生物医用Ti-Nb-Zr-Sn合金组织和力学性能的研究
天津大学
硕士学位论文
生物医用Ti-Nb-Zr-Sn合金组织和力学性能的研究
姓名：李强
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：杨贤金
20070501
工程材料力学性能 东北大学
课后答案 第一章 一、解释下列名词 材料单向静拉伸载荷下的力学性能 滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。 弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)增加；反向加载时弹性极限(ζP)或屈服强度(ζS)降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学性能? 答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义? 答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。包辛格效应可以用位错理论解释。 第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。 其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。 实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度位错增值和运动晶粒、晶界、第二相等外界影响位错运动的因素主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。派拉力：位错交互作用力（a 是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L 是位错间距。） 2．2．晶粒大小和亚结构晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏
镁合金在生物医用材料领域的应用及发展前景
镁合金在生物医用材料领域的应用及发展前景 作者：张佳， 宗阳， 付彭怀， 袁广银， 丁文江， Zhang Jia， Zong Yang， Fu Peng-huai，Yuan Guang-yin， Ding Wen-jiang 作者单位：张佳,宗阳,付彭怀,Zhang Jia,Zong Yang,Fu Peng-huai(上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心,上海市,200240)， 袁广银,丁文江,Yuan Guang-yin,Ding Wen-jiang(上海交 通大学轻合金精密成型国家工程研究中心,上海市,200240;上海交通大学金属基复合材料国 家重点实验室,上海市,200030) 刊名： 中国组织工程研究与临床康复 英文刊名：JOURNAL OF CLINICAL REHABILITATIVE TISSUE ENGINEERING RESEARCH 年，卷(期)：2009,13(29) 被引用次数：8次 参考文献(23条) 1.Thomann Ul;Uggowitzer PJ Wear-corrosion behavior of biocompatible austenitic stainless steels[外文期刊] 2000(01) 2.阎建中;吴荫顺;李久青316L不锈钢微动磨蚀过程表面钝化膜自修复行为研究[期刊论文]-中国腐蚀与防护学报2000(06) 3.任伊宾;杨村;梁勇新型生物医用金属材料的研究和进展[期刊论文]-材料导报 2002(02) 4.张玉梅;郭天文;李佐臣钛及钛合金在口腔科应用的研究方向[期刊论文]-生物医学工程学杂志 2000(02) 5.Long M;Rack HJ Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective[外文期刊] 1998(18) 6.Nagels J;Stokdijk M;Rozing PM Stress shielding and bone resorption in shoulder arthroplasty[外文期刊] 2003(01) 7.Staiger MP;Pietak AM;Huadmai J Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials:a review[外文期刊] 2006(09) 8.黎文献镁及镁合金 2005 9.Kannan MB;Raman RK In vitro degradation and mechanical integrity of calcium-containing magnesium alloys in modified-simulated body fluid[外文期刊] 2008(15) 10.Heublein B;Rohde R;Kaese V Biocorrosion of magnesium alloys:a new principle in cardiovascular implant technology?[外文期刊] 2003(06) 11.Zartner P;Cesnjevar R;Singer H First successful implantation of a biodegradable metal stent into the left pulmonary artery of a preterm baby[外文期刊] 2005(04) 12.Erbel R;Mario CD;Bartunek J Temporary scaffolding of coronary arteries with bioabsorbable magnesium stents:a prospective,non-randomised multicentre trial[外文期刊] 2007(9576) 13.Duygulu O;Kaya RA;Oktay G Investigation on the potential of magnesium alloy AZ31 as a bone implant[外文期刊] 2007(1) 14.Denkena B;Witte F;Podolsky C Degradable implants made of magnesium alloys 2005 15.Li Z;Gu X;Lou S The development of binary Mg-Ca alloys for use as biodegradable materials within bone[外文期刊] 2008(10) 16.Gao JC;Qiao LY;Li LC Hemolysis effect and calcium-phosphate precipitation of heat-organic-film treated magnesium[外文期刊] 2006(03)
镁合金力学性能的研究
Mg-Zn-RE-Zr合金的拉伸力学性能和微观结构的发展文章中将成分为Mg-5.3Zn-1.13Nd-0.51La-0.28Pr-0.79Zr的铸件进行热挤压，并且对挤压比和温度对显微组织和力学性能的影响进行了研究。结果表明当挤压比从0提高到9的时候铸态合金晶粒变粗大，共晶成分沿着挤出方向拉长。然而,进一步提高挤压比率对晶粒细化和改善合金的力学性能的影响不大。动态再结晶是热挤压过程中晶粒细化的主要机制，提高挤压温度导致出现等轴晶粒。与此同时,力学性能随挤压温度的升高而降低。
目录 第1章介绍 (3) 第2章试验方法 (4) 第3章实验结果 (5) 3.1铸态合金显微组织 (5) 3.2挤压合金的微观组织演变 (9) 3.2.1改变挤压比和温度对微观组织的影响 (9) 3.2.2挤压比和挤压温度对力学性能的影响 (12) 第4章讨论 (16) 第5章.结论 (18) 第6章致谢 (20)
第1章介绍 镁合金因其低密度、高特定的刚度和良好的阻尼能力在汽车和航空工业上吸引了人们的注意[1]。镁合金可以大致分为含铝合金和无铝合金[2]。广泛使用镁合金属于Mg-Al系列，比如AZ91和AM60，它们具有良好的铸造性能和较低的成本[3]。然而,因为他们的机械性能和热稳定性差，这些合金的应用受到了限制[4]。与Mg-Al系列相比,Mg-Zn系列的合金,比如ZK60系列合金，是具有很大发展潜力的低成本高强度镁合金[5]。 在所有的镁合金中，AZ60具有较好的机械性能，比如室温下或者高温下具有高强度[6]。然而,它的强度在室温或者高温时候还是低于铝合金。最近,据报道,添加稀土可以改善ZK60合金的力学性能[7]。周教授等人研究了稀土元素钕和钇对于ZK60合金的微观结构和力学性能的影响。钕和钇的结合在动态再结晶过程中对细化晶粒产生了很大的影响。此外,钕和钇的结合还提高了屈服强度和抗拉强度。何教授等人的确定了钆元素对ZK60合金显微组织和力学性能的影响。钆的增加大大减少了时效硬化效果和少量的降低了屈服强度和抗拉强度。然而,添加钆造成的晶粒细化补偿了部分屈服强度和抗拉强度的损失。张教授等人[9]指出ZK60合金与铒结合之后改善变形性能,细化了晶粒和显微组织，具有良好的机械性能。 在这项研究中,镁合金准备直接进行冷铸造。此外,挤压比和温度对合金影响也表现了体现出来。
铝合金 特性
纯铝的强度低，不宜用来制作承受载荷的结构零件。向铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素，可制成强度较高的铝合金，若在经冷变形强化或热处理，可进一步提高强度。 根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为形变与铸造铝合金两大类.工业上应用的主要有铝-锰,铝-镁,铝-镁-铜,铝-镁-硅-铜,铝-锌-镁-铜等合金.变形铝合金也叫熟铝合金,据其成分和性能特点又分为防锈铝,硬铝,超硬铝,锻铝和 特殊铝等五种. 铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。 铝合金基本常识 一、分类：展伸材料分非热处理合金及热处理合金 1.1 非热处理合金：纯铝—1000系，铝锰系合金—3000系，铝矽系合金—4000系，铝镁系合金—5000系。 1.2 热处理合金：铝铜镁系合金—2000系，铝镁矽系合金—6000系，铝锌镁系合金—7000系。 二、合金编号：我国目前通用的是美国铝业协会〈Aluminium Association〉的编号。兹举 例说明如下：1070-H14(纯铝)
2017-T4(热处理合金) 3004-H32(非热处理合金) 2.1第一位数：表示主要添加合金元素。 1：纯铝 2：主要添加合金元素为铜 3：主要添加合金元素为锰或锰与镁 4：主要添加合金元素为矽 5：主要添加合金元素为镁 6：主要添加合金元素为矽与镁 7：主要添加合金元素为锌与镁 8：不属於上列合金系的新合金 2.2第二位数：表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金。 0：表原合金 1：表原合金经第一次修改 2：表原合金经第二次修改 2.3第三及四位数： 纯铝：表示原合金 合金：表示个别合金的代号 ＂-″：后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的鍊度符号-Hn ：表示非热处理合金的鍊度符号 -Tn ：表示热处理合金的鍊度符号 2 铝及铝合金的热处理 一、鍊度符号：若添加合金元素尚不足於完全符合要求，尚须藉冷加工、淬水、时效
镁合金力学性能强化的几种途径
镁合金力学性能强化的几种途径 摘要对近几年镁合金力学性能强化的研究进行了总结，主要途径归纳为三个方面，一是热处理，二是合金化，三是加工工艺。 关键词：镁合金力学性能热处理合金化加工工艺 镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高的特点,而且还具有优良的阻尼性能、较好的尺寸稳定性和机械加工性能及较低的铸造成本。广泛应用于航空航天、汽车和电子等行业。但是,镁合金密排六方的晶体结构及较少的滑移系决定了其塑性变形能力较差,所以应该用一些方法来提高其力学性能，本文就近几年镁合金力学性能方面的研究进行总结，并提出建议。 1 镁及其合金的力学性能 镁是一种二价的碱金属元素，属于密排六方晶系，这种密排六方结构使之在力学和物理性能方面表现出强烈的各向异性。纯镁象其他纯金属一样，表现出相对低的强度。其弹性模量E=45GPa，切变模量K=17GPa，比弹性模量E/ρ=25GPa。因此必须用其他元素进行合金化以获得所需要的性能。目前主合金元素是Al、Zn 和Re等，这些合金元素使镁合金得到不同程度的强化。变形镁合金主要通过热变形和冷变形来提高强度。热处理是提高镁合金力学性能的重要途径。另外其他一些工艺或处理也能有效提高镁合金的力学性能，如颗粒增强复合材料、半固态铸造和熔体热速处理、表面处理等。 2强化途径 2.1 热处理 2.1.1铸造镁合金的热处理 铸造镁合金的室温和高温力学性能强化途径有固溶处理和失效处理[1]。对某高锌镁合金Mg-Zn-Al-RE进行热处理[2]，固溶处理温度340℃,保护剂为硫铁矿石,保温时间20 h,热水淬火,淬火介质采用70～75℃热水;时效处理温度180℃,保温时间10 h,出炉空冷。经固溶及时效处理后,合金的相成分主要为α-Mg,还有含微量稀土的其它固溶强化三元相。其中比较典型的固溶强化相有Ф相
铝合金的典型机械性能
铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties) 铝合金牌号 及状态拉伸强度(25°C MPa)屈服强度(25°C MPa)硬度500kg力10mm球延伸率 1.6mm(1/16in)厚度 5052-H112 175 195 60 12 5083-H112 180 211 65 14 6061-T651 310 276 95 12 7050-T7451 510 455 135 10 7075-T651 572 503 150 11 2024-T351 470 325 120 20 铝合金的典型物理性能(Typical Physical Properties) 铝合金牌号及状态热膨胀系数 (20-100℃) μm/m?k熔点范围 (℃)电导率20℃(68℉) (%IACS) 电阻率20℃(68℉) Ωmm2/m 密度(20℃)(g/cm3) 2024-T351 23.2 500-635 30 0.058 2.82 5052-H112 23.8 607-650 35 0.050 2.72 5083-H112 23.4 570-640 29 0.059 2.72 6061-T651 23.6 580-650 43 0.040 2.73 7050-T7451 23.5 490-630 41 0.0415 2.82 7075-T651 23.6 475-635 33 0.0515 2.82 铝合金的化学成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum ) 合金 牌号硅Si 铁Fe 铜Cu 锰Mn 镁Mg 铬Cr 锌Zn 钛Ti 其它铝 每个合计最小值 2024 23.2 0.5 3.8-4.9 0.3-0.9 1.2-1.8 0.1 0.25 0.15 0.05 0.15 余量5052 25 0.4 0.1 0.1 2.2-2.8 0.15-0.35 0.1 -- 0.05 0.15 余量5083 23.8 0.4 0.1 0.3-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 余量6061 23.6 0.7 0.15-0.4 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 余 量 7050 23.5 0.15 20.