生物医用Ti-12Mo-3Nb合金变形行为的研究
发布时间：2021-08-07 16:19
随着经济的发展和人们对生活质量要求的提高,越来越多的人对肢体矫正和器官替换有需求,生物医用金属材料最适合用来替代损坏的硬组织,主要的金属生物材料是医用不锈钢,钴基合金,钛及其合金。医用不锈钢、钴基合金和传统钛合金存在细胞毒副作用和严重的致敏性等生物学问题,而且其较高的弹性模量会带来“应力屏蔽”效应,而β钛合金弹性模量低,具有良好的生物相容性,成为目前生物医用钛合金研究的热点。因此,本课题选择β型Ti-12Mo-3Nb合金为研究对象,研究Ti-12Mo-3Nb合金的高温变形行为和板材的组织性能及其变形行为。高温热压缩实验结果表明,流变应力在热变形过程中受变形参数影响较大,随着变形温度升高和应变速率的降低而降低。热加工图的分析结果表明:功率耗散效率随着变形温度的上升、应变速率的降低和应变的增加,呈升高趋势,最佳热加工条件为900°C和0.01s-1。动态再结晶的组织演变过程可以用修正的Avrami公式模型来进行分析,动态再结晶动力学曲线的分析表明:在应变达到临界应变εc之前,动态再结晶不发生,动态再结晶启动后,动态再结晶晶粒的体积分数随着应变的增加而增加。在特定的应变下,动态再结晶晶粒的体...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
XRD衍射图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-图1-2光学显微组织图(a)Ti-12Mo-5Ta；(b)Ti-6Al-4V[11]S.B.Gabriel等人[13]对Ti-12Mo-3Nb合金在950℃热处理1小时并淬火后的组织和性能进行了研究，图1-3是Ti-12Mo-3Nb合金组织和拉伸曲线图，实验结果表明：1)从图1-3(a)XRD衍射图中可以看到Ti-12Mo-3Nb合金只含有单一的β相，而且可以在图1-3(b)显微组织图中可以看到单一的β相，晶粒都是等大的等轴晶；2)Ti-12Mo-3Nb的弹性模量为105GPa，而Ti-6Al-4V的弹性模量为140GPa，相比之下降低了大约25%；3)在图1-3(c)室温拉伸曲线中，Ti-12Mo-3Nb合金的抗拉强度为747MPa，屈服强度为449MPa，延伸率为42%。Mo元素作为钛合金中一种重要的β稳定元素，添加一定量后可以使钛合金退火后形成稳定的β合金组织，不同Mo添加量会对铸造Ti-Mo二元合金产生较大影响。Oliveira等人[28]将4-20Mo(wt)％的Ti-Mo合金进行电弧熔炼，通过EDX，XRF和SEM来分析合金的组分和表面，XRD的分析结果显示Mo浓度对合金的晶体结构有较大影响，Ti-4Mo合金中观察到六方晶格α"与正交晶格的α""的混合相，当添加到Ti中的Mo的浓度达到6％时，几乎只观察到α""相。含有10％Mo的合金中保留明显的β相，而在更高的Mo含量(15wt％和20wt％)时，只存在β相。因此，Mo作为钛合金的β稳定元素，可以有效改变合金的相组成，随Mo含量的增加使其从α"相与α""相向β相转变，且初步的电化学研究表明所有合金在充气Ringer溶液中具有阀金属行为和良好的耐腐蚀性。相比于美日等发达国家，我国在Ti-Mo基合金的研发上起步较晚，我国西北有色金属研究院在2000年自主开发了Ti-2Mo-2Zr-3Al，这种合金有较高的强度、韧性和耐磨性，而且弹性模量比Ti-6Al-4V低，虽然含有有毒元素Al，但是实验结果表明该合金不引起
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-一种很有前景的生物医用材料[30]。陈玉勇等人[31]研究了一系列钼含量为5%~20%(质量分数)的二元Ti-Mo合金的显微组织和性能，实验结果表明：1)铸造合金的晶体结构和形貌对钼含量敏感，当钼含量为5%时，可以观察到α等轴晶，当钼含量为10%时，可以观察到α等轴晶和细的针状β相，当钼含量为10%和15%时，只观察到β等轴晶；2)当钼含量为10%时，Ti-Mo合金的综合性能最佳，硬度为451HV，抗压强度为1636MPa，压缩率为22.5%，弹性模量为29.8GPa，钼含量的增加有利于Ti-Mo合金的晶粒细化和塑性提高；3)综合考虑各种性能，含Mo10%的Ti-Mo合金可以作为假牙材料。