一種無Ni型Zr基塊體非晶合金的生物相容性、斷裂韌性與疲勞行為研究.pdf

1、采用真空電弧熔煉、真空吸鑄的方法成功制備了具有不同幾何尺寸的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金，全面研究了其綜合力學性能，包括強度、模量，以及其在模擬體液（SBF）中的電化學腐蝕性能、靜態(tài)浸泡腐蝕形貌、腐蝕速率及腐蝕析出離子量，塊體非晶合金對骨肉瘤細胞（MG63）的繁殖率的影響及骨肉瘤細胞在塊體非晶合金樣品表面的生長形貌。結果顯示此塊體非晶合金具有優(yōu)異的力學性能，包括：拉伸強度1720±28MPa，比強

2、度（強度/密度）265MPa·cm3/g，彈性模量82±1.9GPa。通過與傳統(tǒng)的生物金屬材料的對比分析，發(fā)現(xiàn)所研發(fā)的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金具有更優(yōu)異的力學性能，包括更高的拉伸強度和比強度，更低的彈性模量。通過將此塊體非晶合金的電化學腐蝕性能與商用植入材料（Tl6Al4V，純Zr）進行對比，發(fā)現(xiàn)Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金具有更低的腐蝕速率。30天浸泡

3、腐蝕后金屬離子溶出濃度測試結果顯示，所有溶出離子濃度均明顯低于人體的安全值。細胞繁殖率測試結果顯示，此塊體非晶合金具有0-1級毒性等級，滿足作為植入材料的細胞毒性要求。同時，細胞形貌試驗結果顯示大量的骨肉瘤細胞在塊體非晶合金樣品表面能夠附著并鋪展開，顯示了良好的親和性，進一步肯定了所研發(fā)的塊體非晶合金所具有的良好生物相容性。
　　以上結果顯示，Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3是一種綜合性能優(yōu)良的潛在生物材料

4、。為了進一步研究針Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金作為人體髖關節(jié)和膝關節(jié)等承受動態(tài)載荷部位替代材料的可行性，依據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）的標準，采用單邊缺口彎曲（SE(B)）試樣對此塊體非晶合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴展性能進行了深入研究。同時，用四點彎曲的方法對此塊體非晶合金的疲勞強度進行了研究。獲得了以下有主要結果：1）獲得了此塊體非晶合金所具有的高斷裂韌性值（116.7MPa√m）。此塊體非

5、晶合金具有高韌性的原因是：材料的低剪切模量/體彈性模量（0.29）比使其具有高的塑性變形形成剪切帶的能力。通過原位觀測裂紋尖端的剪切帶演化，結合SEM觀察獲得的失效樣品側面與斷面形貌，確定了此非晶合金高韌性所對應的裂紋擴展阻滯特征，包括形成大量的剪切帶，部分剪切帶演化成為微裂紋以及發(fā)生明顯的裂紋路徑偏斜；2）獲得了此塊體非晶合金的疲勞裂紋擴展曲線（da/dN~ΔK曲線），確定了該非晶合金的疲勞裂紋擴展的門檻值（ΔKth）為3.71MPa

6、√m，其裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)的Paris參數(shù)C=2.70E-12,m=3.52，均類似于常規(guī)韌性晶態(tài)材料的數(shù)值。通過對樣品斷面疲勞條紋形貌的仔細觀察，發(fā)現(xiàn)了塊體非晶合金疲勞斷面與延性晶態(tài)材料疲勞斷面的兩點不同：（Ⅰ）塊體非晶合金中不存在晶態(tài)材料在裂紋擴展門檻區(qū)所具有的裂紋擴展受晶粒尺寸或第二相顆粒大小與分布影響的微結構效應，斷面仍表現(xiàn)為疲勞條紋形貌；（Ⅱ）塊體非晶合金中的疲勞條紋間距在低應力強度因子下與裂紋擴展速率失配，表現(xiàn)為多周形成一個疲勞

7、條紋，在高應力強度因子下與裂紋擴展速率匹配，變現(xiàn)為每周形成一個疲勞條紋。針對塊體非晶合金的疲勞條紋特征，基于線彈性斷裂力學分析，提出了一個“滑移對”模型，較好地解釋了在疲勞載荷作用下裂紋尖端塑性變形區(qū)中發(fā)生的周期性滑移進行裂紋擴展，同時形成疲勞條紋的過程。3）獲得了此塊體非晶合金的室溫四點彎曲疲勞壽命曲線（S-N曲線），結果顯示其疲勞強度為425MPa，高于人體骨骼的載荷，和Ti6Al4V處在同一水平?；诹鸭y擴展曲線擬合出的Paris