Упругие и механические свойства сплавов на основе Ti–Nb–Zr

Упругие свойства и механические характеристики сплавов на основе Ti–Nb₂₂–Zr₆ были рассчитаны методом точных маффин-тин орбиталей в приближении когерентного потенциала. Рассматривалось легирование металлами, такими как Hf, Mg и их комбинациями, при этом их концентрация не превышала 5 ат.%. Было показано, что добавление Hf и Mg приводит к понижению модуля Юнга как из-за размерного эффекта, так и из-за электронного фактора. Рассчитанный модуль Юнга для тройного сплава Ti–Nb₂₂–Zr₆ (70.1 ГПа) хорошо согласуется с экспериментальным значением (70 ГПа). Наименьшее значение модуля Юнга было рассчитано для сплава Ti–Nb₂₂–Zr₆–Hf₅–Mg_2.5, достигая 57 ГПа. Дальнейшее увеличение концентрации Mg приводит к отрицательному значению C' и дестабилизации сплава. Кроме того, легирование сплава Ti–Nb₂₂–Zr₆ приводит к снижению твердости и трещиностойкости, но при этом повышается индекс хрупкости.

1. Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A, 1998, 243, P. 231-236.

2. Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective. Biomater., 1998, 19, P. 1621–1639.

3. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – A review. Prog. Mater. Sci., 2009, 54, P. 397–425.

4. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2008, 1, P. 30–42.

5. Yu Z. Titanium alloys for biomedical development and applications. Design, microstructure, properties, and application. Elsevier, Amsterdam, 2022, 245 p.

6. Biesiekierski A., Wang J., Gepreel M.A.H., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys, Acta Biomater., 2012, 8, P. 1661– 1669.

7. Illarionov A.G., Nezhdanov A.G., Stepanov S.I., Muller-Kamskii G., Popov A.A. Structure, phase composition, and mechanical properties of biocompatible titanium alloys of different types. Phys. Met. Metall., 2020, 121, P. 367–373.

8. Li Y., Yang C., Zhao H., Qu S., Li X., Li Y. New developments of Ti-based alloys for biomedical applications. Materials, 2014, 7, P. 1709–1800.

9. Marker C., Shang S.L., Zhao J.C., Liu Z.K. Effects of alloying elements on the elastic properties of bcc Ti-X alloys from first-principles calculations. Comput. Mater. Sci., 2018, 142, P. 215–226.

10. Yao Q., Sun J., Xing H., Guo W. Influence of Nb and Mo contents on phase stability and elastic property of β-type Ti-X alloys. Trans. Nonferrous Met. Soc. China., 2007, 17, P. 1417–1421.

11. Zunger A., Wei S.H., Ferreira L.G., Bernard J.E. Special quasirandom structures. Phys. Rev. Lett., 1990, 65, P. 353–356.

12. Vitos L. Computational quantum mechanics for materials engineers. The EMTO method and applications. Springer, London, 2007, 238 p.

13. Dubinskiy S., Baranova A., Markova G., Prokoshkin S., Zelenina A., Kolotova L., Starikov S., Korotitskiy A., Bazlov A., Brailovski V. Atypical intrinsic elinvar behavior of beta Ti-22Nb-6Zr alloy in high and wide temperature range: atomic mechanism and control of the effect. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2026, in press.

14. Hill R. The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proc. Phys. Soc., Sect. A, 1952, 65, P. 349–354.

15. Jiang X., Zhao J., Wu A., Bai Y., Jiang X. Mechanical and electronic properties of B12-based ternary crystals of orthorhombic phase. J. Phys.: Condens. Matter., 2010, 22, 315503.

16. Lee C.M., Ju C.P., Chern Linn J.H. Structure-property relationship of cast Ti–Nb alloys. J. Oral Rehabil., 2002, 29, P. 314–322.

17. Fikeni L. Microstructural evolution and its influence on mechanical properties of Ti–Nb binary alloys. University of Pretoria, Pretoria, 2021, 95 p.

18. Niu H., Niu S., Oganov A.R. Simple and accurate model of fracture toughness of solids. J. Appl. Phys., 2019, 125, 065105.

19. Boccaccini A.R. Machinability and brittleness of glass-ceramics. J. Mater. Process. Technol., 1997, 65, P. 302–304.

20. Lutjering G., Williams J.C. ¨ Titanium, second ed. Springer, Berlin, 2007, 442 p.

21. Schwarz K., Blaha P., Madsen G.K.H. Electronic structure calculations of solids using the WIEN2k package for material sciences, Comput. Phys. Commun., 2002, 147 (1–2), P. 71–76.

22. Raabe D., Sander B., Friak M., Ma D., Neugebauer J. Theory-guided bottom-up design of ´ β-titanium alloys as biomaterials based on first principles calculations: Theory and experiments. Acta Materialia, 2007, 55, P. 4475–4487.

23. Boyer R.R., Welsch G., Collings E.W. Materials properties handbook: titanium alloys. ASM Int., Mater. Park, 1994, 1176 p.

24. Kasparyan S.O., Bakulin A.V., Kulkova S.E. The influence of alloying elements on the elastic properties of β-Ti. J. Exp. Theor. Phys., 2026, 169, P. 71–81. (in Russian)

25. Kwasniak P., Wrobel J.S., Garbacz H. Origin of low Young modulus of multicomponent, biomedical Ti alloys – Seeking optimal elastic properties ´ through a first principles investigation. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2018, 88, P. 352–361.

26. Hao C.P., Wang Q., Ma R.T., Wang Y.M., Qiang J.B., Dong C. Cluster-plus-glue-atom model in bcc solid solution alloys. Acta Phys. Sin., 2011, 60 (11), 116101.

27. Kasparyan S.O., Ordabaev A.E., Bakulin A.V., Kulkova S.E. Elastic and thermal properties of some ternary β-Ti based alloys. Nanosystems Phys. Chem. Math., 2025, 16 (2), P. 225–234.

28. Kasparyan S.O. Electronic structure and elastic moduli of binary and ternary β-titanium alloys. Cand. Sci. (Phys.-Math.) Dissertation. Nat. Res. Tomsk State Univ., Tomsk, 2025, 154 p. (in Russian).