医用镁合金力学性能与腐蚀行为研究-材料加工工程专业论文.docx

ClassifiedIndex:TG146.2 U.D.C.:669.7.21DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONMECHANICALPROPERTIES ANDCORROSIONBEHAVIOROF BIOMEDICALMAGNESIUMALLOYCandidate：YinDongsongSupervisor：Prof.ZengSongyanAssociateSupervisor：Prof. Zhang ErlinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：School of Materials Science andEngineeringDateofDefence：November,2008Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology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246.5MPa，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。关键词镁合金；生物医用材料；力学性能；腐蚀行为AbstractAimedatbio-degradablemagnesiumalloysformedicineapplication, biocompatableMnandZnelementswereselectedtodevelopMg-MnandMg- Zn-Mnalloys.InfluencesruleofMnandZnontheas-castmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionbehaviourof