Изучение поведения электродного потенциала после фрикционного и изгибательного воздействия

Сведения о прочности получаемого оксидного покрытия могут быть получены на основании изучения поведения электродного потенциала после разного рода механических воздействий на покрытие.

Наиболее характерными видами такого воздействия является фрикционное и изгибное. Фрикционное взаимодействие возможно в живом организме при соприкосновении с полиэтиленом в эндопротезе, поскольку соприкосновения металла с металлом стараются избегать из-за быстрого износа и трения.

Полиэтиленовым стержнем с площадью контакта с поверхностью покрытия около 2 мм² терли образец с прижимным усилием около 1 кг посредством возвратно-поступательных движений по одной и той же дорожке. Таким образом, покрытие подвергалось циклическому воздействию знакопеременного характера. Измерения потенциала проводились через 200 циклов и доводились, как правило, до 1000 циклов. На рисунках представлены результаты испытаний для образцов сплавов ВТ5-1 и ВТ16, оксидированных в различных электролитах. Как следует из этих результатов, существенных изменений потенциала при трении о полиэтилен за 1000 циклов не происходит. Аналогичный вывод получен и для образа ВТ 1-0, оксидированного в фосфорной кислоте.

Испытания на трение и изгибную деформацию (1 и 2 %) образца ВТ5-1, оксидированного в фосфорной кислоте

Испытания на трение и изгибную деформацию (1 и 2%) образца ВТ16, оксидированного в фосфорной кислоте

Изгибное деформирование изделий, имеющих форму стержня или пластины, также является характерным видом деформации имплантатов, используемых в травматологии и ортопедии. На практике деформация нагруженных деталей всегда рассчитывается так, чтобы деформация находилась в упругой области.

Однако возможны экстремальные условия, когда нагрузки могут превысить предел упругости, приведя к пластической деформации изделия. В этом случае оксидное покрытие на изделии может частично разрушиться, т.к. пластичность оксидов очень низка. Основные виды разрушения: образование трещин, вследствие чего открывается доступ к поверхности металла, и отслоение покрытия от металла. Поэтому важно знать допустимые пределы деформации изделий, при которых сохраняется целостность покрытия.

Испытание на трение и изгибную деформацию (1 и 2 %) образца ВТ 5-1, оксидированного в КОН

Испытание на трение и изгибную деформацию (1 и 2%) образца ВТ16, оксидированного в КОН

В данном эксперименте был использован пластический изгиб пластин титановых сплавов с оксидным покрытием. При изгибе выпуклая сторона пластины испытывает деформацию растяжения, вогнутая - сжатие. Величину относительной остаточной деформации растяжения-сжатия можно рассчитать по формуле:

E=+h/2R,

где h - толщина пластины, R - радиус кривизны пластины. Так как обычно R>>h, то различием R для вогнутой и выпуклой сторон можно пренебречь. Измерение R после изгиба провести несложно, спроектировав изогнутую пластину на лист бумаги и циркулем вписывая окружность радиуса R в изогнутую часть образца. Используя данную формулу, можно при заданной толщине пластины h задать изгиб вокруг оправки радиуса R, чем определится максимальная деформация е. В эксперименте пластины с оксидированным слоем были деформированы изгибом на две фиксированные степени деформации, соответствующие 1 и 2% (изгиб 1, изгиб 2) относительной деформации растяжения-сжатия поверхностного слоя пластины.

Результаты для разных сплавов выглядят достаточно разнообразно, однако можно сказать, что деформация 2% вызывает более сильное изменение потенциала, чем 1%.

В титане ВТ1-0, окисленном в фосфорной кислоте, скачок потенциала до -359 мВ, т.е. почти до величины неоксидированного титана, наблюдается после 2% деформации, тогда как 1% деформация мало влияет на его изменение.

Скачок потенциала в отрицательную область наблюдается и для сплава ВТ5-1, оксидированного в фосфорной кислоте (рис. 3.38). Для сплава ВТ16 наблюдается скачок потенциала в положительную область.

Поведение сплавов ВТ5-1 и ВТ16, оксидированных в электролите № 2, очень похоже: при деформации 2% наблюдается скачок потенциала в положительную область, тогда как деформация 1% вызывает незначительное изменение потенциала.

Несколько иначе ведет себя сплав ВТ5-1, оксидированный в электролите № 3. В данном случае небольшой скачок потенциала в положительную область произошел при деформации 1%. Сплав же ВТ16 дал результат, похожий на оксидирование в электролите № 2.

При анализе результатов следует иметь в виду, что измерения проводились на каждом образце в порядке, изображенном на рисунке слева направо. Этим объясняется тот факт, например, что ток коррозии в начальном состоянии при 1 В на диаграмме № 3 оказывается выше, чем после механического воздействия. Кроме того, после трения о полиэтилен возможно замазывание небольших дефектов продуктами износа полиэтилена, что приводит к увеличению электросопротивления.

Величина коррозионного тока оксидированных в различных электролитах сплавов ВТ5-1 и ВТ16 в различных состояниях: 1) сплав ВТ5-1, оксидированный в фосфорной кислоте; 2) сплав ВТ16, оксидированный в фосфорной кислоте; 3) сплав ВТ5-1, оксидированный в щавелевой кислоте; 4) сплав ВТ16, оксидированный в щавелевой кислоте; 5) сплав ВТ5-1, оксидированный КОН; 6) сплав ВТ16, оксидированный КОН

Как видно из диаграммы, плотность тока коррозии в начальном состоянии при потенциале +1 В на образце очень мала. При напряжении +5 В она незначительно возрастает на сплаве ВТ5-1. На сплаве ВТ16 при +5 В ток коррозии в 2-3 раза был выше. Наименьшие значения наблюдаются на образцах, оксидированных в электролите № 1, а наибольшее -в электролите № 3. Для всех электролитов плотность коррозионного тока оказывается выше для сплава ВТ16.

Таким образом, можно резюмировать, что электрическая плотность оксидного покрытия на сплаве ВТ5-1 выше, чем на сплаве ВТ16, а наиболее электрически прочное покрытие получается в электролите с фосфорной кислотой.

Фрикционное воздействие на покрытие не приводит к уменьшению электрической прочности покрытия, скорее наоборот. Причина этого явления уже упоминалась выше. Действие изгибной деформации особенно заметно на сплавах, окисленных в электролите № 1. Деформация 1% здесь не вызывает существенного роста плотности тока коррозии при +5 В, но при + 10 В ее влияние уже проявляется достаточно ярко.

В образцах, окисленных в электролитах №№ 2 и 3, где плотность тока повышена уже в исходном состоянии, деформация не оказывает заметного влияния на плотность тока.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики