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生物用钛合金疲劳试验方法的研究

2021-07-06

  生物用钛合金疲劳试验方法的研究

  随着学术界对生物金属材料在生物环境中的疲劳或腐蚀疲劳研究的深入,断裂过程的复杂性也在不断增加,仍有许多未解决的研究领域。目前,生物环境中的疲劳试验方法都是单独在实验室进行的。

  1.本文讨论了生物钛合金的综合性能,包括疲劳腐蚀、耐磨性和细胞的影响。具体讨论了样品形状、重复速度、加载方式、模拟体液、酸碱度和溶解氧浓度等影响因素,验证了试验方法的合理性。

  2.实验方法

  以大同特殊钢(ASTM F136)生产的Ti-6Al-4VELI合金为试样。疲劳试样形状:准漏砂圆棒,标准间距12毫米,直径6毫米。疲劳试验条件:单轴拉伸载荷下的频率为10Hz,在正弦波下进行。试验温度在实验室的大气环境中进行,室内温度由空调调节至22℃。疲劳负荷重复107次。

  生物钛合金的疲劳试验参数包括:试样的表面性质、应力比、有无间隙、重复频率、载荷加载方式、模拟体液种类、pH值和溶解氧浓度的选择等,这些都是影响因素。本文只报道了试样表面性质对疲劳性能的影响。至于表面性质,讨论了加工样品表面和镜面抛光材料。

  3.结果

  样品的纵向表面粗糙度由接触表面粗糙度计测量。结果表明,与加工材料相比,镜面抛光样品的表面粗糙度降低了一半以下。具有这种表面粗糙度的样品的拉伸强度测试结果(应力-变形曲线):无论表面粗糙度如何,拉伸强度和伸长率的结果都是相同的,这表明不同的表面性能对拉伸性能没有影响。

  一方面,疲劳试验的结果是镜面抛光样品在不同应力水平下的重复次数比机加工样品增加。即表面性能对疲劳寿命的影响。随着重复次数的增加,裂纹的起始点从表面向内变化,与镜面抛光材料相比,内部裂纹的起始位置出现在外部(靠近表面)。这是由于表面粗糙度大的材料表面附近的高应力状态,对裂纹敏感。也就是说,伴随表面粗糙度的不均匀程度促进了裂纹的产生,并且裂纹纹理较大。因此,随着试样数量的增加,详细分析了裂纹起点与应力分布的关系,从而了解其中一个课题:表面性质对疲劳特性的影响。

  4.结论

  本研究针对生物钛合金的各种疲劳相关条件,探讨了综合疲劳试验方法及其特点。特别报道了样品的表面性质,即表面粗糙度对疲劳特性的影响。

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