-2.6 0.1 1.9-2.6 0.04 5.7-6.7 0.06 0.05 0.15 余量7075 23.6 0.5 1.2-2.0 0.3 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.2 0.05 0.15 余 量 美铝典型应用领域 用途 2024 5052 5083 6061 7050 7075 农业 -- ● -- ● -- -- 航空器● -- -- ●●● 模具 -- ● -- ● -- ● 机械设备●● -- ●●● 五金零件 -- -- -- ● -- -- 建筑 -- ● -- ● -- --
结构用铝合金材料力学性能
附录A 结构用铝合金材料力学性能 常见结构用铝合金板、带材力学性能（标准值）可按表A-1采用，结构用铝合金棒、管、型材力学性能（标准值）可按表A-2采用。结构用铝合金板、带、棒、管、型材的化学成分可按表A-3采用。 表A-1 结构用铝合金板、带材力学性能标准值
注：1. 伸长率标准值中，A适用于厚度不大于12.5mm的板材，A适用于厚度大于12.5mm的板材。502. 表中焊接折减系数的数值适用于材料焊接后存放的环境温度大于10℃，存放时间大于3d（6XXX系列）或30d（7XXX系列）的情况。 3. 表中焊接折减系数的数值适用于厚度不超过15mm的MIG焊，以及3xxx系列、5xxx系列合金和8011A合金厚度不超
过6mm的TIG焊。对于6xxx系列和7xxx系列合金厚度不超过6mm的TIG焊，焊接折减系数的数值必须乘以0.8。当厚度超过上述规定，如无试验结果或国内外相关规范规定，3xxx系列、5xxx系列合金和8011A合金焊接折减系数的数值必须乘以0.9，6xxx系列和7xxx系列合金焊接折减系数的数值必须乘状态不需进行上述折减。O焊）。对于TIG（0.64焊）或MIG（0.8以． 表A-2 结构用铝合金棒、管、型材力学性能标准值
适用于厚度（或直的板（或棒）材，A注：1. 伸长率标准值中，A适用于厚度（或直径）不大于12.5mm50 12.5mm的板（或棒）材。径）大于系6XXX（2. 表中焊接折减系数的数值适用于材料焊接后存放的环境温度大于10℃，存放时间大于3d 系列）的情况。列）或30d（7XXX8011A系列合金和MIG焊，以及3xxx系列、5xxx3. 表中焊接折减系数的数值适用于厚度不超过15mm的焊接折减系数的7xxx系列合金厚度不超过6mmTIG焊，合金厚度不超过6mm的TIG焊。对于6xxx系列和系列合。当厚度超过上述规定，如无试验结果或国内外相关规范规定，3xxx系列、5xxx的数值必须乘以0.8系列合金焊接折减系数的数值必须乘0.9，6xxx系列和7xxx金和8011A合金焊接折减系数的数值必须乘以TIG焊）。对于O状态不需进行上述折减。以0.8（MIG焊）或0.64（
可降解生物医用镁合金JDBM作为颌骨修复材料的应用研究
可降解生物医用镁合金JDBM作为颌骨修复材料的应用研究本论文旨在通过体外评价及体内评价两方面,针对可降解生物医用镁合金JDBM作为颌骨修复材料的临床应用前景作出相关的研究。论文首先以无涂层JDBM,钙磷涂层JDBM(CJDBM)及医用不锈钢316L作为研究对象,评价三种材料的体外生物相容性。 CCK-8方法测量细胞活性实验以及r BMMSC细胞在三种材料表面粘附实验表明,JDBM、CJDBM及316L三种样品均表现出良好的生物安全性及生物相容性。聚合酶链式反应结果显示,CJDBM样品浸提液能够显著促进成骨细胞标记蛋白的基因表达。 其次,选择CJDBM骨钉植入白兔颌骨,研究其体内生物相容性以及骨修复性能,以316L骨钉作为对照组。研究发现,CJDBM颌骨骨钉植入一个月时,由于手术创伤及Mg2+的释放,会升高白兔血清镁含量;但随着植入时间增加以及白兔自身调节,血清镁含量会逐渐恢复正常。 颌骨骨钉的植入未对白兔内脏造成过重负担而引起病变。实验组与对照组的白兔内脏组织切片观察结果显示,心、肝、脾、肾功能均正常,无组织坏死或炎症反应发生。 骨组织切片观察结果显示,CJDBM骨钉在成骨诱导及分化方面明显优于316L 不锈钢骨钉,骨再生前期对类骨质等不成熟骨组织的促进作用更为明显。植入4个月后,CJDBM骨钉周围骨组织更快进入成熟期,骨缝线愈合情况优于不锈钢骨钉。 从同步辐射断层扫描三维重构结果及扫描电子显微镜观察涂层降解结果分析,植入1个月后涂层未完全降解,仍对内部JDBM基体起到一定保护作用;植入4
个月后涂层降解完全,镁合金基体发生轻度降解;植入7个月后镁合金基体持续降解,降解速率有所提升。因此,利用合金化研制开发的新型生物医用镁合金JDBM具有优异的生物安全性及生物相容性。 通过表面处理沉积钙磷陶瓷涂层后,能够显著提高JDBM镁合金成骨诱导性并在一定程度上实现镁合金骨钉在动物体内的可控降解,以解决降解速率不匹配可能导致的材料失效情况,从而满足可降解镁合金作为颌骨植入修复材料的临床要求。因此,可降解生物医用镁合金JDBM在颌骨修复的临床应用方面具有巨大的潜力与前景。
镁合金研究现状及发展趋势
