医用Ti-Cu合金屈服行为及高温变形行为研究

发布时间：2020-08-25 07:29

【摘要】：钛及钛合金比强度高、生物相容性好,耐腐蚀性和抗疲劳性能亦优于不锈钢和钴基合金,是人工关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托等医用植入产品的首选材料。在钛合金中引入Cu元素不仅可以降低合金的熔点,还可以提高合金的耐磨性、生物相容性和抗菌性等。近年来,钛铜合金(Ti-Cu合金)引起了广大学者的关注,研究表明,钛合金中铜的含量对其力学性能的影响很大,如伸长率、模量和硬度等。目前对Ti-Cu合金的研究大部分集中于微观结构、抗菌性能、压缩或拉伸强度等方面,然而作为牙齿、骨骼或关节的替代品,在咀嚼食物或者人体运动过程中,亦或是在制造加工过程中,医用Ti-Cu合金往往处于复杂环境下或受到复杂的应力状态。因此,对Ti-Cu合金组分设计、耐磨性及各种工况下力学性能的研究显得尤为必要。考虑到Ti-Cu合金的加工和使用环境,本文拟对Ti-Cu合金不同加载条件和温度工况下的力学响应进行深入分析,具体研究内容与结论如下:(1)以海绵钛和金属铜制备Ti-Cu合金,利用XRD、SEM对Ti-Cu合金的物相组成、微观结构进行表征,并通过纳米压入法分析加载方式和加、卸载参数对合金硬度和弹性模量的影响。结果表明:Ti-Cu合金由α'相与Ti_2Cu相组成;与循环加载和恒载荷速率加载方式相比,连续刚度法测得的弹性模量与硬度值相对较高;加载速率对测量值的影响较小,但卸载速率对测量结果有较大影响,随着卸载速率的增加,测得的弹性模量有所降低,而硬度则有所增加;析出的Ti_2Cu相能有效提高材料的强度。(2)对Ti-Cu合金的单轴压缩、拉伸以及纯剪切加载条件下的静动态力学性能进行测试分析,并着重研究其在压剪复合加载状态下的力学响应,分析了Ti-Cu合金在各种应力状态下的力学行为并得到了其实验屈服轨迹,探究了应变率对Ti-Cu合金屈服行为的影响。结果显示:Ti-Cu合金屈服强度拉压不对称,表明了其屈服行为正应力方向相关性;随着应变率的增加,Ti-Cu合金的屈服轨迹呈各向同性膨胀趋势。(3)通过对比不同应力状态下的实验结果与相关理论屈服准则的吻合度,发现考虑拉压不对称效应的Cazacu-Barlat准则能够很好地描述Ti-Cu合金的屈服行为;并在此基础上对Cazacu-Barlat准则进行改进,提出了一个率相关的Cazacu-Barlat屈服准则,拓展了该屈服准则的应用范围。(4)开展了Ti-Cu合金的高温压缩测试,分析了温度和应变率对其力学性能的影响。结果表明:温度一定时,流变应力随着应变率的升高而增加;应变率一定时,流变应力随着温度的升高而减小。同时基于双曲正弦形式的Arrhenius本构方程构建了Ti-Cu合金的高温本构模型,较为准确地预测了该合金的高温流变应力及其变形行为。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;R318.08
【图文】：

膝关节置换,据估计,不锈钢,钴基合金

太原理工大学博士研究生学位论文、形状记忆合金和镁合金等（如图 1-1 所示）。不锈钢主要用于人工关节、骨器械、血管内扩张支架和人工心脏瓣膜等，但是其力学性质较差，不具备生物应用中易发生点蚀或界面腐蚀，且会释放某些可能诱发肿瘤的有害离子。钴基不锈钢之外另一种应用最为广泛的材料，相对不锈钢而言钴基合金承载力更更好，更适宜用作制造长期植入体，但其用作人工髋关节时界面松动率较高，离子的释放可能会引起细胞与组织坏死，或皮肤的过敏等不良反应。钛及钛合材料中弹性模量最接近骨的，其比强度高、生物相容性好，耐腐蚀性和抗疲劳不锈钢和钴基合金，是人工关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统、牙种植体医用植入产品的首选材料。

植入体,修复手术,抗腐蚀磨损性

太原理工大学博士研究生学位论文苦，并且非常昂贵，且成功率相当低。在 2005 年至 2030 年期间，髋关节修复手术增加 137%，膝关节修复手术预计增加 607%[3]。然而，商业生物材料在长期植入后生失效，原因有许多种，例如疲劳强度低、弹性模量与骨不匹配、抗腐蚀磨损性能及缺乏生物相容性等。图 1-2 列出了引起植入体失效和修复手术的常见原因，并列相关解决方案[4]。

髋关节,膝关节,结构示意图

钛及其合金在医疗领域的应用范围相当广泛，包括牙齿植入和牙齿矫正手术，髋、膝关节、肩部、脊柱、肘部和腕部的关节置换、钉、螺钉、螺母和钢板等骨固定、心脏起搏器和人工心脏瓣膜的外壳装置，手术器械和高速血液离心机的组件[10。图 1-3 为人工植入髋关节和膝关节的结构示意图。虽然钛及其合金，尤其是 Ti6优异的耐蚀性和生物相容性著称，但由于铝和钒的释放，其长期性能引起了很大的。Ti64 合金释放的 Al 和 V 离子与长期健康问题有关，如阿尔茨海默症、神经病和病[13]。此外，钒的元素态和氧化物 V2O5态均存在于植入物表面，且均有毒[6,14]。抗剪强度较低，使得在接骨螺钉、钢板等类似的应用中不那么理想。当钛与自身或金属发生摩擦时，会发生严重磨损[15]。具有高摩擦系数的钛基合金会形成磨损碎片而导致炎症反应并引起疼痛以及骨质溶解并引起植入体体松动[16]。由于这些局限性入物的使用期限一般为 10-15 年，这使得生物医学研究人员长期致力于开发出一种的模拟人体骨骼的假肢。

【参考文献】