医用高纯镁变形均匀性分析及其对耐蚀性的影响研究

发布时间：2016-05-12 08:42

1  绪论 

1.1   前言 
随着社会经济的快速发展，人民生活水平逐渐提高，越来越多的人开始关注自身的健康，生命科学的研究也越来越被重视，在生命科学中占有相当重要地位的生物医学，也逐渐走进了学者们的视野[1] 。生物医用材料是生物医学的重要分支，它是用于与生命系统接触和发生相互作用，对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料[2]。生物医用材料可以用作骨固定材料、骨组织工程多孔支架材料、冠状动脉植入支架材料、口腔植入材料及整形外科材料等[3]。目前，生物材料已经挽救了很多人的生命，人们对生物材料的需求也越来越大，已经超过了医疗器械市场份额的百分之五十，并且每年还在持续增长，可以预测，不久以后，医用材料将成为世界经济的支柱产业之一。 生物医用材料应用广泛，种类繁多，根据物质的属性，生物医用材料可大致分为五大类：（1）生物医用金属材料（biomedical  metallic  materials），作为生物医用金属材料的金属或者合金，需具备很高的机械强度和抗疲劳特性，目前是临床上应用最广泛的承力植入材料，主要包括不锈钢、医用钴铬合金、钛合金、人工关节等[4]；（2）生物医学高分子材料（biomedical polymer），这类材料一般采用合成的方式，这样可以获得具备良好生物相容性及机械性能的生物材料，生物医用高分子材料又可分为软性材料和硬性材料，软性材料常常用于人体软组织，如血管、指关节和食道等。硬性材料用作人工心脏瓣膜的球形阀和人工脑膜等；（3）生物医学无机非金属材料或生物陶瓷（biomedical ceramics），这类材料化学性质稳定，生物相容性良好，惰性的生物陶瓷（如氧化铝）强度高、耐磨性能好、分子键的力强。而活性的生物陶瓷（如生物活性玻璃）可被降解和吸收，发展前景较好；（4）生物医学复合材料（biomedical composites），由两种或两种以上的不同材料复合而成，主要有用作关节材料的聚乙烯组织假体，人工股骨头的碳-钛合成材料等，另外高分子材料与生物高分子结合可以作为生物传感器；（5）生物医学衍生材料（biomedical derived materials），它是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料，处理后无生物活力，但具有类似天然组织的功能及构型，可用作血液透析膜、人工心脏瓣膜等。
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1.2   镁及其合金的主要特点
1808 年，英国科学家戴维通过蒸馏法提炼出一种新的元素，并将它命名为镁。镁位于元素周期表的第二主族，属于碱土元素，它的原子序数为 12，原子质量 24.30。镁是目前应用最轻的结构材料之一，密度仅为 1.738g/cm3，只有铝的 2 / 3[6]。熔点为 650℃，再结晶温度为 150℃。镁具有银白色的金属光泽，化学性质活泼，与沸水会反应释放大量的热，高温时易与氧气反应生成氧化镁。镁具有密排六方结构，它的塑性变形方式主要是滑移、孪生和晶界滑动三种变形方式[7]  。镁在室温下的独立滑移系少，只有 1 个滑移系和 3 个滑移面，满足不了 Von  Mises 屈服准则的多晶体产生均匀的塑性变形需要 5个独立的滑移系统的要求，所以，在室温下镁的塑性变形能力较差。纯镁的力学性能不是特别理想，在轧制退火后其抗拉强度为 160 ~ 190MPa，屈服强度为 90 ~ 150MPa，延展率为 3 ~ 25％，布氏硬度为 4 ~ 40，杨氏模量约为 41~ 45GPa[8]。纯镁的基本物理性能如表 1.1 所示。 镁及其合金具有很多其他材料不具备的性能，这是很多材料不可替代的，当然，镁及其合金也有一些缺点，正是这些缺点，限制了它在某些方面的应用。概括起来，，镁及其合金的特点如下[9-15]： （1）重量轻。镁的密度为 1.738g/cm3，仅为钢的四分之一，铝的三分之二。这一点对于减轻产品重量来说有着十分重要的意义。 （2）比强度、比刚度高。镁合金的比强度和比刚度性能比钢还要好。 （3）易加工。镁及其合金具有良好的切削性能，允许较高的切削速度，并且不需要冷却液和润滑液，耗能少。 
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2   镁及其合金挤压变形理论基础

2.1   镁及其合金的塑性变形机理
如前所述，镁合金具有密度小、比强度和疲劳强度高、比弹性模量好以及优良的切削加工性能和抛光性能，使得它在电子、电器、汽车、航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。但由于镁是密排六方结构，导致镁塑性变形能力较差，不利于塑性变形加工。决定镁塑性变形行为的关键因素是孪生与滑移，机械孪生作为主要变形机制之一，在塑性变形过程中起着十分重要的作用[50]。镁的室温滑移系少，冷加工成形困难，它的晶体结构如图  2.1 所示，并在其上标明了一些指数较低的重要晶面和晶向。
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2.2   挤压成形
根据挤压时金属的流动方向，挤压一般分为正向挤压、反向挤压和侧向挤压三种。侧向挤压主要用于电缆行业各种复合导线的成形[53]。正向挤压又被称为正挤压，正挤压时金属流动的方向与挤压轴运动的方向相同，是目前最基本的挤压方法。正向挤压时坯料与挤压杆之间会产生相对滑动，存在较大的摩擦，而这种摩擦对于挤压模具有着很大程度的不利影响。反挤压时金属流动方向和挤压轴运行方向相反，金属坯料和挤压杆之间没有相对滑动，因此也就没有正挤压摩擦的问题出现，当在同样能力的设备上，反挤压可以实现更大程度的变形。但是反挤压操作比较复杂，间隙时间也比正挤压长[54]，因此，正挤压和反挤压两者各有利弊。在挤压变形的过程中，有许多因素影响着材料的组织性能。这些影响因素可以分为以下三个方面：(a)变形条件的影响，主要有挤压温度、挤压速度、挤压比、模具与试样的摩擦系数；(b)模具几何形状的影响；  (c)挤压试样的原始组织的影响。本文主要探讨变形条件的影响。   挤压变形温度对镁及其合金的组织性能影响很大，因为温度对于镁滑移和塑性变形至关重要。变形时，温度越高，变形抗力越小，金属流动越容易，变形过程更容易进行，但是温度如果过高，变形过程中回复更容易发生，位错湮灭速度也大大加快，对大角度晶界形成不利，因此，在较高温度下挤压后晶界主要是小角度晶界，晶粒尺寸粗大，从而对材料的性能产生不利的影响。 若挤压过程在较低的温度下进行，金属流动缓慢，晶粒变大的趋势减缓，使得平均晶粒尺寸减少，但是若挤压温度太低，变形抗力高，挤压不易进行，试样的表面也容易产生裂纹，另外，变形抗力对挤压过程中坯料和通道之间摩擦力的大小也有影响，摩擦也会进一步的影响整个过程中的变形。所以对于挤压变形，应该选择一个适宜的温度，避免一些对材料组织性能有影响的不利因素。 
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3   99.95%高纯镁反挤压成形有限元分析及耐腐蚀性能实验研究..........20
3.1   DEFORM 简介...........20
3.2   反挤压成形过程模拟及结果分析........21
3.2.1   有限元模型建立 ...... 21
3.2.2   分析方案安排 .......... 22
3.2.3   挤压行程曲线 .......... 23
3.2.4   等效应变 ...... 24
3.2.5   变形均匀性 ........ 25
3.3   99.95%高纯镁实验及结果分析 .....29
3.4   本章小结.........37
4   面向变形均匀性的 99.95%高纯镁 ECAP 有限元分析及优化........38
4.1   有限元模型建立........38
4.2   挤压过程分析......39
4.3   ECAP  挤压行程曲线...........40
4.4   ECAP 8 道次挤压均匀性分析.........41
4.5   面向变形均匀性的 ECAP 成形工艺优化.......44
4.6   反挤压和 ECAP 变形均匀性对比分析.....50
4.7   本章小结.........50
5    结论与展望........51
5.1   结论.....51
5.2   展望.....52