镁合金研究现状及发展趋势 摘要：镁合金作为21世纪的绿色环保工程材料之一，近年来已成为学术界的一个研究热点。本文主要综述了镁合金的研究进展和应用，介绍了耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等高性能镁合金材料的最新发展。还介绍了镁合金成型技术的研究成果，最后展望了高性能镁合金的发展前景。 关键词：镁合金；高强高韧；成型技术；应用 1.引言 镁（Mg）是地球上储量最为丰富的元素之一，在陆地、湖泊和海洋中都广为分布，例如，其在地壳表层金属矿资源中的含量达2.3%，仅次于占8.1%的铝和5%的铁，居第三位；海水中的镁含量达到2.1×1015吨，可以认为是取之不尽、用之不竭的元素[1]。此外，我国的白云石矿储量、菱镁矿以及原镁的产量位列世界镁资源储量首位[2]。同时，随着当前钢铁行业中铁矿石等资源的日趋紧张，开发和利用镁作为替代材料是必然的趋势。被誉为“二十一世纪绿色金属结构工程材料”的镁合金是目前所知金属结构材料中最轻的，与其他同类材料相比，它具有密度小，比强度、比刚度较高，可以回收再利用且机加工性能优异，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果佳等一系列优点，因此在交通运输（如汽车、摩托车、自行车等工业）、航空航天、武器装备、计算机通讯和消费电子产品等领域具有广阔的应用前景[3]，但其使用量与铝合金和塑料相比还相当少[4]。 目前，从全球镁合金研发状况看，发展方向如图1所示[5]，我国在镁合金材料的应用研究与产业化方面也己取得重大进展，形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁应用强国的跨越奠定了坚实的基础。
图1 镁合金的研发方向[5] Fig. 1 Directions of Mg alloy development 2.镁合金的特点及分类 通过在纯镁中添加其他化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。但镁合金同时存在着显著的缺点，下面对镁合金的优缺点进行简要的阐述。 2.1镁合金的优点[6 ~ 8] 1）密度小、质量轻。镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，根据合金成分的不同，其密度通常在1.75-2.10g/cm3范围内，约为铝的2/3，钢的1/4。 2）比强度、比刚度高。镁合金的比强度高于铝合金和钢铁，但略低于比强度最高的纤维增强塑料。其比刚度与铝合金和钢铁相当，但却远高于纤维增强塑料。镁合金材料与其他相关材料的物理性能和力学性能分析比较如表1所示。 表1 镁合金和相关材料的物理和力学性能比较 Tab. 1 The comparison of physical and mechanical properties between magnesium alloy and other materials [9] 材料抗拉强度/Mpa 屈服强度/Mpa 延伸率/% 弹性模量/Gpa 比强度镁合金AZ31 251 154 13.8 45 141 镁合金AZ91 275 145 13.8 45 151 镁合金AM60 240 140 15 45 134 铝合金380 315 160 3 71 106 碳钢517 140 22 200 80 塑料ABS 35 - 40 2.1 41 塑料PC 104 - 3 6.7 102 3）吸震阻尼性能好。镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。镁合金具有极好的滞弹吸震能力，其抗冲击性是铝合金的10倍，塑料的20倍。 4）良好的铸造性能。镁与铁的反应低，熔炼时可用铁坩埚，熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小，与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高2-3倍，通常可维持20万次以上。镁合金的比热和结晶潜热小，所以流动性
材料力学性能静拉伸试验报告
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
生物医用镁合金表面PLGA涂层研究
生物医用镁合金表面PL GA涂层研究3 赵常利,张绍翔,何慈晖,李佳楠,张蓓蕾,张小农(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240) 摘 要: 镁及镁合金作为可降解吸收生物医用材料的研究已得到关注,但与传统可降解材料相比其腐蚀降解较快,可能导致提前失效。以高纯的Mg2Zn合金为研究材料,采用浸涂提拉法在其表面得到PL GA涂层。结果表明,PL GA涂层致密均匀,耐蚀性好,降解周期长,可以有效保护镁合金在植入初期不发生腐蚀降解,延长其发挥功能的时间,达到良好的医学适用性。 关键词: 生物镁合金;PL GA涂层;腐蚀降解 中图分类号: T G146.22;R318.01文献标识码:A 文章编号:100129731(2008)0620987203 1 引 言 最近,纯镁及镁合金在生物医用领域的应用已得到越来越多的关注[1～4]。