图1-3Ti-12Mo-3Nb组织和拉伸性能表征[13](a)XRD；(b)显微组织；(c)拉伸应力-应变曲线赵常立等人[18]研究了Ti-12Mo-5Zr的力学性能和电化学性能，采用非自耗式电弧熔化炉熔化纯金属来制备材料，然后在不同温度下进行均匀化退火和固溶处理，实验结果表明：1)在光学显微组织观察，XRD衍射实验和拉伸实验中，分别在1053K和1133K固溶处理后，材料的显微组织分别由针状的马氏体α″+β相和β相组成；1133K固溶处理后，材料的弹性模量约为64GPa，比纯钛和Ti-6Al-4V合金的弹性模量都低，且相比于Ti-6Al-4V合金，它具有合适的强度和更高的显微硬度，这些实验结果都表明Ti-12Mo-5Zr合金具有更好的生物相容(a)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]生体材料Ti-Nb-Sn合金[J]. 金属功能材料. 2019(02)
[2]新型生物医用钛合金的设计及应用进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,刘少辉,贺新杰. 有色金属材料与工程. 2018(06)
[3]{332}<113>孪晶与等温ω相的组合对不同O含量Ti-15Mo合金力学性能的影响[J]. 闵小华,向力,李明佳,姚凯,江村聪,程从前,土谷浩一. 金属学报. 2018(09)
[4]体心立方Ti-Mo基钛合金应用研究进展[J]. 向力,闵小华,弭光宝. 材料工程. 2017(07)
[5]亚稳β型钛合金中的{332}〈113〉变形孪晶[J]. 陈斌,孙威,赵颉,胡常青. 材料工程. 2017(01)
[6]医用钛合金热变形行为研究[J]. 张超,李伟,马琳,赵丰停. 现代机械. 2016(06)
[7]生物医用钛合金材料发展现状及趋势[J]. 任军帅,张英明,谭江,隋永哲,王娟,张小荣. 材料导报. 2016(S2)
[8]Beta C钛合金在β相区的热变形行为及组织演化（英文）[J]. 许鑫,董利民,巴宏波,张志强,杨锐. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(11)
[9]医用钛合金的研究及发展现状[J]. 杨桂宇,李运刚. 铸造技术. 2016(10)
[10]新型医用β钛合金研究的发展现状及加工方法[J]. 戴世娟,朱运田,陈锋. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(04)
博士论文
[1]原位自生钛基复合材料的热氢处理研究[D]. 卢俊强.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]Beta钛合金中{332}<113>孪生行为及孪晶在热处理时的演化[D]. 屈磊.西安建筑科技大学 2013
[2]生物医用亚稳定β型钛合金织构的形成及对杨氏模量的影响[D]. 马艳.东北大学 2010
[3]新型生物医用近β型钛合金的组织及力学性能[D]. 陶姗.昆明理工大学 2005
本文编号：3328123
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
XRD衍射图[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-图1-2光学显微组织图(a)Ti-12Mo-5Ta；(b)Ti-6Al-4V[11]S.B.Gabriel等人[13]对Ti-12Mo-3Nb合金在950℃热处理1小时并淬火后的组织和性能进行了研究，图1-3是Ti-12Mo-3Nb合金组织和拉伸曲线图，实验结果表明：1)从图1-3(a)XRD衍射图中可以看到Ti-12Mo-3Nb合金只含有单一的β相，而且可以在图1-3(b)显微组织图中可以看到单一的β相，晶粒都是等大的等轴晶；2)Ti-12Mo-3Nb的弹性模量为105GPa，而Ti-6Al-4V的弹性模量为140GPa，相比之下降低了大约25%；3)在图1-3(c)室温拉伸曲线中，Ti-12Mo-3Nb合金的抗拉强度为747MPa，屈服强度为449MPa，延伸率为42%。Mo元素作为钛合金中一种重要的β稳定元素，添加一定量后可以使钛合金退火后形成稳定的β合金组织，不同Mo添加量会对铸造Ti-Mo二元合金产生较大影响。Oliveira等人[28]将4-20Mo(wt)％的Ti-Mo合金进行电弧熔炼，通过EDX，XRF和SEM来分析合金的组分和表面，XRD的分析结果显示Mo浓度对合金的晶体结构有较大影响，Ti-4Mo合金中观察到六方晶格α"与正交晶格的α""的混合相，当添加到Ti中的Mo的浓度达到6％时，几乎只观察到α""相。含有10％Mo的合金中保留明显的β相，而在更高的Mo含量(15wt％和20wt％)时，只存在β相。因此，Mo作为钛合金的β稳定元素，可以有效改变合金的相组成，随Mo含量的增加使其从α"相与α""相向β相转变，且初步的电化学研究表明所有合金在充气Ringer溶液中具有阀金属行为和良好的耐腐蚀性。相比于美日等发达国家，我国在Ti-Mo基合金的研发上起步较晚，我国西北有色金属研究院在2000年自主开发了Ti-2Mo-2Zr-3Al，这种合金有较高的强度、韧性和耐磨性，而且弹性模量比Ti-6Al-4V低，虽然含有有毒元素Al，但是实验结果表明该合金不引起
