模拟生理应力环境中镁及其合金的降解行为研究

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目前镁及其合金的体外模拟降解实验大多为静态浸泡降解实验,而人体实际生理环境会对服役的镁合金器械产生低频动态载荷作用,静态应力和动态应力的存在会改变镁合金植入物的降解行为,直接影响其降解速率和降解机制。本文以AZ31B镁合金为主要研究对象,构建了模拟生理应力环境的电化学试验平台,对镁合金进行了模拟生理应力环境的体外降解实验,并研究了无应力作用、静态拉伸应力作用、静态压缩应力作用和循环拉压交变应力作用下镁合金降解行为的变化,系统地对比研究了载荷大小、频率、形式和浸泡时间对镁合金降解行为和降解速率的影响,研究发现:第二相颗粒在变形AZ31B镁合金挤压成型过程中沿拉拔方向分布,导致样品表面出现沿轴向分布的带状腐蚀痕迹;腐蚀前期样品基体表面缺少膜层防护,腐蚀速率较快;随着降解时间的延长,腐蚀产物和Ca-P相等沉积产物在样品表面堆积,对侵蚀离子的扩散和电荷的传输产生阻碍,而对基体产生一定的保护作用,从而减缓了纯镁和镁合金的腐蚀速度,但纯镁的腐蚀速率相对较快。纯镁在降解过程中极化电阻呈现先增大后减小的趋势,而AZ31B镁合金的极化电阻呈现逐渐增大趋于稳定的规律。相比于无应力环境中的AZ31B镁合金,静态拉伸载荷和压缩载荷均加速了镁合金的腐蚀,应力越大,镁合金的腐蚀速率也随之升高,而拉伸载荷比压缩载荷的影响更显著。外加载荷对镁合金腐蚀行为的加速效应在前24小时较明显,在24小时后影响逐渐衰减趋于平稳。由于镁合金的负差数效应,经失重法计算得到的腐蚀电流密度均高于由线性极化法计算得到的腐蚀电流密度。初始阶段(24h内),镁合金的阳极腐蚀电流密度与外加应力服从7)7)7)7)4)4)(8(8(8(8(8(8(8(8)线性关系;随着浸泡时间的延长(24120h),样品表面堆积了大量腐蚀产物和沉积产物,腐蚀电流密度的实验数据与理论模型逐渐产生偏离,镁合金的腐蚀速率对高应力和拉伸载荷更为敏感。溶液侵蚀离子会促进镁合金表面腐蚀坑的形核,外加静态载荷会提高镁合金的表面自由能,减弱固体结合能,从而降低镁合金腐蚀的反应活化能,同时外加应力会加重点蚀坑底部的应力集中现象,促进点蚀坑的生长和连结。相比于静态载荷作用,动态拉压交变载荷会进一步促进镁合金的腐蚀,且动态载荷的应力幅值和循环频率越高,对镁合金腐蚀的加速作用就会越明显。循环交变载荷和腐蚀环境对镁合金降解行为的影响不是简单的叠加,而是存在着非常重要的交互作用。在循环交变应力作用下,镁合金表面会重复发生钝化膜生成-弹性伸缩-钝化膜滑移-钝化膜层破裂-钝化膜溶解-基体再钝化的过程,交变载荷的频率越大,一定周期内该过程发生的次数就越多,腐蚀离子攻击基体的次数越多;交变载荷的应力幅值越高,镁合金表面的微小形变越大,钝化膜越容易发生滑移和溶解,从而镁合金越容易发生腐蚀破坏。在动态交变载荷作用下,镁合金样品的腐蚀电流密度与载荷频率之间呈现7)7)7)7)4)4)01)1的线性关系,动态载荷的应力幅值越大,频率越高,积聚在镁合金棒中的能量越高,腐蚀反应所需热激活能则越低,镁合金样品的腐蚀反应速率则越快。
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