医用Ti-Cu合金屈服行为及高温变形行为研究

摘要

钛及钛合金比强度高、生物相容性好，耐腐蚀性和抗疲劳性能亦优于不锈钢和钴基合金，是人工关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托等医用植入产品的首选材料。在钛合金中引入Cu元素不仅可以降低合金的熔点，还可以提高合金的耐磨性、生物相容性和抗菌性等。近年来，钛铜合金（Ti-Cu合金）引起了广大学者的关注，研究表明，钛合金中铜的含量对其力学性能的影响很大，如伸长率、模量和硬度等。目前对Ti-Cu合金的研究大部分集中于微观结构、抗菌性能、压缩或拉伸强度等方面，然而作为牙齿、骨骼或关节的替代品，在咀嚼食物或者人体运动过程中，亦或是在制造加工过程中，医用Ti-Cu合金往往处于复杂环境下或受到复杂的应力状态。因此，对Ti-Cu合金组分设计、耐磨性及各种工况下力学性能的研究显得尤为必要。考虑到 Ti-Cu合金的加工和使用环境，本文拟对Ti-Cu合金不同加载条件和温度工况下的力学响应进行深入分析，具体研究内容与结论如下： （1） 以海绵钛和金属铜制备Ti-Cu合金，利用XRD、SEM对Ti-Cu合金的物相组成、微观结构进行表征，并通过纳米压入法分析加载方式和加、卸载参数对合金硬度和弹性模量的影响。结果表明：Ti-Cu合金由α'相与Ti2Cu相组成；与循环加载和恒载荷速率加载方式相比，连续刚度法测得的弹性模量与硬度值相对较高；加载速率对测量值的影响较小，但卸载速率对测量结果有较大影响，随着卸载速率的增加，测得的弹性模量有所降低，而硬度则有所增加；析出的Ti2Cu相能有效提高材料的强度。 （2）对Ti-Cu合金的单轴压缩、拉伸以及纯剪切加载条件下的静动态力学性能进行测试分析，并着重研究其在压剪复合加载状态下的力学响应，分析了Ti-Cu合金在各种应力状态下的力学行为并得到了其实验屈服轨迹，探究了应变率对 Ti-Cu 合金屈服行为的影响。结果显示：Ti-Cu 合金屈服强度拉压不对称，表明了其屈服行为正应力方向相关性；随着应变率的增加，Ti-Cu合金的屈服轨迹呈各向同性膨胀趋势。 （3） 通过对比不同应力状态下的实验结果与相关理论屈服准则的吻合度，发现考虑拉压不对称效应的Cazacu-Barlat准则能够很好地描述Ti-Cu合金的屈服行为；并在此基础上对 Cazacu-Barlat 准则进行改进，提出了一个率相关的Cazacu-Barlat屈服准则，拓展了该屈服准则的应用范围。 （4）开展了Ti-Cu合金的高温压缩测试，分析了温度和应变率对其力学性能的影响。结果表明：温度一定时，流变应力随着应变率的升高而增加；应变率一定时，流变应力随着温度的升高而减小。同时基于双曲正弦形式的Arrhenius本构方程构建了Ti-Cu合金的高温本构模型，较为准确地预测了该合金的高温流变应力及其变形行为。

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