAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Hunter sürekli döküm prosesi ile üretilen Al-Fe-Mn-Si alaşımının mikroyapısının karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
NECMİ DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilim Dalı
PROF. DR. OKAN ADDEMİR
- Havacılık ve uzay uygulamaları için yüksek entropili alaşımların tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve mikro yer çekimli ortamda davranışlarının incelenmesi
Design, production, characterization, and study of behavior in a microgravity environment of high entropy alloys for aerospace and space applications
ÖMÜR CAN ODABAŞ
Doktora
Türkçe
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
DOÇ. DR. HAVVA KAZDAL ZEYTİN