Mn對TiTa物醫(yī)用合金組織與性能的影響畢業(yè)答辯

1、mn對對ti-ta生物醫(yī)用合生物醫(yī)用合金組織和性能的影響金組織和性能的影響姓名：盛魯平姓名：盛魯平 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：120201001 專業(yè)：材料成型及控制工程專業(yè)：材料成型及控制工程 指導(dǎo)老師：武曉峰指導(dǎo)老師：武曉峰 教授教授1.課題的研究內(nèi)容課題的研究內(nèi)容2.課題的研究意義課題的研究意義3.課題研究的結(jié)果課題研究的結(jié)果4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論課題的研究內(nèi)容課題的研究內(nèi)容（1）研究）研究mn對對ti-ta合金顯微組織的影響；合金顯微組織的影響；（2）研究）研究mn對對ti-ta合金力學(xué)性能的影響；合金力學(xué)性能的影響；（3）研究）研究mn對對ti-ta合金電化學(xué)腐蝕性能的影響。合金電化學(xué)腐蝕性能的影響

2、。力學(xué)性能包括：彈性模量、拉伸性能、抗拉強(qiáng)度。力學(xué)性能包括：彈性模量、拉伸性能、抗拉強(qiáng)度。 得到廣泛使用的醫(yī)用植入得到廣泛使用的醫(yī)用植入ti合金存在一定的問合金存在一定的問題：彈性模量與人骨不匹配題：彈性模量與人骨不匹配,容易造成容易造成“應(yīng)力屏應(yīng)力屏蔽蔽”,會(huì)引起種植體松動(dòng)或斷裂組成元素會(huì)引起種植體松動(dòng)或斷裂組成元素v、al可可能對人體產(chǎn)生能對人體產(chǎn)生毒副作用。各種表面改性方法可以毒副作用。各種表面改性方法可以有效地提高有效地提高ti-ta合金的合金的抗腐蝕性抗腐蝕性,改善改善ti-ta合金合金的生物相容性的生物相容性,但都存在成本高、工藝復(fù)雜、不易但都存在成本高、工藝復(fù)雜、不易操作等缺點(diǎn)操

3、作等缺點(diǎn),甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象。因此甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象。因此,發(fā)展具有良好的生物相容性、低彈性模量、較高發(fā)展具有良好的生物相容性、低彈性模量、較高強(qiáng)度及較好的塑韌性且兼具有形狀記憶效應(yīng)的新強(qiáng)度及較好的塑韌性且兼具有形狀記憶效應(yīng)的新型生物醫(yī)用型生物醫(yī)用ti合金成為一種新的研究方向。合金成為一種新的研究方向。課題課題的研的研究意義究意義2016.6.26課題的研究結(jié)果與分析課題的研究結(jié)果與分析1.mn對對ti-ta合金顯微組織的影響合金顯微組織的影響 圖為200倍下ti-20ta-xmn合金的顯微組織 （a）ti-20ta (b) ti-20ta-1mn (c) ti-20ta-3mn(

4、d)ti-20ta-5mn(e)ti-20ta-7mn 2.ti-20ta-xmn合金經(jīng)1073k淬火的xrd圖2016.6.263. mn對對ti-20ta合金力學(xué)性能的合金力學(xué)性能的影響影響1）mn對對ti-20ta合金彈性模量的影響合金彈性模量的影響mn含量對ti-20ta-xmn（x=0、1、3、5、7）合金彈性模量的影響曲線2016.6.262）拉伸性能拉伸性能ti-20ta-xmn（x=0、1、3、5、7）合金在1073k淬火時(shí)的抗拉強(qiáng)度曲線2016.6.26應(yīng)力-應(yīng)變曲線2016.6.26ti-20ta-xmn（x=0、1、3、5、7）合金在1073k淬火時(shí)的室溫拉伸曲線伸長率顯

5、微硬度、原子尺寸與價(jià)電子數(shù) 在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，元素的固溶強(qiáng)化作用可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，而固溶強(qiáng)度的的程度取決于添加原子與原始原子之間的尺寸差別和溶質(zhì)原子與基體的價(jià)電子數(shù)e/a的差別。尺寸差和價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。合金的顯微硬度值最大，mn原子與ti原子的原子半徑差大，而mn原子與ti原子的價(jià)電子數(shù)相差也很大，因此，ti-20ta-7mn合金的顯微硬度值最大。2016.6.265. ti-20ta-xmn（x=0、1、3、5、7）合金的電化學(xué)腐蝕性能合金的電化學(xué)腐蝕性能腐蝕電化學(xué)原理腐蝕電化學(xué)原理 從氧化還原理論分析，金屬腐蝕是金屬被氧化的過程。從氧化還原理論分析，金屬腐

6、蝕是金屬被氧化的過程。在體液環(huán)境中，金屬的腐蝕是一種有水參與的反應(yīng)和溶液在體液環(huán)境中，金屬的腐蝕是一種有水參與的反應(yīng)和溶液腐蝕的過程，稱為水溶液腐蝕。作為一種電化學(xué)現(xiàn)象，水腐蝕的過程，稱為水溶液腐蝕。作為一種電化學(xué)現(xiàn)象，水溶液腐蝕的整個(gè)過程都不能離開電子的遷移。電子從金屬溶液腐蝕的整個(gè)過程都不能離開電子的遷移。電子從金屬表面上的某個(gè)區(qū)域遷移到表面的另一個(gè)區(qū)域，或者從一種表面上的某個(gè)區(qū)域遷移到表面的另一個(gè)區(qū)域，或者從一種金屬遷移到其相鄰的金屬，最后再轉(zhuǎn)給溶液中能接受電子金屬遷移到其相鄰的金屬，最后再轉(zhuǎn)給溶液中能接受電子的其他物質(zhì)。因而，在發(fā)生水溶液腐蝕的過程中，金屬表的其他物質(zhì)。因而，在發(fā)生水溶

7、液腐蝕的過程中，金屬表面要形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，在電解質(zhì)溶液中形成電流回路。面要形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，在電解質(zhì)溶液中形成電流回路。此外還需要電子流動(dòng)的推動(dòng)力，也就是陽極區(qū)和陰極區(qū)之此外還需要電子流動(dòng)的推動(dòng)力，也就是陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的電位差間的電位差2016.6.26 陽極區(qū)金屬的溶解發(fā)生在水溶液腐蝕過程中，金屬離子陽極區(qū)金屬的溶解發(fā)生在水溶液腐蝕過程中，金屬離子離開表面進(jìn)入水溶液。這個(gè)過程是一個(gè)失去電子的氧化反離開表面進(jìn)入水溶液。這個(gè)過程是一個(gè)失去電子的氧化反應(yīng)，即：應(yīng)，即： m-ne-mn+. 陰極區(qū)，陰極附近與電子結(jié)合的物質(zhì)得到電子，主要有陰極區(qū)，陰極附近與電子結(jié)合的物質(zhì)得到電子，主要有溶解

8、氧分子和氫離子，溶解氧分子的離子化反應(yīng)和氫離子溶解氧分子和氫離子，溶解氧分子的離子化反應(yīng)和氫離子的還原反應(yīng)是兩個(gè)最重要的陰極反應(yīng)。的還原反應(yīng)是兩個(gè)最重要的陰極反應(yīng)。 1/2o2+2e-+h2o2oh- 2h+2e-h22016.6.26ti-20ta-xmn合金的極化曲線ti-20ta-xmn(x=0、1、3、5)在腐蝕液中的動(dòng)電位極化曲線。在腐蝕液中的動(dòng)電位極化曲線。從圖中觀察到，從圖中觀察到，ti-20ta-xmn(x=0、1、3、5)合金的動(dòng)電合金的動(dòng)電位極化曲線非常相似，均展現(xiàn)了明顯的自發(fā)鈍化的特征。位極化曲線非常相似，均展現(xiàn)了明顯的自發(fā)鈍化的特征。合金從合金從tafel區(qū)域直接進(jìn)入了