镁是人体所必需的元素之一,是人体内含量仅次于钾的细胞内正离子,参与体内一系列新陈代谢过程,包括骨细胞的形成,加速骨愈合能力等。纯镁的密度仅为1.74g/cm3,与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)极为相近,镁合金有较高的比强度与比刚度,且加工性能良好。镁及镁合金的杨氏弹性模量约为45GPa,与人体密质骨弹性模量相当(如人体胫骨纵向弹性模量为18.6GPa[5,6]),远低于Ti6Al4V 钛合金及316L不锈钢的弹性模量(分别为110和约200GPa),能有效缓解应力遮挡效应,促进骨愈合。镁的化学性质十分活泼(-2.37V vs SCE)[7],易于与水溶液发生反应而腐蚀,在富含Cl-离子的人体生理环境中耐蚀性差,可以利用其不耐腐蚀的特点将镁及其合金发展为可降解硬组织植入材料,在完成功用的过程中,材料被逐步降解并为人体所吸收或代谢。但镁在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔(PB R=0.8),尤其在含有Cl-离子的腐蚀介质中,MgO表面膜的完整性会遭到破坏,导致腐蚀加剧,使镁合金植入材料在人体内不能维持足够的时间而提前失效,因此,提高镁及镁合金耐蚀性是确保其在该领域获得良好应用效果的前提条件。近几年很多学者对此进行了研究,任伊宾等[8]探讨了杂质及材料加工状态对纯镁腐蚀速率的影响,提出可以通过调整杂质含量、细化晶粒和固溶处理等方法控制其腐蚀速率;高家诚等[9]则通过热2有机膜表面改性等工艺提高医用纯镁耐腐蚀性能。 对纯镁及镁合金表面进行表面涂层是提高其耐蚀性的方法之一。聚丙交酯2乙交酯聚合物(PL GA)是目前广泛用于医药领域的高分子材料,PL GA是聚乳酸(PL A)和聚乙交酯(P GA)的共聚物,具有良好的生物相容性,可降解,对人体无毒副作用[10],并且还可以通过改变PL A与P GA的配比来调节降解速率,是镁基生物医用合金理想的涂层材料之一。 本文通过对医用镁合金表面进行PL GA浸涂,获得了致密均匀的PL GA涂层,并对涂层后镁合金的腐蚀性能进行了研究,以期获得可控腐蚀降解的镁合金生物材料。 2 实 验 试验采用的材料为生物医用Mg2Zn合金。合金系自制,采用高纯度的原材料冶炼而成,杂质含量Fe ≤0.0038%、Si≤0.0016%、Ni≤0.0005、Cu≤0.0005、Al≤0.0085。合金化提高了材料的力学性能,满足植入材料对力学性能的要求;对合金杂质的严格控制提高了医用合金本身的耐蚀性。试验采用的涂层材料为PL GA颗粒(重均分子量M w=140000,m(PL A)∶m (P GA)=90∶10),有机溶剂为氯仿。 试验采用浸涂提拉法在医用镁合金表面获得PL2 GA涂层。首先取尺寸为 11.3mm×2mm医用Mg2 Zn试样,将PL GA分别按质量百分比2%和4%(质量分数)溶于氯仿,然后将试样放入溶液浸涂一段时间,随后以一定的速率拉出,晾干,待溶剂挥发PL GA固化,获得涂层。 为研究涂层对材料腐蚀降解性能的影响,本研究分别采用电化学方法和静态浸泡方法测试了其腐蚀性能。电化学实验采用电化学测试工作站PA RSTA T 2273,采用三电极体系,其中为工作电极为测试试样,参比电极为KCl溶液饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为石墨棒。实验所得数据均相对于参比电极而言。实验采用溶液为生理盐水(0.9%NaCl溶液,中国上海百特医疗用品有限公司制造),测量前,先将有涂层Mg2 Zn合金试样及无涂层合金试样在溶液中浸泡,待得到稳定的开路腐蚀电位(OCP)后,在低于开路腐蚀电位250mV左右进行正向动态阳极极化扫描速率为1.0 mV/s,最大扫描终止电位为1.6V。 789 赵常利等:生物医用镁合金表面PL GA涂层研究 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(30772182) 收到初稿日期:2007211209收到修改稿日期:2008201229 通讯作者:张小农作者简介:赵常利 (1977-),河北衡水人,助理研究员,主要从事生物材料研究。
医用镁及镁合金材料表面改性的应用
医用镁及镁合金材料表面改性的应用 摘要 镁是可被人体吸收的常量元素,且具有较高的比强度和比刚度,在医用植入材料领域具有广阔的应用前景。本文综述了医用镁及镁合金作为生物医用材料的表面改性技术的研究现状。 关键词：镁合金；表面改性；生物医用材料 1 镁及镁合金作为医用材料的优点 1.1 优良的机械性能 镁属于轻金属，在现有的工程用金属中密度最小，仅为1.74 g/cm3，并且与人骨的密质骨密度(1.80 g/cm3)极为接近。其导热率好，无磁性，对CT 或磁共振图像干扰小。镁及镁合金的机械性能比其他常用金属材料更接近天然骨，如用作植入材料，其适中的弹性模量能够有效缓解应力遮挡效应，对骨折愈合、种植体的稳定具有重要作用。镁合金具有很好的流动性与快速凝固率，尺寸稳定性好，是良好的压铸材料，且容易切削加工。 1.2 生物活性、介导成骨作用及生物相容性 镁是人体必需的元素，人体含量仅次于钾、钠、钙，几乎参与人体所有的新陈代谢活动。镁也是组成骨的主要成分，能促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中起重要的调节作用。