人工关节金属假体材料界面间的摩擦腐蚀行为

摘要

生物摩擦和腐蚀已成为影响人工关节植入体服役寿命和使用可靠性的关键技术问题。人工关节金属假体材料主要包括 CoCrMo合金、Ti6Al4V合金和316L不锈钢等生物医用材料，在人体运动环境条件下，金属关节材料产生磨损损耗的同时，伴随着腐蚀损耗和金属离子的释放问题。本文以三种人工髋关节金属假体材料为研究对象，研究不同人工关节摩擦副的生物摩擦腐蚀机理和金属离子释放行为，为人工关节生物摩擦腐蚀提供一定的理论基础。本文主要研究结果如下：
　　静态腐蚀下，316L不锈钢的阻抗值最小，内层氧化膜最不完整，Nyquist图从直线型逐渐向半圆型过渡，电极过程由扩散控制向电化学作用过渡；CoCrMo合金的 Nyquist图为近半圆型，说明电极过程一直由电化学反应控制，扩散作用不明显；Ti6Al4V合金的阻抗值最大，Nyquist图为直线型，说明钛合金在牛血清中不会发生明显的电化学反应，电极过程由扩散控制。316L不锈钢和 CoCrMo合金阻抗值随时间下降明显，说明表面钝化膜发生溶解，膜厚减薄，而 Ti6Al4V合金在静态下阻抗值并没有明显的下降，说明钛合金表面的氧化钝化膜溶解不明显。
　　滑动摩擦试验下，稳定阶段的 Ti6Al4V合金的摩擦系数最高，耐磨性最差，但其腐蚀倾向最低，磨损后释放的离子浓度最低，耐腐蚀性能最强，磨损形式是磨粒磨损与疲劳磨损为主；316L不锈钢的钝化膜再钝化能力最差，磨损后释放的离子浓度最高，耐腐蚀性能最差，磨损形式主要为磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损；锻造 CoCrMo合金摩擦系数最低，耐磨性最好，钝化膜再钝化能力最好，耐腐蚀性能较好，磨损机制主要是磨粒磨损。载荷较小时，Ti6Al4V合金和316L不锈钢的电极反应基本由扩散主导，载荷增大后，电荷转移作用加剧但仍以扩散为主导；而在不同载荷下，CoCrMo合金的电极反应为电荷传递过程和扩散过程二者共同控制作用，电化学极化和浓度差极化同时存在。
　　扭动微动摩擦试验下，载荷较小时，三种金属的 T-θ曲线均为平行四边形，微动位于完全滑移区，表面只有塑性变形；载荷较大时，CoCrMo的 T-θ曲线为椭圆，微动位于混合滑移区，表面存在塑性和弹性变形，316L不锈钢 T-θ曲线为平行四边形，微动位于完全滑移区，发生较严重的塑性变形，Ti6Al4V合金的 T-θ曲线接近椭圆形，扭动位于混合滑移区，但仍以塑性变形为主，有少量弹性变形。相同载荷下 CoCrMo合金的摩擦扭矩值最小，Ti6Al4V合金的摩擦扭矩值最大。
　　扭动微动摩擦试验下，316L不锈钢相位角峰值最小，峰值对应的频率最大，Nyquist图呈半圆型，说明钝化膜最不完整，腐蚀破坏严重，电化学反应最快，扩散作用可忽略，释放的金属离子最多；CoCrMo合金的相位角峰值最大，Nyquist图为半圆加直线，说明表面钝化膜最完整，腐蚀作用轻，电极过程由扩散控制和电荷转移共同作用；Ti6Al4V合金的相位角峰值对应的频率最小，Nyquist图为近乎直线的圆弧，说明合金表面未发生明显的电化学反应，电极过程基本由扩散控制，金属离子释放率最低，耐腐蚀性能最强。
　　相同载荷的扭动微动条件下， CoCrMo合金磨损最轻，磨痕轮廓为 U型，沟槽附近有少量的磨屑聚集，沟槽内有犁沟和疲劳剥落，无明显腐蚀现象；Ti6Al4V合金的磨痕最深，表面粗糙度值最高，磨痕轮廓为W型，耐磨损性能最差；316L不锈钢磨痕轮廓为W型，表面可以看到较多的犁沟、疲劳剥落、塑性变形及腐蚀坑，说明磨损机制主要有磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等。

目录

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究背景(Background)

1.2国内外研究现状(Review of Research)

1.3研究目标和内容(Research Targets and Contents)

2试验材料和实验方法

2.1材料及前期准备(Materials and Preparations)

2.2实验装置及试验参数（Experimental Setup and Parameters）

2.3微观分析方法(Microscopic Analysis Methods)

3 CoCrMo、Ti6Al4V合金和316L不锈钢的静态腐蚀行为

3.1开路电位分析（Analysis of Open Circuit Potential）

3.2电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy）

3.3静态腐蚀作用机理（Static Corrosion Mechanisms）

3.4本章小结（Summaries）

4 CoCrMo、Ti6Al4V 合金和 316L 不锈钢的滑动摩擦腐蚀行为

4.1滑动摩擦系数(Coefficient of Sliding Friction)

4.2电化学性能分析（Analysis of Electrochemical Properties）

4.3磨痕形貌分析（Morphology Analysis）

4.4离子释放分析（Analysis of Iron Release）

4.5 滑动摩擦腐蚀作用机理(Wear and Corrosion Mechanisms of the Reciprocating Slinding Test)

4.6本章小结（Summaries）

5 CoCrMo、Ti6Al4V合金和316L 不锈钢的扭动微动摩擦腐蚀行为

5.1扭动微动摩擦行为研究(Study on the Friction Behavior of Fretting)

5.2扭动微动腐蚀行为研究(Study on the Corrosion Behavior of Fretting)

5.3磨痕形貌分析（Morphology Analysis）

5.4离子释放分析(Analysis of iron release)

5.5 扭动微动腐蚀作用机理(Wear and Corrosion Mechanisms of the Torsional Fretting Test)

5.6本章小结(Summaries)

6结论

参考文献

作者简历

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