Vliv tepelného zpracování na mechanické a superelastické vlastnosti NiTi pro biolékařské aplikace

Michal Štencek

Doctoral thesis

Effect of thermal treatment on the mechanical and superelastic properties of NiTi alloys for biomedical applications

Abstract:

Předložená disertační práce je zaměřena na vliv tepelného zpracování na mechanické a superelastické vlastnosti NiTi slitiny, určené pro biolékařské aplikace, konkrétně pro použití ve stomatologii. V teoretické části jsou zahrnuty všechny významné oblasti, jež souvisí jak se zaměřením disertační práce, tak s biolékařským využitím dané slitiny. Konkrétně tedy obsahuje charakteristiku NiTi slitin, lékařské aplikace, povrchové vlastnosti, problematiku martenzitické transformace a následně superelastického chování, jež je s touto transformací úzce spojeno. Dále jsou probrány také precipitační jevy při tepelném zpracování a jejich účinky na vlastnosti. V experimentální části práce jsou pak zahrnuty cíle práce, charakteristika výchozího materiálu a následně popis a parametry všech analýz, které byly realizovány. Experimentální materiál zahrnoval polotovary endodontických nástrojů, dráty a fragmenty drátů shodného průměru. Dráty a fragmenty byly vyrobeny z Nitinolu SE508, polotovary endodontických nástrojů z Nitinolu SE508 a Nitinolu SE508ELI. Vzorky byly podrobeny tepelnému zpracování v rozmezí 300–500 °C (300, 350, 400, 450 a 500 °C) v běžné oxidační atmosféře. Vzorky ve formě drátů byly určeny ke dvěma typům tahového namáhání, za účelem stanovení vybraných mechanických a superelastických vlastností. Na vzorcích po tahovém namáhání do lomu bylo také provedeno fraktografické studium pomocí SEM. Polotovary endodontických nástrojů byly určeny ke specifické únavové zkoušce. Fragmenty drátů byly poté využity ke studiu struktury pomocí optické a skenovací elektronové mikroskopie a ke stanovení transformačních charakteristik pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie.

Abstract:

The presented dissertation is focused on the effect of thermal treatment on the mechanical and superelastic properties of NiTi alloy, intended for biomedical applications, especially for use in stomatology. The theoretical part includes all important areas related to both the focus of the dissertation and the biomedical use of the given alloy. Especially, it contains the characteristics of NiTi alloys, medical applications, surface properties, the issue of martensitic transformation and subsequently superelastic behaviour, which is closely connected with this transformation. Precipitation phenomena during heat treatment and their effects are also discussed. The experimental part of the work includes the goals of the work, the characteristics of the experimental material, and then the description and parameters of all analyses that were carried out. The experimental material included semi-finished endodontic instruments, wires and wire fragments of the same diameter. Wires and fragments were made from Nitinol SE508, semi-finished endodontic instruments from Nitinol SE508 and Nitinol SE508ELI. The samples were subjected to heat treatment in the range of 300-500 °C (300, 350, 400, 450 and 500 °C) in a normal oxidizing atmosphere. Samples in the form of wires were intended for two types of tensile stress, in order to determine selected mechanical and superelastic properties. A fractographic study using SEM was also performed on the samples after tensile stressing to fracture. The semi-finished endodontic instruments were intended for a specific fatigue test. The wire fragments were then used to study the structure using optical and scanning electron microscopy and to determine the transformation characteristics using differential scanning calorimetry.

Keywords

NiTi slitina, Nitinol SE508, martenzitická transformace, superelasticita, tepelné zpracování

Keywords

NiTi alloy, Nitinol SE508, martensitic transformation, superelasticity, heat treatment

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Monika Losertová
• Reader: Radek Sedláček, Vlastimil Vodárek, Pavel Lejček

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme:
Materiálové vědy a inženýrství