可降解镁合金的循环力学性能研究

【摘要】：镁合金具有生物可降解性能,较好的生物相容性以及良好的力学承载能力,使镁合金作为生物可降解植入物材料,逐渐进入人们的视野。镁合金在体内服役期间会受到腐蚀与循环应力的交互作用,因此腐蚀疲劳失效是它失效的主要形式。近几年,生物镁合金的腐蚀以及疲劳性能的研究对镁合金应用于临床起到了很好的推动作用。本文采用LA91可降解镁合金,在PBS模拟体液中浸泡不同时间,研究其腐蚀机理,并对腐蚀后的棘轮疲劳行为进行研究。结果表明,LA91在腐蚀过程中主要呈现丝状腐蚀与点腐蚀的共同作用,因而腐蚀后的表面往往呈现不规则形貌;在浸泡初期材料的腐蚀速率较高,随着浸入时间的增长腐蚀速率逐渐下降,最终趋于一个稳定值;浸泡后的LA91镁合金在棘轮疲劳实验中棘轮累积速率加快,疲劳寿命降低。本文研究了腐蚀后材料的有效应力,并通过有效应力建立寿命预测模型,能很好的预测LA91镁合金的腐蚀疲劳寿命。镁合金在生物体内降解速度太快,强韧性难以保证。预变形孪晶组织可以有效地调控镁合金的组织和织构,从而改变镁合金的力学行为和塑性加工性能。本文研究了AZ31挤压棒材在恒定应变控制下的低周疲劳性能,考察了预压缩、预扭转使材料产生初始孪晶对材料低周疲劳性能的影响,得到如下结论:(1)原始态镁合金在循环变形过程中呈现出循环硬化现象,在每一圈循环过程中都存在孪生-退孪生的变化,因此应力应变滞环曲线表现出不对称性,材料在循环过程中存在拉伸的平均应力,拉伸的平均应力会加速疲劳裂纹的扩展,降低材料的疲劳寿命。(2)材料在受到挤出方向的预压缩之后,产生孪晶,部分晶体c轴旋转90°与ED方向大致平行,产生孪晶的数量与预压缩程度有关。经过预压缩材料滞环曲线非对称性减弱,平均应力变为压缩方向,因此预压缩镁合金疲劳寿命比原始态有所提高。(3)挤压棒状镁合金在受到预扭转的作用后,在横截面也会产生孪晶,但所产生孪晶大部分为垂直于ED方向的面内孪晶,晶体c轴依然垂直于ED方向。孪晶阻碍了ED方向拉伸时的位错运动,因此预扭转材料在循环过程中拉伸方向的应力与原始态材料相比较大,其他力学响应与原始态基本相同。