9、鈍化區(qū)，具有較寬的鈍化區(qū)區(qū)域直接進(jìn)入了鈍化區(qū)，具有較寬的鈍化區(qū)間，而且在整個(gè)測試范圍內(nèi)并沒有觀察到鈍化膜破裂的現(xiàn)間，而且在整個(gè)測試范圍內(nèi)并沒有觀察到鈍化膜破裂的現(xiàn)象，顯然合金表面生成了保護(hù)性的鈍化膜。隨著象，顯然合金表面生成了保護(hù)性的鈍化膜。隨著mn元素元素的添加，合金的鈍化電流密度有所提高，合金的耐腐蝕性的添加，合金的鈍化電流密度有所提高，合金的耐腐蝕性增強(qiáng)。隨著增強(qiáng)。隨著mn元素的添加，合金的元素的添加，合金的icorr有所降低，合金有所降低，合金的耐腐蝕性能增強(qiáng)。鈍化電流密度隨著的耐腐蝕性能增強(qiáng)。鈍化電流密度隨著mn含量的增加也含量的增加也有所而降低。有所而降低。ti-6al-4v與與t

10、i-ta-xmn（x=0、1、3、5）合金相比，合金的合金相比，合金的icorr值明顯偏高，所以值明顯偏高，所以ti-6al-4v合金合金的耐腐蝕性能較弱，容易被腐蝕。的耐腐蝕性能較弱，容易被腐蝕。2016.6.262016.6.26ecorr、ep、et、ip、it隨mn含量的變化曲線ecorr自腐蝕電位；epflade 電位，材料處于一次鈍化區(qū)的低限電位；et材料處于一次鈍化區(qū)的高限電位；ip材料處于一次鈍化區(qū)的低限電流密度；it材料處于一次鈍化區(qū)的高限電流密度。 綜上所述，ti-20ta-5mn合金的自腐蝕電位較高，腐蝕傾向較小，而 ti-20ta合金的腐蝕電位較低，發(fā)生腐蝕的傾向較大；

11、ti-20ta-1mn合金的低限電流密度較小易于形成鈍化膜，使其腐蝕速率小，而耐腐蝕性能高；ti-20ta-1mn合金的et-ep的值較大，從而鈍化膜穩(wěn)定性較高，且ti-20ta-1mn合金的二次鈍化區(qū)較為明顯，所以ti-20ta-1mn合金為較好的生物醫(yī)用材料。結(jié)論（1）固溶態(tài)ti-ta-mn合金的顯微組織隨mn含量的增加，由單一的等軸相逐漸演變成由相和相組成的雙相組織，當(dāng)mn含量達(dá)到7%后，合金由單一的相構(gòu)成，表明mn元素具有穩(wěn)定相的作用。（2）mn的加入提高兩元ti-20ta合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度，其中ti-20ta-7mn合金的提高最高，分別由65mpa、610mpa和24

12、0hv提高到180mpa、1300mpa和410hv。ti-20ta-1mn合金具有良好的綜合力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度值分別達(dá)到180mpa、980mpa和270mpa，同時(shí)保持23%的伸長率，其彈性模量也比c.p.ti和ti-6al-4v合金的低。ti-20ta（m0）、）、ti-20ta-1mn（m1）、）、ti-20ta-3mn（m3）、）、ti-20ta-5mn（m5）合金的自腐蝕電位（）合金的自腐蝕電位（ecorr）分別為分別為-0.68v、-0.67v、-0.67v、-0.416v，維鈍電流密度，維鈍電流密度（ip）分別為）分別為1.57a/cm2、0.92a/cm2、0.93a/cm2、1.36a/cm2，鈍化區(qū)的電位寬度（，鈍化區(qū)的電位寬度（et-ep）分別為）分別為0.64v、0.93v、0.84v、0.63v。由此判斷它們的腐蝕傾向依。由此判斷它們的腐蝕傾向依m(xù)5、