Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung des Ermüdungsverhaltens einer neu entwickelten Ti-40(wt%)Nb Legierung für die Anwendung als Implantatwerkstoff aus der Materialklasse der β-Titanlegierungen. Darüber hinaus werden auch vergleichende Ermüdungsuntersuchungen zu den Werkstoffen Ti-45(wt%)Nb als weitere binäre β-Titanlegierung sowie an α-Titan als klassischem Referenzwerkstoff im industriellen Einsatz durchgeführt. Ziel ist es, grundlegende Erkenntnisse zu den zyklischen Verformungsmechanismen binärer Ti-Nb Legierungen in Abhängigkeit ihres Werkstoffzustandes und damit Ihrer Mikrostruktur zu erhalten. Im Vergleich mit anderen Implantatwerkstoffen soll daraus eine mögliche Eignung für den Einsatz als nicht resorbierbares Osteosynthesematerial abgeleitet werden. Als übergeordnetes Ziel wird hierbei eine Minimierung des Elastizitätsmodules bei gleichbleibend hohen statischen und zyklischen Festigkeiten angestrebt, um einerseits schnellere Heilungserfolge zu erzielen als auch eine möglichst dauerhafte Implantatzuverlässigkeit zu gewährleisten. Für diesen Zweck wurden umfangreiche Ermüdungsprüfungen an Werkstoffproben und Osteosyntheseplatten in Abhängigkeit von Werkstoff, Mikrostruktur, Oberfläche, Umgebung und Geometrie durchgeführt. Mit Hilfe von strukturanalytischen Verfahren vor und nach der Werkstoffermüdung wurden diese begleitend detailliert charakterisiert. Insbesondere die Ergebnisse zum Einfluss des Werkstoffzustandes von Ti-40Nb erbrachten hierbei direkte Unterschiede und eine um ca. 30 % höhere Schwingfestigkeit im ausgelagerten Zustand aufgrund von vorliegenden isothermen Ausscheidungen der ω-Phase. Zurückgeführt wurde diese Erhöhung zum einen auf einen dominanten Effekt der Ausscheidungshärtung sowie die Unterdrückung von einer in binären Ti-Nb Legierungen möglichen Phasenumwandlung während der zyklischen Belastung. Stattdessen wurden nur im Ermüdungsrissbereich den Gleitbändern ähnliche Deformationsbänder (DB’s) beobachtet, die als ω-verarmte Versetzungskanäle die plastische Verformung tragen, während im rekristallisierten Zustand eine nahezu komplette Transformation in die martensitische α‘‘-Phase infolge der Ermüdung generiert wird. Der Einfluss der Oberfläche wird hierbei als signifikant herausgestellt, da vor allem Kerbeffekte die erreichbaren Schwingfestigkeiten der untersuchten Ti-Nb Legierungen massiv beeinflussen und zum vorzeitigen Versagen führen. Ein überlagerter Geometrieeinfluss, wie im Fall untersuchter Osteosyntheseplatten, hat einen zusätzlichen dominanten negativen Effekt auf das Ermüdungsverhalten. Ein negativer Einfluss eines korrosiven Umgebungsmediums am Beispiel einer Lösung aus simulierter Körperflüssigkeit (SBF) kann hingegen nicht festgestellt werden, was auf die exzellenten Selbstpassivierungseigenschaften von β-Titanlegierungen auf Ti-Nb Basis zurückgeführt wird. Insgesamt ergibt sich auf Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit eine nur bedingte Einsatzfähigkeit als Werkstoff für die Osteosynthese. Vorteile, wie der sehr geringe Elastizitätsmodul und die exzellente Widerstandfähigkeit gegen Korrosionsermüdung stehen einer allgemein nur ausreichenden Schwingfestigkeit sowie hoher Empfindlichkeit für Kerbeffekte jeglicher Art gegenüber. Eine effiziente Ausnutzung der Auslagerungseffekte sowie eine Oberflächennachbehandlung auf Basis von Druckeigenspannungen bieten jedoch weiteres hohes Potential für das Ermüdungsverhalten binärer Ti-Nb Legierungen. / Present thesis investigates the fatigue behavior of a newly developed Ti-40(wt%)Nb alloy from the material class of β-titanium alloys for application as implant material. Furthermore it investigates the fatigue behavior of the binary β-titanium alloy Ti-45(wt%)Nb and α-titanium as standard material already in industrial application for reference. Main focus are the detection of cyclic deformation mechanisms in dependence of material condition and the underlying microstructure. In comparison with other implant alloys, suitability of the new Ti-40Nb alloy as osteosynthesis material shall be evaluated. The overall aim is thereby the minimization of the Young’s modulus with simultaneously high values of static and cyclic strength for better healing chances and long term implant reliability. For this objective, comprehensive fatigue testing on material samples as well as osteosyn-thesis plates was carried out in dependence of material, microstructure, surface, environ-ment and sample geometry. Detailed structural analyses were additionally carried out be-fore and after fatigue testing. Compared with the recrystallized condition of the Ti-40Nb al-loy, fatigue results of the aged condition with present isothermal ω-precipitates in the β-matrix show a 30% higher fatigue strength. Uncovered reasons for this behavior are a domi-nant effect of precipitation hardening as well as the complete suppression of for β-titanium alloy commonly observed phase transformations during fatigue. Whereas the recrystallized condition of the Ti-40Nb alloy is characterized by significant martensitic α’’-phase formation and occasional mechanical twin development during fatigue, the aged condition shows none of these characteristics. Instead deformation bands (DB’s), similar to commonly overserved slip bands during fatigue, are detected in the immediate area of the fatigue crack. These localized DB’s carry all of the plastic deformation in the aged condition of the Ti-40Nb alloy as ω-depleted dislocation channels. Furthermore, the influence of the surface condition regarding the fatigue properties is sig-nificant. The reason are notch effects leading to localized stress concentration and early fa-tigue failure. Tests on the osteosynthesis plates show in addition a superimposed effect of the geometry, which leads to an even more decreased fatigue strength of Ti-40Nb and the reference α-titanium. A negative influence of corrosion fatigue in simulated body fluid (SBF) is on the contrary not detected, which is caused by the excellent self-passivating properties of β-titanium alloys on the basis of Ti-Nb. An overall evaluation of the material leads to an only limited suggestion as osteosynthesis material. Advantages are the very low Young’s modulus and the excellent corrosion fatigue resistance. Disadvantages are the only insufficient fatigue strength compared to other standard implant materials and the high susceptibility for notch effects leading to a rapid decrease of fatigue strength. Nevertheless, an efficient use of the positive effects of the aged condition as well as a surface post-treatment to induce positive residual compression stresses provide high potential for Ti-40Nb or the binary Ti-Nb alloys in general.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:78802 |
| Date | 11 April 2022 |
| Creators | Reck, André |
| Contributors | Zimmermann, Martina, Leyens, Christoph, Hufenbach, Julia Kristin, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Sonderforschungsbereich Transregio 79/107540325//Werkstoffe für die Geweberegeneration im systemisch erkrankten Knochen' im Teilprojekt 'Entwicklung neuer Titan-Legierungen zur Verbesserung der Verankerung und Frakturheilung im systemisch erkrankten Knochen ((01) M01) |
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