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1 Vol.20 Special 1 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Oct (2010)S1-s β-ti30nb13zr0.5fe ( ) Ti30Nb13Zr0.5Fe( %) s 1 β n Q σ ε ε 1 10 s 1 ε s 1 β θ 800 ε 10 2 s 1 β β n Q kj/mol s 1 TG 146 A Hot deformation behaviors of biomedical β-ti30nb13zr0.5fe alloy GUO Ai-hong, YUE Wei, ZHANG Yong-qiang, ZHU Yu-sheng (Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang , China) Abstract: The hot deformation behaviors of Ti30Nb13Zr0.5Fe (mass fraction, %) alloy were studied by thermal-simulator in the temperature range of and strain rate range of s 1. The hot deformation equation, stress exponential n and deformation activation energy Q were established according to the dynamical analysis. The microstructures were observed by optical microscopy. The results indicate that the variation of deformation temperature doesn t change the characteristics of true stress strain curves, but the variation of strain rate has crucial effect on the deformation behaviors. The instable flow happens at strain rate of 1 10 s 1, the dynamic recrystallization and dynamic recovery of β phase occur at strain rate of s 1. And the continual recrystallization and grain coarsening occur at strain rate less than 10 2 s 1 and temperature higher than 800. The stress exponential n and deformation activation energy Q of β phase are 4.5 and 195 kj/mol, respectively. Considering workability and microstructure refining, the optimum conditions of hot deformation for Ti30Nb13Zr0.5Fe alloy are the temperature range of and strain rate range of s 1. Key words: biomedical titanium alloy; heat deformation; flow stress; microstructure; deformation mechanism Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V V Al GPa (10 40G Pa) 2 5 [1] Nb Mo Zr Ta Sn β [2] β [3 5] β β Mo Nb Zr Ta ; : ; aihonggg@sina.com.cn

2 s Fe β Nb Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe β, [6] Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe Q Gleeble 2000 d 8 mm 15 mm 0.2 mm s 1 70% OLYMPUS GX71 TEM TECNAI G Ti-30Nb-13Zr- 0.5Fe( %) 5 kg β 22 mm 690 β s Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe Fig.1 True stress strain curves of Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe alloy at different temperatures and strain rates: (a) 700 ; (b) 750 ; (c) 800 ; (d) 850

3 20 1 β-ti30nb13zr0.5fe s359 β β β 1 1 s s 1 SESHACHARYULU [7] β α [8 10] β β α 10 1 s 1 β 10 2 s 1 β β β 2 (σ m ) 2 σ m σ m 3 (1 10 s 1 ) (10 1 s 1 ) ( s 1 ) σ m (σ m ) Fig.2 Variation of maximum flow stress with strain rate at various temperatures 2.2 σ T ε σ ε Arrhenius [11 15] ln ε =lna 1 +n 1 lnσ (1) ln ε =lna 2 +βσ (2) ε =A[sinh(ασ)]nexp[ Q/(RT)] (3) A 1 A 2 A n 1 n α β A n α R T K Q kj/mol σ MPa ε s 1 α β n α=β/n (3) Q T Arrhenius Zener Hollomon Z

4 s Z= ε exp[q/(rt)] (4) Z Q Z σ Z=A[sinh(ασ)]n (5) (5) sinh(ασ)=(z/a 1 )/n (6) sinh 1 (ασ)=ln[ασ+(α 2 σ 2 +1)1/2] (7) Z σ=1/αln{(z/a) 1/n +[(Z/A) 2/n +1] 1/2 } (8) A Q( H) n α (1) (2) lnσ ln ε σ ln ε Origin (3) (1) (2) n 1 3(a) β 3(b) α α=β/n 1 = (3) ln ε =lna Q/RT+nln[sinh(ασ)]=A +nln[sinh(ασ)] (9) ln ε ln[sinh(ασ)] Origin 4(a) (4) (5) ln[sinh(ασ)]=a 3 +B 1 000/T (10) ln[sinh(ασ)] 1/T 4(b) σ T (10) σ T Arrhenius Z (3) Q=R{ ln ε / ln[sinh(ασ)]}t { ln[sinh(ασ)]/ (1/T)} ε (11) 3 Fig.3 Relationship between flow stress (σ) and strain rate ( ε ) of alloy at various temperatures 4 Fig.4 Peak flow stress dependence on (a) strain rate and (b) temperature

5 20 1 β-ti30nb13zr0.5fe s361 ln ε ln[sinh(ασ)] ln[sinh(ασ)] 1/T 4(a) (b) (11) Q 195 kj/mol β 153 kj/mol [16] β (5) lnz=lna+nln[sinh(ασ)] (12) Q (4) Z ln[sinh(ασ)] lnz 5 n n=4.55 A=342 s 1 5 ln[sinh(ασ)] lnz σ ε T (3) Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe Q=195 kj/mol n=4.5 α= mm 2 /N A= 342/s A Q n α (3) ε =342[sinh( σ)]4.5exp( 195/RT) (13) (8) Z 5 Z Fig.5 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter σ=222ln{(z/342) 1/4.5 +[(Z/342) 2/4.5 +1] 1/2 } (14) Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe 10 2 s β s 1 Fig.6 Microstructures of Ti alloys after hot deformation at strain rate of 10 3 s 1 and various temperatures: (a) 700 (b) 750 (c) 800 (d) 850

