一種無Ni型Zr基塊體非晶合金的生物相容性、斷裂韌性與疲勞行為研究.pdf

1、采用真空電弧熔煉、真空吸鑄的方法成功制備了具有不同幾何尺寸的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金，全面研究了其綜合力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、模量，以及其在模擬體液（SBF）中的電化學(xué)腐蝕性能、靜態(tài)浸泡腐蝕形貌、腐蝕速率及腐蝕析出離子量，塊體非晶合金對(duì)骨肉瘤細(xì)胞（MG63）的繁殖率的影響及骨肉瘤細(xì)胞在塊體非晶合金樣品表面的生長(zhǎng)形貌。結(jié)果顯示此塊體非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，包括：拉伸強(qiáng)度1720±28MPa，比強(qiáng)

2、度（強(qiáng)度/密度）265MPa·cm3/g，彈性模量82±1.9GPa。通過與傳統(tǒng)的生物金屬材料的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)所研發(fā)的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，包括更高的拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度，更低的彈性模量。通過將此塊體非晶合金的電化學(xué)腐蝕性能與商用植入材料（Tl6Al4V，純Zr）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金具有更低的腐蝕速率。30天浸泡

3、腐蝕后金屬離子溶出濃度測(cè)試結(jié)果顯示，所有溶出離子濃度均明顯低于人體的安全值。細(xì)胞繁殖率測(cè)試結(jié)果顯示，此塊體非晶合金具有0-1級(jí)毒性等級(jí)，滿足作為植入材料的細(xì)胞毒性要求。同時(shí)，細(xì)胞形貌試驗(yàn)結(jié)果顯示大量的骨肉瘤細(xì)胞在塊體非晶合金樣品表面能夠附著并鋪展開，顯示了良好的親和性，進(jìn)一步肯定了所研發(fā)的塊體非晶合金所具有的良好生物相容性。
　　以上結(jié)果顯示，Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3是一種綜合性能優(yōu)良的潛在生物材料

4、。為了進(jìn)一步研究針Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金作為人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)等承受動(dòng)態(tài)載荷部位替代材料的可行性，依據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)，采用單邊缺口彎曲（SE(B)）試樣對(duì)此塊體非晶合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，用四點(diǎn)彎曲的方法對(duì)此塊體非晶合金的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究。獲得了以下有主要結(jié)果：1）獲得了此塊體非晶合金所具有的高斷裂韌性值（116.7MPa√m）。此塊體非

5、晶合金具有高韌性的原因是：材料的低剪切模量/體彈性模量（0.29）比使其具有高的塑性變形形成剪切帶的能力。通過原位觀測(cè)裂紋尖端的剪切帶演化，結(jié)合SEM觀察獲得的失效樣品側(cè)面與斷面形貌，確定了此非晶合金高韌性所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展阻滯特征，包括形成大量的剪切帶，部分剪切帶演化成為微裂紋以及發(fā)生明顯的裂紋路徑偏斜；2）獲得了此塊體非晶合金的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線（da/dN~ΔK曲線），確定了該非晶合金的疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值（ΔKth）為3.71MPa

6、√m，其裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的Paris參數(shù)C=2.70E-12,m=3.52，均類似于常規(guī)韌性晶態(tài)材料的數(shù)值。通過對(duì)樣品斷面疲勞條紋形貌的仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)了塊體非晶合金疲勞斷面與延性晶態(tài)材料疲勞斷面的兩點(diǎn)不同：（Ⅰ）塊體非晶合金中不存在晶態(tài)材料在裂紋擴(kuò)展門檻區(qū)所具有的裂紋擴(kuò)展受晶粒尺寸或第二相顆粒大小與分布影響的微結(jié)構(gòu)效應(yīng)，斷面仍表現(xiàn)為疲勞條紋形貌；（Ⅱ）塊體非晶合金中的疲勞條紋間距在低應(yīng)力強(qiáng)度因子下與裂紋擴(kuò)展速率失配，表現(xiàn)為多周形成一個(gè)疲勞

7、條紋，在高應(yīng)力強(qiáng)度因子下與裂紋擴(kuò)展速率匹配，變現(xiàn)為每周形成一個(gè)疲勞條紋。針對(duì)塊體非晶合金的疲勞條紋特征，基于線彈性斷裂力學(xué)分析，提出了一個(gè)“滑移對(duì)”模型，較好地解釋了在疲勞載荷作用下裂紋尖端塑性變形區(qū)中發(fā)生的周期性滑移進(jìn)行裂紋擴(kuò)展，同時(shí)形成疲勞條紋的過程。3）獲得了此塊體非晶合金的室溫四點(diǎn)彎曲疲勞壽命曲線（S-N曲線），結(jié)果顯示其疲勞強(qiáng)度為425MPa，高于人體骨骼的載荷，和Ti6Al4V處在同一水平?；诹鸭y擴(kuò)展曲線擬合出的Paris