一些金屬材料因為它們的力學(xué)性能(強度、韌性、疲勞強度)和耐腐蝕性相比其他生物材料,如聚合物和陶瓷,有*的組合,所以被認為是非常有前途的骨科植入物。金屬生物材料應(yīng)用于一些醫(yī)療設(shè)備,如人工關(guān)節(jié),骨板,螺絲釘,髓內(nèi)釘,支架,脊柱內(nèi)固定件,脊柱墊片,牙科植入物,線,*殼和人工*。
不銹鋼、鈷基合金、工業(yè)純鈦(CP-Ti)和鈦合金廣泛地被用于金屬生物材料。然而,對鈦及其合金越來越感興趣,特別是作為牙科和整形外科植入物,因為其相對較低的彈性模量,優(yōu)異的生物相容性和比不銹鋼和鈷基合金更高的耐腐蝕性。但是,316L等級的不銹鋼仍是廣泛用于內(nèi)部固定設(shè)備的材料,如斷裂板、螺釘、髖釘?shù)?,因為與其他金屬植入材料相比,它具有良好的機械性能、可接受的生物相容性、足夠的耐腐蝕性和低成本。使用316L不銹鋼作為生物植入的主要問題是其含鎳量高,也就是*的持續(xù)時間較長時產(chǎn)生不利影響的生物相容性和一些與健康有關(guān)的問題。
zui近,印度Jindal鋼公司開發(fā)了一種新型奧氏體不銹鋼(216L),含有比316L鋼相對較低的鎳和較高的氮、錳,替代316L用于醫(yī)療應(yīng)用。由于相當(dāng)多的骨科植入物,尤其是髖部和腿部,受到大量的周期反復(fù)荷載,通常由于腐蝕疲勞而失效,采用模擬人體流體(SBF)方式,并與傳統(tǒng)的316L不銹鋼比較,進行了本次研究以描述新開發(fā)的216L不銹鋼的腐蝕疲勞行為。
本次研究的材料,一種新開發(fā)的奧氏體不銹鋼(216L)由印度Jindal鋼公司生產(chǎn)成直徑為18mm,長度為250mm的鍛棒。經(jīng)1050℃鍛造的216L鋼棒在1050℃退火30min以均質(zhì)化。同時,316L不銹鋼也由該公司生產(chǎn),為203.2×203.2×16mm的板材,1050℃退火30min。兩者的化學(xué)成分如表1所示。機械拋光后,經(jīng)15ml鹽酸和25ml硝酸的混合溶液侵蝕,表征兩種鋼的光學(xué)顯微組織。使用50KN螺桿驅(qū)動的InstronTM試驗機測定兩種鋼的拉伸性能。所有拉伸試驗的試樣按BS技術(shù)標準2-1950制備,標距和直徑分別為15.4mm和4.5mm。在室溫以5×10-4s-1的應(yīng)變速率進行拉伸試驗。*反向負荷下(R=-1)進行充氣,模擬人體流體環(huán)境下使用50KN伺服液壓MTSTM(型號1810)進行軸向推-拉應(yīng)力控制和應(yīng)變控制疲勞試驗。模擬的人體流體成分如表2所示。
表1216L不銹鋼和316L不銹鋼的化學(xué)成分(wt.%)
鋼種 | C | Ni | Cr | Mn | N | Cu | Mo | Si | Ti | S | P | Fe |
216L | 0.025 | 6.56 | 16.92 | 5.02 | 0.193 | 1.94 | 1.75 | 0.23 | - | 0.005 | 0.032 | 余量 |
316L | 0.02 | 10.3 | 16.9 | 1.13 | 0.0358 | 0.303 | 2.02 | 0.483 | 0.007 | 0.003 | 0.0362 | 余量 |
表2模擬人體流體的成分(g/l)
NaCl | KCl | CaCl2 | NaHCO3 | Na2HPO4· 2H2O | MgCl2· 6H2O | KH2PO4 | MgSO4· 7H2O | 葡萄糖 |
8.00 | 0.40 | 0.18 | 0.35 | 0.48 | 0.10 | 0.06 | 0.10 | 1.00 |
研究結(jié)果表明:(1)在SBF環(huán)境下應(yīng)力控制模式時,216L不銹鋼的疲勞壽命明顯比應(yīng)力幅值低于±500MPa時的316L不銹鋼來得長。然而,應(yīng)力幅值較大的316L不銹鋼顯示出比216L更長的疲勞壽命。(2)在空氣和SBF兩種環(huán)境下,研究了整個范圍內(nèi)的總應(yīng)變幅值:在總的應(yīng)變控制模式下,216L鋼的疲勞壽命明顯比316L鋼長。(3)在空氣和在SBF環(huán)境下兩種鋼的循環(huán)應(yīng)力反應(yīng)有著顯著的差異。316L不銹鋼在循環(huán)后期到斷裂顯示出明顯的循環(huán)硬化,而216L不銹鋼從一開始直到斷裂均顯示出循環(huán)軟化。
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