4   面向变形均匀性的 99.95%高纯镁 ECAP 有限元分析及优化

本文将通过  DEFORM-3D  对模型进行 ECAP 有限元分析，并对 ECAP 工艺的主要影响因素进行分析，研究 ECAP 挤压过程中挤压道次、挤压温度、挤压速度、挤压路径以及摩擦系数对变形均匀性的影响。 

4.1   有限元模型建立 

（1）几何模型 因 DEFORM-3D

不具备实体造型能力，所以本次有限元分析的几何模型，是在三维造型软件  Pro/E  中完成的，然后通过数据交换系统，以 STL 格式将几何模型导入到基于有限元法的分析软件  DEFORM-3D  中。模型中，坯料的尺寸为Φ10×30mm，凸模尺寸为Φ10×100mm，凹模尺寸为Φ200×130mm。凹模内径角角度φ=90°，内径角半径  r=1mm，外接弧角半径  R=5mm。几何模型导入到 DEFORM-3D 中后先对坯料和模具进行材料定义，而后进行网格划分。本模型中，试样的网格单元数为 32000，凹模的网格数为 100000，凸模的网格数为50000。  在等径转角挤压过程中，试样主要的变形主要集中在凹模的转角处。一道次的挤压变形基本可以分成五个阶段：（1）挤压正式开始前，试样还没有发生变形，外表面比较平整，如图（a）；（2）挤压过程开始进行。由于在转角处，坯料与凹模内壁之间存在间隙，在凸模施加的挤压力作用下，试样发生镦粗变形，试样高度略有减小，横截面积增大，试样头部在外转角处开始变形，如图（b）；（3）试样的头部在内转角处开始变形，进入主要变形区，试样的内应力和所需载荷迅速增加，如图（c）；（4）试样整体逐渐经过主要变形区，发生剪切变形，如图（d）；（5）挤压完成。挤压结束时，坯料并不能完全充满第二通道，坯料挤出端呈现出尖角状。不管进行到多少道次的挤压，后面的挤压变形都跟第一道次所呈现出的规律一样，只是坯料变形量累计，变形程度增大，材料的综合性能发生变化。 

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结论

本文以 99.95%的高纯镁为研究对象，利用大型商用软件 DEFORM，研究了反挤压的挤压温度、挤压比对变形均匀性的影响，并通过 Hank’s 溶液浸泡实验，研究了反挤压试样在模拟体液中的耐腐蚀性能，并确定了变形均匀性与耐腐蚀性能的关系；利用DEFORM-3D 对等径转角挤压工艺参数挤压道次、挤压路径、挤压温度、挤压速度及摩擦系数进行了有限元模拟，分析了它们的变形均匀性，得到一组优化方案；最后对反挤压和等径转角挤压的变形均匀性系数值进行了对比分析。本文所得结论如下： 
（1）有限元和实际挤压过程中的行程-载荷曲线对比分析结果表明，本文所建立的有限元分析模型有效，与实际实验结果吻合度高。 
（2）反挤压过程中，挤压比越小变形均匀性系数值越小，变形均匀性越好；挤压温度为 300℃时，相对于其他变形温度，可以得到最佳的变形均匀性。 
（3）Hank’s 溶液浸泡实验结果表明，腐蚀速率的数值大小依次为：ER50(300℃)>  ER30(350℃) > ER30(250℃) > ER30(300℃) > ER10(300℃)，  PH 值结果与此一致，即耐腐蚀性能在挤压比为 10 的时候最好，挤压比越小，变形均匀性越好；当挤压比一定时，温度为 300℃时，耐蚀性能最好。 
（4）对比分析反挤压过程中的变形均匀性和耐蚀性能，发现变形均匀对耐腐蚀性能有最直接的影响，变形均匀性越好耐腐蚀性能越好。 
（5）等径转角挤压道次限元分析结果表明，挤压在 4 道次以前，增加挤压道次，可以增加坯料的变形均匀性，4 道次以后，增加挤压道次，对变形均匀性的影响不大，考虑到时间和操作的成本，等径转角挤压选择 4 道次挤压为最佳。 
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参考文献(略)

本文编号：44146