梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計及其疲勞性能研究

供稿人:董恩純 王玲

鈦合金擁有良好的機(jī)械性能與生物相容性，配合多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以減輕應(yīng)力遮擋帶來的影響，并且可以通過設(shè)計梯度多孔結(jié)構(gòu)來改善多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使之更加符合人體力學(xué)環(huán)境，3D打印技術(shù)為多孔與梯度多孔結(jié)構(gòu)的制備提供了可能，因此現(xiàn)在鈦合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。但是目前對于多孔結(jié)構(gòu)的研究主要集中在多孔單元的設(shè)計以及靜力學(xué)性能上，疲勞性能的研究相對較少，因此為了保證多孔結(jié)構(gòu)在使用時的安全，研究多孔的疲勞性能與疲勞損傷機(jī)制是十分必要的。

中科院的研究人員通過改變菱形十二面體單胞中的支柱傾斜角度與尺寸，設(shè)計了三種變形結(jié)構(gòu)G1、G2、G3，分別研究了這三種結(jié)構(gòu)的壓縮性能，并且通過將這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，設(shè)計了一種梯度結(jié)構(gòu)，研究了其疲勞性能與疲勞損傷機(jī)制。

圖1 (a)-(c)為三種多孔單元結(jié)構(gòu)，(d)為梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓縮實驗發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)的等效模量為在15.8-23.9GPa，之間，并且G1>G2>G3。接下來，根據(jù)ASTM E466-07標(biāo)準(zhǔn)，對梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗，并通過X射線斷層掃描（XRT）對觀察了樣件在1000N，2000N和3000N時的裂紋形成情況?？梢钥闯觯鸭y沒有出現(xiàn)在梯度交接處，而是首先出現(xiàn)在了最硬的G1處，并且隨著壓力的不斷增大，裂紋逐漸向較軟的G2與G3處擴(kuò)展。并通過觀察其應(yīng)變累計發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)變的累計速率可以分為三個階段，并且其速率是不斷增加的。

圖2 疲勞實驗中梯度多孔結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展情況

進(jìn)而，根據(jù)這些現(xiàn)象，作者提出了梯度多孔結(jié)構(gòu)的疲勞損傷機(jī)理模型：即根據(jù)梯度多孔結(jié)構(gòu)的等效模量關(guān)系，等效模量較大的區(qū)域承受較大的應(yīng)力，因此會首先出現(xiàn)裂紋，但是隨著裂紋的產(chǎn)生，其等等效模量會逐漸下降，當(dāng)其接近下一級多孔結(jié)構(gòu)的等效模量時，應(yīng)力會逐漸轉(zhuǎn)移到下一級多孔結(jié)構(gòu)上去，以此類推，應(yīng)力級級傳遞，不斷重新分配，并且高強(qiáng)度網(wǎng)格中的裂紋擴(kuò)展可以通過低強(qiáng)度網(wǎng)格中的應(yīng)力再分布來抑制，直至破壞。

根據(jù)這一理論，作者設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)，外層為等效模量較高的立方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為較軟的結(jié)構(gòu)，因此這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了既有較高的疲勞強(qiáng)度（~70MPa）和較高的能量吸收率（~50MJ/Mg）。

圖3 雙層結(jié)構(gòu)模型

本研究針對臨床中應(yīng)用較為廣泛地菱形十二面體多孔單元，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，設(shè)計出了一種梯度多孔結(jié)構(gòu)，并通過力學(xué)實驗研究了該梯度多孔結(jié)構(gòu)的壓縮疲勞性能，并提出了梯度多孔結(jié)構(gòu)壓縮疲勞損傷理論，該理論對指導(dǎo)梯度多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：
S. Zhao et al. Compressive and fatigue behavior of functionally graded Ti-6Al-4V meshes fabricated by electron beam melting. Acta Materialia. 2018,150, 1-15.

供稿人:董恩純 王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室