梯度多孔Ti-6Al-4V合金的纵向压缩变形行为及有限元模拟

摘要

钛合金具有优良的耐腐蚀性和机械性能，广泛用于人体骨组织的替代材料。但由于钛合金的杨氏模量远大于人体骨骼，造成生物学应力屏蔽效应，不利于新骨的生长。借助增材制造技术制备形状复杂的梯度多孔Ti-6Al-4V合金，弹性模量降低，与人体骨骼或器官的梯度结构和性能更为匹配，为骨组织、细胞向内生长和体液的传输提供空间。本文通过电子束增材制造方法，选取菱形十二面体网格作为多孔结构的单元，以外科手术植入物用Ti-6Al-4V ELI合金粉末为原料，制备出不同孔径和孔隙率的均匀多孔和梯度多孔Ti-6Al-4V合金，研究了多孔材料的纵向压缩变形行为及其有限元模拟分析。
　　显微组织观察表明，经电子束增材制造快速冷却后，多孔Ti-6Al-4V合金形成细长针状α'相。采用共振法测得不同孔径大小的菱形十二面体均匀多孔材料动态弹性模量比2％压缩回弹循环曲线测得的静态弹性模量高出30%～100%；孔径越小，孔隙率越高，偏差幅度越大。通过双对数线性拟合，相对动态杨氏模量和压缩强度与孔隙率的关系符合Gibson-Ashby模型。均匀和梯度多孔材料的纵向压缩应力-应变曲线包括线性弹性变形区、应力不再随应变上升的屈服阶段、材料致密化后应力随应变急速上升等三个阶段，呈现明显脆性特征。梯度多孔Ti-6Al-4V合金横向与纵向压缩的等效弹性模量分别满足Voigt和Reuss混合律；纵向压缩强度随层厚、层数的增加而减小，但随着横截面积的增大而增大，这是由于尺寸效应和边缘效应的缘故。
　　采用Ansys workbench14.0有限元软件对梯度多孔材料的压缩过程进行仿真模拟分析，获得了三种不同层厚的梯度多孔材料的等效应力、等效应变、单向位移云图，提取了四种不同类型节点的等效应力值。模拟结果表明，纵向压缩变形的横向位移呈现梯度分布，应力集中出现在层界面，而横向压缩变形时，层界面无剪切应力，最大应力发生在层内部。有限元模拟结果与实验结果相吻合。

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1 绪论

1.1 钛合金在生物医用材料领域的应用

1.2 多孔钛合金的研究现状

1.3 ANSYS有限元分析方法

1.4 梯度多孔钛合金的研究目的和意义

1.5 论文的主要研究内容

2 梯度多孔材料的制备及性能测试实验方案

2.1 材料制备

2.2 显微组织观察

2.3 孔隙率及力学性能表征

2.4 梯度多孔Ti-6Al-4V合金压缩过程的有限元模拟

3 均匀多孔Ti-6Al-4V合金的纵向压缩变形行为

3.1 动态弹性模量与静态弹性模量

3.2 十二面体多孔结构的Gibson-Ashby关系修正

3.3 均匀多孔材料的纵向压缩变形行为

3.4 本章小结

4 梯度多孔Ti-6Al-4V合金的纵向压缩变形行为

4.1 梯度多孔材料的等效弹性模量

4.2 梯度多孔材料的纵向压缩变形行为

4.3 梯度多孔材料纵向压缩性能的影响因素

4.4 梯度多孔材料纵向压缩行为的微观解释

4.5 本章小结

5 梯度多孔Ti-6Al-4V合金的有限元模拟

5.1 菱形十二面体梯度多孔模型的建立

5.2ANSYS WORKBENCH 14.0模拟结果

5.3 提取关键节点处的等效应力值

5.4 本章小结

6 全文结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文

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