含有镁离子的生物陶瓷种植体、胶原的表面成骨细胞黏附增加，整合素表达及信号传导蛋白基因表达增高，骨整合能力增强。镁基种植体较聚乳酸表面有更多钙磷酸盐形成，周围骨量增加，提示高浓度的镁离子可提高成骨细胞的活性；在体外环境中镁可促进磷酸钙沉积，增加介导成骨作用，同时改善原位耐蚀性。 1.3 可降解性 镁的标准平衡电位为-2.34 V，低于其他工业合金；氧化膜疏松多孔，不能对基体起到良好的保护作用，尤其是在含有氯离子的腐蚀介质中，呈示出较高的化学和电化学活性，作为可降解材料具有其天然优势。 2 存在的问题 镁及镁合金的耐蚀性能较差，很容易发生点蚀，在有Cl-存在的环境中腐蚀速率更快，且在周围介质的pH值低于11.5时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。人体内的pH值约为7.4，在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症，使体内环境的pH值低于7.4，所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。虽然镁是人体的常量元素，但吸收过量镁离子对人体也是有害的。因此，对镁和镁合金腐蚀本质的研究以及表面改性技术的完善成为镁和镁合金在生物材料领域应用的关键。传统的镁合金表面改性方法有很多，但作为生物材料长期(或临时)与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性。 3 表面改性方法 研究表明，通过在镁合金表面构筑生物活性涂层，不仅能提高植入物的生物相容性，促使植入体与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于植入体早期稳定，缩短手术后的愈合期，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。使目前医用镁及镁合金材料表面改性的方法主要有：等离子喷涂、溶胶-凝胶、电化学沉积、稀土转化膜、微弧氧化和仿生法等。 3.1 等离子喷涂
材料力学性能复习重点汇总
第一章 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（σP）或屈服强度（σS）增加；反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）
单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。 屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。 4．第二相（弥散强化，沉淀强化） 不可变形第二相 提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 不可变形第二相 位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化：
镁合金的生物性能
1，为什么镁合金可以作为生物可降解材料？ (1) 2，镁合金的实验数据与人体测试的差别？ (1) 3，镁合金不适用于做可降解材料的原因？ (3) 4，最适合的材料？ (4) 5，镁合金发展的瓶颈？降解速度过快 (5) 6，各种元素对镁的作用？（论文5） (5) 7，镁合金的发展史？ (6)
1，为什么镁合金可以作为生物可降解材料？ 生物力学性能：密度与人体骨骼最接近。弹性模量为人体骨骼的两倍，不及钛合金的50%，能有效缓解应力遮挡效应（镁的弹性模量和压缩屈服强度和人骨相近，可避免材料弹性模量较高时因应力屏蔽效应造成骨质吸收，而弹性模量过低则不能起到刺激骨生长的作用[5]）。 生理作用及代谢：镁是人体必需的营养元素，与钠、钾、钙元素一起构成人体细胞内外最重要的４种阳离子。镁是多种酶的激活剂和辅助因子。镁是骨骼和牙齿的重要组成部分，对预防骨质疏松有一定作用。就人体循环系统而言，镁可引起血管扩张，同时有防止动脉粥样硬化的作用。镁参与体内三大产热营养素代谢、神经冲动产生与传递、肌肉收缩等［４，５］。肾脏是镁代谢调节的中心，肾小球对血镁进行过滤，９５％～９８％由肾小管再吸收。肾的调节作用可在一定范围内保持血镁正常。因此，将可吸收镁合金的降解速度控制在一定范围内，不超过肾脏代谢能力，就能保持较好的安全性［４，６］。（论文9）镁是人体内含量仅次于钾的细胞内阳离子，在新陈代谢过程中起着重要作用，镁也是组成生物体骨的主要成分，能够促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中具有重要的调节作用［３］。此外，由于镁合金所具有的金属材料特性，其塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料［４］，因而更适于在骨等硬组织修复和介入治疗方面的临床应用。更令人欣喜的是，全球现有实验中所选用的镁合金在血液及骨环境下进行短期实验观察时均没有不良后果产生［５］镁具有很好的生物相容性，可以减缓细胞膜表面对植入物的排斥。 镁是300 多种酶的共存因子，能够稳定DNA 和RNA 的结构[5]，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，抑制神经的兴奋，保障心肌正常收缩。