多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金的制备及孔结构对其超弹性能的影响

摘要

无毒多孔钛合金具有与骨骼相似的结构，同时表现出较低的弹性模量、良好的生物相容性和力学相容性，作为一种极具潜力的硬组织植入材料具有广泛的应用前景。如果赋予合金超弹性和形状记忆性能，必将提高其使用寿命。然而在形状记忆合金中引入孔结构，通常会导致其超弹性和形状记忆性能的下降。因此，深入研究多孔结构对钛基形状记忆合金显微组织及其力学性能的影响及其机理，对优化多孔形状记忆钛合金的孔结构，提高其超弹性能和形状记忆性能具有重要的意义。本文以Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金作为研究对象，利用粉末冶金的方法分别制备出了不同孔隙率和孔隙尺寸的多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金，并较为系统地对显微组织、力学性能和超弹性能进行了的研究。为进一步了解孔结构对合金超弹性能的影响机理，对合金试样以及带有几何缺陷(中心圆孔和单边半圆缺口)合金试样的力学性能及超弹性能进行了测试，并采用ARAMIS三维变形分析测试系统对单轴加载-卸载过程中试样的全场应变场进行了实时观察，研究了几何缺陷对合金应变场分布、应力诱发马氏体相变和超弹性能的影响。主要研究内容和结论如下：
　　(1)研究了孔隙率对多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金相关性能的影响。研究发现：随着孔隙率的增加，孔径变大，孔隙连通性变好，孔隙的不均匀性增加，同时合金的弹性模量、屈服强度和压缩强度逐渐下降，在循环加载卸载后均表现出了超弹性能，但并未表现出明显的β相弹性变形阶段，合金的超弹性能随孔隙率的增加而下降。
　　(2)研究了孔隙尺寸对多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金相关性能的影响。研究表明：不同孔隙尺寸的合金具有相近的孔隙率，孔隙为不规则的多边形形状，孔隙尺寸的增加会使合金的孔径分布发生变化，也降低了合金的弹性模量、屈服强度和压缩强度，不同孔隙尺寸的合金均具有超弹性，但是β相弹性变形阶段不明显。
　　(3)研究了几何缺陷对Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金超弹性能的影响。结果表明：在拉伸加载过程中，带几何缺陷的试样在缺陷周围产生了应力集中，使合金试样在局部具有较高的应变速率和应变量；应力诱发马氏体相变主要受应力场分布的影响，而且主要发生局部变形带中。因此，与完整试样相比，带几何缺陷的试样表现出较高的诱发马氏体相变的临界应力和较低的超弹性。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 生物医用钛合金

1.3 多孔医用钛合金

1.4 选题意义及主要研究内容

第2章 Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金及其多孔材料的制备和性能表征

2.1 引言

2.2 合金成分的设计

2.3 合金试样的制备及所用设备

2.4 合金的性能表征

2.5 本章小结

第3章 孔隙率对多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金超弹性能的影响

3.1 引言

3.2 不同孔隙率多孔合金的制备

3.3 孔结构表征

3.4 显微组织分析

3.5 力学性能和超弹性能

3.6 本章小结

第4章 孔隙尺寸对多孔Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金超弹性能的影响

4.1 引言

4.2 不同孔隙尺寸多孔合金的制备

4.3 孔结构表征

4.4 显微组织

4.5 力学性能和超弹性能

4.6 本章小结

第5章 几何缺陷对Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆合金超弹性能影响的机理

5.1 引言

5.2 几何缺陷合金试样的制备

5.3 显微组织

5.4 力学性能和超弹性能

5.5 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文