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医用Ti-Cu合金屈服行为及高温变形行为研究

于菲菲  
【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。


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