人体大约70 kg 体重中包含有35g 镁[3]。世界卫生组织提出，镁的每日摄入量男性为300mg，女性为280 mg，儿童为250 mg，婴幼儿为80mg。镁的密度为1.74 g/cm3，而铝和铁的密度分别为镁的1.6 倍和4.5 倍[5] ３ＶｏｒｍａｎｎＪ．Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ：Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ［Ｊ］．ＭｏｌＡｓｐｅｃｔｓＭｅｄ，２００３，２４（１）：２７４ＳｔａｉｇｅｒＭＰ，ＰｉｅｔａｋＡＭ，ＨｕａｄｍａｉＪ，ｅｔａｌ．Ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｎｄｉｔｓａｌｌｏｙｓａｓｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅ－ｒｉａｌｓ，２００６，２７：１７２８ ５郑玉峰，顾雪楠，李楠，等．生物可降解镁合金的发展现状与展望［Ｊ］．中国材料进展，２０１１，３０（４）：３０ 2，镁合金的实验数据与人体测试的差别？ 体外实验缺乏统一的标准，加之体外实验常规方法（失重测试、氢气体积监控、ｐＨ检测、电化学测试、阻抗分析等）各有利弊，同时模拟体液（Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｏｄｙｆｌｕｉｄ，ＳＢＦ）的选择更是各有不同（见表１），这使得研究者的实验结果存在不小差别，甚至大相径庭。
材料的常用力学性能有哪些
材料的常用力学性能有哪些 材料的常用力学性能指标有哪些 材料在一定温度条件和外力作用下,抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能.锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括:强度、硬度、塑性和韧性等. (1)强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力.强度指标是设计中决定许用应力的重要依据,常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb,高温下工作时,还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD. (2)塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力.塑性指标包括:伸长率δ,即试样拉断后的相对伸长量;断面收缩率ψ,即试样拉断后,拉断处横截面积的相对缩小量;冷弯(角)α,即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度. (3)韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力.韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值αk表示.Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外,还对材料的一些缺陷很敏感,能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化.而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感,低温冲击试验能检验钢的冷脆性. 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ,它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力. (4)硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标.硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完全一样.最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV),其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力.而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代表金属弹性变形功的大小.因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标. 力学性能主要包括哪些指标 材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征. 性能指标 包括:弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度. 钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能. 金属材料的力学性能指标有哪些 一:弹性指标