6 s µm 850 ( 6(d)) [17] s 1 ( 7(a)) 10 1 s 1 β 2 3 µm ( 7(b)) 10 2 s 1 20 µm ( 7(c)) s TEM 8 (700 ( 8(a)) Fig.7 Microstructures of alloys after hot deformation at 800 and various strain rates: (a) 10 s 1 ; (b) 10 1 s 1 ; (c) 10 3 s 1 8 TEM Fig.8 TEM images of alloys after deformation under different conditions: (a) 700, 10 3 s 1 ; (b) 850, 10 3 s 1 ; (c) 850, 10 1 s 1

7 20 1 β-ti30nb13zr0.5fe s ( 8(b)) s 1 ( 8(c)) 3 1) Ti-30Nb-13Zr-0.5Fe β 2) β Arrhenius Z : ε =342[sinh( σ)]4.5exp( 195/RT) σ=222ln{(z/342) 1/4.5 +[(Z/342) 2/4.5 +1] 1/2 } 3) s s s s 1 4) REFERENCES [1] NIINOMI M. Fatigue performance and cyto-toxicity of low rigidity titanium alloy, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr [J]. Biomaterials, 2003, 24: [2] EISENBARTH E, VELTEN D. Biocompatibility of betastabilizing elements of titanium alloys [J]. Biomaterials, 2004, 25: [3] NIINOMI M. Recent metallic materials for biomedical applications [J]. Metal Mater Trans A, 2002, 33A: [4] NIINOMI M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys [J]. Materials Science and Engineering A, 1998, 243: [5],,. β [J]., 2005, 30(1): ZHOU Yu, YANG Xian-jin, CUI Zhen-duo. Present status and developmental trend of novel β-titanium alloys for biomedical applications [J]. Heat Treatment of Metals, 2005, 30(1): [6],,. TiNbZrFe [J]., 2008, 7(4): GUO Ai-hong, CUI Wen-fang, ZHOU Lian. Microstructures and mechanical properties of meta-stable β type TiNbZrFe alloys for biomedical application [J]. Journal of Materials and Metallurgy, 2008, 7(4): [7] SESHACHARYULU T, MEDEIROS S C, FRAZIER W G. Hot working of commercial Ti-6Al-4V with an equiaxed α-β microstructure: materials modeling considerations [J]. Mater Sci and Eng A, 2000, A284: [8]. Ti-10V-2Fe-3Al [D]. :, 1989: PENG Yi-qun. Research on the effects of hot deformation parameters on microstructures and flow stress of Ti-10V-2Fe-3Al alloy [D]. Beijing: Beijing Space and Aeronautic University, 1989: [9] MONTHEILLET F, DAJNO D. Hot deformation of the high strength beta-cez titanium alloy titanium 92 science and technology [C]// FROES F H, CAPLAN I L, et al. San Diego: The Minerals, Metals & Materials Society, 1993: [10],,. β21s [J]., 2002, 26(1): YE Wen-jun, TUO Xiang-ming, WANG Shi-hong. Hot press deformation behavior of β21s titanium alloy [J]. Rare Metals, 2002, 26(1): [11],,. BT20 [J]., 2005, 13(1): SHU Ying, ZENG Wei-dong, ZHOU Jun. High temperature deformation behavior of BT20 alloy [J]. Materials Science and Technologies, 2005,13(1): [12],. Ti-6Al-2Zr-lMo-lV [J]., 2001, 21(1): HONG Quan, ZHANG Zhen-qi. Hot deformation behavior of Ti-6Al-2Zr-lMo-lV alloy [J]. Journal of Aeronautic Materials, 2001, 21(1): [13] POIRIER J P. [M]. :, 1989: POIRIER J P. Hot plastic deformation of crystal [M]. Dalian: University of Dalian Science and Technology Press, 1989: 1 20.

8 s [14]. 2091Al-Li [J]., 1998, 22(1): SHEN Jian. Flow stress behavior of hot pressed 2091Al-Li alloy [J]. Rare Metals, 1998, 22(1): [15] SHEPPARD T, PARSON N C, ZAIDI M A. Dynamic recrystallization in Al-Mg [J]. Met Sci, 1983, 17(10): [16] SESHACHARYULU T, MEDEIROS SC, MORGAN J T. Hot deformation mechanism in ELI grand Ti-6Al-4V [J]. Scripta Materialia, 1999, 41(3): [17],,. Ti-40 [J]., 2007, 36(1): 1 6.ZENG Wei-dong, ZHOU Yi-gang, SHU Ying. A study of hot deformation mechanisms in Ti-40 burn resistant titanium alloy using processing maps [J]. Rare Metal Materials And Engineering, 2007, 36(1): 1 6. ()

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