本文關鍵詞：氧化鋯增韌HA生物陶瓷涂層的疲勞性能研究

  更多相關文章： 羥基磷灰石 增韌相氧化鋯 疲勞壽命 彈性模量 斷裂韌性 增韌原理

【摘要】：為了克服HA生物陶瓷的力學性能缺陷,以HA粉末為基體加入氧化鋯增韌材料使之成為復合涂層,可以有效提高生物陶瓷涂層的物理性能,并且不會因為氧化鋯的加入影響HA生物陶瓷涂層的生物相容性。但是在臨床應用中,材料工作者和患者選擇人工關節(jié)涂層時仍缺乏更可靠、直觀的參考,所以研究材料的斷裂失效,預估涂層的使用壽命具有一定的意義。本文以鈦合金為基底,用等離子噴涂技術制備純HA涂層以及含氧化鋯質量分數為30%的HA/ZrO_2復合涂層(記為HA0、HA30)。采用三點彎曲法得出HA0和HA30涂層載荷-位移之間的關系曲線,得到擬合直線的斜率;利用復合梁理論計算出兩者的彈性模量;結合顯微硬度計算出涂層的斷裂韌性。使用疲勞裂紋擴展理論預估涂層的靜疲勞、循環(huán)疲勞壽命;用Weibull分析建立彎曲強度與失效概率之間的模型。最后利用電子顯微鏡觀察涂層失效后的斷口形貌,分析氧化鋯增韌原理。本文的主要內容和成果如下:(1)根據試樣的形狀、大小以及Instron電液伺服試驗機的夾頭直徑、高度,選取綜合性能較好的Q345鋼,設計加工出三點彎曲試驗的夾具、壓頭。(2)分別以0.01mm/min、0.1mm/min、1mm/min的加載速率對涂層進行加載,得到HA0、HA30擬合直線的平均斜率k分別為6.4963、6.7248。根據復合梁理論計算出兩者的彈性模量約為30.41GPa,38.86GPa。說明氧化鋯的加入可以提高涂層的彈性模量。根據計算出的彈性模量以及在顯微硬度試驗得到的數據計算出HA0和HA30的斷裂韌性分別為0.68MPa·mm1/2,1.139MPa·mm1/2,結果表明HA30比HA0有著更好的斷裂韌性。HA0涂層在三種加載速率下的三點彎曲強度分別為963.61MPa、1007.41MPa、1063.30MPa;而HA30為1064.53MPa、1102.69MPa、1159.39MPa,高于HA0的彎曲強度;研究發(fā)現三點彎曲強度隨著加載應力速率的增加而增大,HA30表現出更好的抗疲勞特性。最后測得的HA0、HA30的應力腐蝕指數為40.67、51.14。H30涂層的抗靜、循環(huán)疲勞性能都高于HA0涂層。(3)涂層在循環(huán)次數為104后,涂層試樣的彎曲強度都出現明顯的下降,說明其內部已經出現疲勞現象。經3x104循環(huán)后,HA0的平均彎曲強度從1007.41MPa下降至705.87MPa,強度下降率為29.93%。而HA30的平均彎曲強度從1073.39下降到851.19,下降率約為20.7%。HA30涂層表現出更可靠的機械性能及抗疲勞性能。Weibull分析函數發(fā)現HA30的Weibull模數先上升后下降,這可能是由于HA30涂層中的氧化鋯的增韌作用,提高了陶瓷的強度。(4)涂層的斷裂是由表面的微小裂紋不斷擴展,匯合,最終形成一條貫穿涂層表面的主裂紋,導致涂層斷裂失效。HA0涂層的裂紋平直,主要發(fā)生穿晶斷裂,斷口出現類似“河流”的滑移帶。而HA30的裂紋路徑彎曲,發(fā)生沿晶斷裂;氧化鋯增韌HA的機理主要有:1)氧化鋯托氏體轉化成馬氏體的相變增韌,體積膨脹和剪切應變吸收能量從而達到增韌;2)顆粒增韌:氧化鋯發(fā)生橋聯吸收能量,熱應力導致裂紋擴展至氧化鋯顆粒處“釘扎”,阻礙已產生的微裂紋繼續(xù)擴展,完成增韌。
【關鍵詞】：羥基磷灰石 增韌相氧化鋯 疲勞壽命 彈性模量 斷裂韌性 增韌原理
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-25
• 1.1 選題的背景和意義13
• 1.2 陶瓷增韌技術13-18
• 1.2.1 顆粒彌散增韌14-15
• 1.2.2 纖維、晶須增韌15-16
• 1.2.3 相變增韌16-17
• 1.2.4 自增韌17
• 1.2.5 納米增韌17-18
• 1.2.6 復合增韌18
• 1.3 陶瓷的疲勞及壽命的預測的研究18-23
• 1.3.1 疲勞的定義18-19
• 1.3.2 陶瓷疲勞的分類19
• 1.3.3 疲勞的影響因素19-21
• 1.3.4 以往壽命預測方法評價21-23
• 1.4 研究目標和內容23-25
• 第2章 試樣材料、研究方法以及夾具設計25-31
• 2.1 試驗試樣的制備25
• 2.2 INSTRON電液伺服試驗機25-26
• 2.3 三點彎曲試驗夾具的設計制造26-29
• 2.3.1 設計思路28-29
• 2.3.2 材料與加工29
• 2.4 涂層的彈性模量E的計算29-30
• 2.5 顯微硬度測試和壓痕的觀測30
• 2.6 裂紋形貌的觀察30
• 2.7 本章小結30-31
• 第3章 涂層斷裂參數的測量31-41
• 3.1 復合梁理論計算涂層的彈性模量31-33
• 3.2 三點彎曲試驗33-37
• 3.3 壓痕法測量涂層的斷裂韌性37-39
• 3.3.1 壓痕法預估斷裂韌性的理論37-39
• 3.3.2 涂層的顯微壓痕39
• 3.4 本章小結39-41
• 第4章 HA陶瓷涂層壽命的預測41-57
• 4.1 裂紋擴展速率與應力強度因子之間的關系41-42
• 4.2 靜載荷條件下的壽命預估42-43
• 4.3 循環(huán)載荷條件下的壽命預估43-44
• 4.4 涂層壽命參數的測量44-45
• 4.5 動態(tài)疲勞試驗45-48
• 4.6 陶瓷涂層的疲勞壽命預估48-51
• 4.6.1 靜疲勞壽命的預估48-49
• 4.6.2 循環(huán)疲勞壽命的預估49-51
• 4.7 WEIBULL分布51-55
• 4.7.1 Weibull分析介紹51-52
• 4.7.2 試驗設計52
• 4.7.3 Weibull分析結果52-55
• 4.8 本章小結55-57
• 第5章 涂層斷裂失效及增韌原理分析57-65
• 5.1 裂紋擴展過程57-58
• 5.2 涂層斷裂形貌58-59
• 5.2.1 涂層表面斷裂形貌58-59
• 5.2.2 涂層界面斷裂形貌59
• 5.3 斷裂現象分析59-60
• 5.4 加載率不同的涂層形貌分析60-61
• 5.5 氧化鋯的增韌61-62
• 5.5.1 氧化鋯的相變增韌61
• 5.5.2 氧化鋯的顆粒增韌61-62
• 5.6 本章小結62-65
• 第6章 總結與展望65-69
• 6.1 總結65-66
• 6.2 展望66-69
• 附錄69-71
• 參考文獻71-77
• 致謝77-79
• 攻讀學位期間參加的科研項目和成果79

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