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《哈尔滨工业大学》 2008年
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医用镁合金力学性能与腐蚀行为研究

尹冬松  
【摘要】: 针对医用可降解镁合金,本文选择具有生物相容性的Mn和Zn元素制备了Mg-Mn系和Mg-Zn-Mn系合金,用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、XRD、万能材料试验机、电化学测试系统和体外浸泡试验系统,研究了Mn和Zn对铸态合金微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响规律、并对比研究了直接挤压和热处理后挤压对Mg-Zn-Mn系合金微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响。最后对Mg-Zn-Mn合金进行动物体内植入试验,评价体内降解和力学性能衰退。得到如下结果: 对铸态合金的微观组织和力学性能的研究发现:Mn能够细化镁合金的组织,并提高合金的拉伸强度,当Mn含量为1.48wt.%时,Mg-Mn合金的拉伸强度得到明显提高。Zn可以进一步细化铸态Mg-Mn合金的组织,并且在合金中形成Mg7Zn3相,铸态Mg-Zn-Mn系合金的拉伸强度、屈服强度和伸长率随Zn含量增加而增加,当Zn含量为3wt.%时,达到最高值,拉伸强度为218.6MPa,屈服强度为66.1MPa,伸长率为15.5%。 挤压显著细化了Mg-Zn-Mn系合金的晶粒尺寸,显著提高了合金的拉伸强度和屈服强度。挤压后,Mg-1Zn-1Mn合金的拉伸强度为280.3MPa,屈服强度为246.5 MPa,伸长率为21.8%。随Zn含量增加,晶粒尺寸降低,当Zn含量增至3wt.%时,晶粒尺寸下降至3μm-5μm之间。合金的晶界处出现亚微米级的Mg7Zn3和MgZn相,拉伸强度和屈服强度进一步提高,但伸长率下降。挤压前均匀化热处理使挤压态合金的晶粒尺寸粗化,拉伸强度和屈服强度降低。 腐蚀实验结果表明:Mn加入不会提高镁合金的耐蚀性能,但是当Mn含量达到1.48wt.%时,合金的耐蚀性能降低。Zn可以显著提高铸态Mg-Zn-Mn系合金的耐蚀性能,但当Zn含量达到3wt.%时,合金的耐蚀性能明显降低,挤压变形可以显著降低Mg-Zn-Mn系合金的腐蚀速率,使合金的自腐蚀电位正移,极化电阻提高;随着合金中的Zn含量增加,合金的耐蚀性能降低,腐蚀形式由点蚀转化为严重的晶界腐蚀。挤压前均匀化热处理可以降低高Zn含量(3wt.%)合金的腐蚀速率,使晶界处腐蚀得到减轻。通过对腐蚀机制的研究可知,由于凝固特性形成的Zn元素分布状态不同是造成铸态Mg-Zn-Mn系合金腐蚀形式不同的主要原因,而通过挤压的方法可以改变Zn元素的分布,减轻因Zn元素微观偏析所引起的腐蚀。 动物体植入实验表明,镁合金植入3天后有较轻的炎症现象,两周后炎症现象消失。血液生化检测表明:植入3个月后,动物的肝功能和肾功能没有异常反应。在对镁合金植入体和骨结合界面的研究中发现:与骨组织接触的镁合金表面生成含有Ca和P的降解产物层。随着镁合金的降解,表面生成新生组织层,逐渐转化为新生骨组织,合金与骨组织结合良好。镁合金的抗弯强度随植入时间延长而降低,植入1个月后,抗弯强度为257.7MPa,约为原来的60%,植入3个月后,仍保持在113.6MPa,约为原来的30%,接近于人体骨皮质的抗弯强度。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TG146.21

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