医用高纯镁变形均匀性分析及其对耐蚀性的影响研究

摘要

镁及其合金因具有良好的生物相容性及生物可降解性，成为目前生物医用材料领域的研究热点。随着研究的深入，许多学者发现镁及其合金的腐蚀速率过快，大于了组织的修复速度，控制镁及其合金的降解速率是镁作为生物医用材料目前急需解决的问题。塑性变形因可以改善材料的力学性能成为了近年来的研究热点，随着研究的深入，有学者发现，塑性变形可以提高材料的耐蚀性，变形均匀性与耐腐蚀性能有着密切的关系。这意味着可以利用塑性变形在改善材料力学性能的同时，通过控制变形均匀性来控制材料的耐腐蚀性能。本文旨在通过挤压变形，在改善镁的力学性能的同时，研究挤压变形的均匀性及其对镁生物耐腐蚀性能的影响，这对镁作为生物医用材料有着重大的现实意义。
　　本文以99.95％的高纯镁为研究对象，借助数值模拟技术，采用大型商用软件DEFORM对反挤压过程进行有限元分析，分析挤压比和挤压温度对变形均匀性的影响，并对试样进行Hank’s溶液浸泡实验，通过PH值、失重分析、SEM和EDS结果，分析反挤压试样在模拟体液中的耐腐蚀性能，确定耐腐蚀性能与变形均匀性的关系。在此基础上，本文深入研究大塑性变形等径转角挤压（ECAP）过程中，挤压道次、挤压路径、挤压温度、挤压速度、摩擦系数对变形均匀性的影响，并对反挤压和ECAP变形均匀性进行了对比分析。
　　（1）通过对比分析有限元和实际挤压过程中的行程-载荷曲线，表明本文所建立的有限元分析模型有效，与实际实验结果吻合度高。
　　（2）通过对反挤压过程进行有限元分析，得出结论：反挤压过程中，挤压比越小，变形均匀性越好；在挤压比相同时，在温度300℃时，可以得到最好的变形均匀性。
　　（3）通过模拟体液Hank’s溶液浸泡实验，得出五种方案的腐蚀速率：ER50(300℃)>ER30(350℃)>ER30(250℃)>ER30(300℃)>ER10(300℃)。由此可知，挤压比越小耐腐蚀性能越好，在挤压比相同的情况下，纯镁在300℃时的耐腐蚀性能相对较好。
　　（4）通过对变形均匀性和耐腐蚀性能的结果分析表明：变形均匀性与耐腐蚀性能有直接的关系，变形均匀性越好，耐腐蚀性能越好。
　　（5）通过对 ECAP进行有限元分析，可知：在四道次之前，增加挤压道次，可以增加变形均匀性，挤压在四道次以后，增加挤压道次，对变形均匀性的影响不大。
　　（6）通过对挤压路径、挤压温度、挤压速度、摩擦系数进行正交实验有限元分析，结果表明：挤压路径对变形均匀性的影响最大；四种挤压路径中，BC路径的变形均匀性最好；摩擦系数越小，变形均匀性越好；在300℃进行挤压可以得到相对较好的变形均匀性。
　　（7）通过对比反挤压和等径转角挤压变形均匀性系数值的大小，可知等径转角的变形均匀性比反挤压更好。

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1 绪论

1.1 前言

1.2 镁及其合金的主要特点

1.3 镁及其合金作为生物医用材料的研究现状

1.4 镁及其合金的塑性变形

1.5 课题研究的目的及意义

1.6 课题研究的主要内容

1.7 本章小结

2 镁及其合金挤压变形理论基础

2.1 镁及其合金的塑性变形机理

2.2 挤压成形

2.3 等径转角挤压成形

2.5 本章小结

3 99.95%高纯镁反挤压成形有限元分析及耐腐蚀性能实验研究

3.1 DEFORM简介

3.2 反挤压成形过程模拟及结果分析

3.3 99.95%高纯镁实验及结果分析

3.4 本章小结

4 面向变形均匀性的99.95%高纯镁ECAP有限元分析及优化

4.1 有限元模型建立

4.2 挤压过程分析

4.3 ECAP 挤压行程曲线

4.4 ECAP 8道次挤压均匀性分析

4.5 面向变形均匀性的ECAP成形工艺优化

4.6 反挤压和ECAP变形均匀性对比分析

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