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-一种很有前景的生物医用材料[30]。陈玉勇等人[31]研究了一系列钼含量为5%~20%(质量分数)的二元Ti-Mo合金的显微组织和性能，实验结果表明：1)铸造合金的晶体结构和形貌对钼含量敏感，当钼含量为5%时，可以观察到α等轴晶，当钼含量为10%时，可以观察到α等轴晶和细的针状β相，当钼含量为10%和15%时，只观察到β等轴晶；2)当钼含量为10%时，Ti-Mo合金的综合性能最佳，硬度为451HV，抗压强度为1636MPa，压缩率为22.5%，弹性模量为29.8GPa，钼含量的增加有利于Ti-Mo合金的晶粒细化和塑性提高；3)综合考虑各种性能，含Mo10%的Ti-Mo合金可以作为假牙材料。图1-3Ti-12Mo-3Nb组织和拉伸性能表征[13](a)XRD；(b)显微组织；(c)拉伸应力-应变曲线赵常立等人[18]研究了Ti-12Mo-5Zr的力学性能和电化学性能，采用非自耗式电弧熔化炉熔化纯金属来制备材料，然后在不同温度下进行均匀化退火和固溶处理，实验结果表明：1)在光学显微组织观察，XRD衍射实验和拉伸实验中，分别在1053K和1133K固溶处理后，材料的显微组织分别由针状的马氏体α″+β相和β相组成；1133K固溶处理后，材料的弹性模量约为64GPa，比纯钛和Ti-6Al-4V合金的弹性模量都低，且相比于Ti-6Al-4V合金，它具有合适的强度和更高的显微硬度，这些实验结果都表明Ti-12Mo-5Zr合金具有更好的生物相容(a)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]生体材料Ti-Nb-Sn合金[J]. 金属功能材料. 2019(02)
[2]新型生物医用钛合金的设计及应用进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,刘少辉,贺新杰. 有色金属材料与工程. 2018(06)
[3]{332}<113>孪晶与等温ω相的组合对不同O含量Ti-15Mo合金力学性能的影响[J]. 闵小华,向力,李明佳,姚凯,江村聪,程从前,土谷浩一. 金属学报. 2018(09)
[4]体心立方Ti-Mo基钛合金应用研究进展[J]. 向力,闵小华,弭光宝. 材料工程. 2017(07)
[5]亚稳β型钛合金中的{332}〈113〉变形孪晶[J]. 陈斌,孙威,赵颉,胡常青. 材料工程. 2017(01)
[6]医用钛合金热变形行为研究[J]. 张超,李伟,马琳,赵丰停. 现代机械. 2016(06)
[7]生物医用钛合金材料发展现状及趋势[J]. 任军帅,张英明,谭江,隋永哲,王娟,张小荣. 材料导报. 2016(S2)
[8]Beta C钛合金在β相区的热变形行为及组织演化（英文）[J]. 许鑫,董利民,巴宏波,张志强,杨锐. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(11)
[9]医用钛合金的研究及发展现状[J]. 杨桂宇,李运刚. 铸造技术. 2016(10)
[10]新型医用β钛合金研究的发展现状及加工方法[J]. 戴世娟,朱运田,陈锋. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(04)
博士论文
[1]原位自生钛基复合材料的热氢处理研究[D]. 卢俊强.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]Beta钛合金中{332}<113>孪生行为及孪晶在热处理时的演化[D]. 屈磊.西安建筑科技大学 2013
[2]生物医用亚稳定β型钛合金织构的形成及对杨氏模量的影响[D]. 马艳.东北大学 2010
[3]新型生物医用近β型钛合金的组织及力学性能[D]. 陶姗.昆明理工大学 2005
本文编号：3328123
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