生物医用低弹钛合金弹性性能超声无损评价

论文摘要

无潜在的毒性元素且低弹性模量的新型生物医用钛合金是目前研究的热点。为了使材料更符合生物医用的标准,需要提高合金的强度,同时降低合金的弹性模量,以得到最佳的强度和弹性比。本研究主要从热处理工艺和合金元素含量两方面考察合金弹性性能的变化。选用Ti-Nb-Zr系合金为研究对象,运用超声水浸聚焦法及掠入射纵波法测得合金的纵波及横波声速并基于christoffel方程计算得到对应不同时效温度和合金元素含量的样品的弹性性能参数,同时结合X射线衍射及金相分析等方法探索了弹性性能与超声波参量之间的相关性。分别用超声波声速法和拉伸法对钛合金的弹性模量进行测量,对所得的结果进行比较发现：两种方法的测试结果较为接近,相差不超过3.6%,证实了用超声波声速法无损评价钛合金弹性模量是可行的。用超声波声速法研究不同时效温度对Ti18Nb7Zr和Ti27Nb8Zr合金弹性性能的影响。鉴于材料微观组织与其弹性性能之间具有密切相关性,因此从微观组织的角度进一步分析与讨论导致弹性模量改变的原因。结果表明：随着时效温度的升高,Ti18Nb7Zr合金的纵波和横波声速以及弹性模量均增加,但泊松比却下降。分析认为：弹性指标的变化与合金的组织由层片状的B和a相变为弥散分布a相和B相密切相关。Ti27Nb8Zr的研究结果则是随时效温度的升高,声速和弹性模量呈单调递减的趋势,泊松比则相反。分析认为：温度变化导致固溶处理后产生的马氏体在随后的时效过程中分解形成不同形态与含量的相,这是诱发合金弹性模量改变的主要因素。用超声波声速法研究Nb元素含量从15%增加到30%的过程中Ti-xNb-7Zr合金弹性性能的变化。结果表明：随着Nb含量的增加,声速和弹性模量均呈现递增的趋势,当Nb含量为24%时达到最大值,而后声速和弹性模量则逐渐减小。分析认为这与合金中β和a”相的体积分数及相弹性模量的大小有关。用频谱分析法研究Ti-xNb-7Zr合金的衰减系数随Nb含量的变化,研究发现随着Nb含量的增加,钛合金的衰减系数大致呈现递增的趋势,当Nb含量为27%时,出现了降低。造成衰减系数变化的原因很多,是声速、密度及弹性性能等多方面综合作用的结果,因此难以对各种影响因素进行定量分析,目前只能在一定程度上对实验结果进行定性分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超声无损评价概述
• 1.1.1 超声无损评价概念及特点
• 1.1.2 超声无损评价的应用
• 1.2 生物医用低弹性模量钛合金
• 1.2.1 生物医用钛合金的发展
• 1.2.2 生物医用钛合金的力学性能
• 1.3 弹性模量
• 1.3.1 弹性模量的影响因素
• 1.3.2 弹性模量的测量方法
• 1.4 课题的研究意义、内容及技术路线
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 2 研究理论基础
• 2.1 超声无损评价的理论基础
• 2.1.1 超声波的反射和折射
• 2.1.2 超声波的声速
• 2.1.3 超声波的能量损失
• 2.1.4 频谱分析计算衰减系数
• 2.2 声速法测量弹性模量的原理
• 2.2.1 横波声速测量原理
• 2.2.2 弹性模量计算原理
• 2.3 钛合金中的相及合金化元素
• 2.3.1 钛合金中的相及时效过程中的相变
• 2.3.2 钛合金的热处理
• 2.3.3 合金化元素
• 3 实验过程
• 3.1 样品制备
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 超声水浸聚焦法
• 3.2.2 实验装置
• 3.2.3 拉伸实验
• 3.2.4 密度测量
• 3.2.5 微观结构分析
• 4 实验结果分析与讨论
• 4.1 实验方法可行性验证
• 4.2 时效温度对钛合金弹性模量的影响
• 4.2.1 时效温度对Ti18Nb7Zr弹性模量的影响
• 4.2.2 时效温度对Ti27Nb8Zr弹性模量的影响
• 4.2.3 两种合金实验结果的比较和分析
• 4.3 Nb元素含量变化对钛合金性能的影响
• 4.3.1 Nb元素含量变化对合金弹性模量的影响
• 4.3.2 频谱分析Nb元素含量对合金衰减系数的影响
• 4.4 误差分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