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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES AND CORROSION BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MAGNESIUM ALLOY
Candidate: Yin Dongsong
Supervisor: Prof. Zeng Songyan
Associate Supervisor: Prof. Zhang Erlin
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Materials Processing Engineering
Affiliation: School of Materials Science and Engineering
Date of Defence: November, 2008
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
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 .%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 ,屈服强度为 ,伸长率为 %。
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 , 屈服强度为 MPa,伸长率为 %。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 .%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 , 约为原来的 60%,植入 3 个月后,仍保持在 ,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
Abstract
Aimed at bio-degradable magnesium alloys for med