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系統識別號 U0026-0812200913481720
論文名稱(中文) 鈦-鉬合金在漢克溶液中的腐蝕疲勞行為研究
論文名稱(英文) Study of Corrosion Fatigue Behavior of Ti-Mo Alloys in Hanks’Solution
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 材料科學及工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Materials Science and Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生(中文) 蔡翔威
研究生(英文) Shiang-Wei Tsai
電子信箱 n5694123@mail.ncku.edu.tw
學號 n5694123
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 149頁
口試委員 口試委員-李智銘
口試委員-林殿傑
口試委員-林家緯
指導教授-陳瑾惠
指導教授-朱建平
中文關鍵字 鈦-鉬合金  腐蝕疲勞  漢克溶液 
英文關鍵字 Ti-Mo alloys  corrosion fatigue  Hanks’solution 
學科別分類
中文摘要 本實驗的目的最主要是比較鑄造Ti-6wt%Al-4 wt%V、Ti-7.5wt%Mo
、Ti-15wt%Mo-1wt%Bi在空氣中和在漢克溶液中的高週期疲勞行為。其結果顯示在這兩種不同的環境中,這三種合金疲勞S-N曲線趨勢是相似的,疲勞強度也是類似的,漢克溶液不會對這三種合金在疲勞性質上有任何影響。
接著將Ti-15wt%Mo-1wt%Bi在室溫滾壓至1.2mm厚,再經由固溶T1 t1,時效T2 t2,以期改善拉伸性質和疲勞性質。結果顯示,經由一連串的加工、熱機處理製程的Ti-15Mo-1Bi,其拉伸強度和疲勞強度比直接鑄造的Ti-15wt%Mo-1wt%Bi要好。
英文摘要 The purpose of this study is mainly to compare the high-cycle fatigue behavior of as-cast Ti-6wt%Al-4wt%V、Ti-7.5wt%Mo、Ti-15 wt%Mo-1wt%Bi in air and in Hanks' solution. The conclusion expresses that in these two different environments, the tendency of fatigue S-N curves of these three alloys are similar, and the fatigue strength of these three alloys are the analogous,and the Hanks' solution does not influence on fatigue property of these three alloys.
The Ti-15wt%Mo-1wt%Bi are rolled to the thickness of 1.2mm at room temperature , and solution-treated T1 for t1, and aged T2 for t2.This study is to expect for improving on the tensile property and the fatigue property. The result shows that the Ti-15wt%Mo-1wt%Bi are worked and thermomechinal-treated,the tensile strength and the fatigue strength are better than as-cast Ti-15wt%Mo-1wt% Bi.
論文目次 總 目 錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
圖目錄 X
表目錄 XIX

第一章 前言 1
1-1 研究背景 1
1-2 生醫材料概論 2
1-3 生醫材料的分類 3
1-3-1 高分子材料 5
1-3-2 金屬材料 6
1-3-3 陶瓷材料 8
1-3-4 複合材料 9
1-4 研究目的 11

第二章 文獻回顧 12
2-1 純鈦的性質 12
2-1-1 鈦的資源 12
2-1-2 Kroll法 13
2-1-3 Hunter法 14
2-1-4 電解法 14
2-2 鈦的機械性質 16
2-3 鈦合金的種類和性質 18
2-3-1 α型鈦合金 19
2-3-2 近α型鈦合金 21
2-3-3 α+β型鈦合金 21
2-3-4 β型鈦合金 26
2-4 鉬(Mo)當量 26
2-5 應力遮蔽效應 28



第三章 理論基礎 32
3-1 引言 32
3-2 加工硬化 33
3-3 析出硬化 35
3-3-1 固溶熱處理 35
3-3-2 淬火 36
3-3-3 時效處理 37
3-3-4 鈦合金ω相的析出 38
3-4 破斷機構 39
3-4-1 破裂型式 40
3-4-2 延性破斷 41
3-4-3 脆性破斷 44
3-5 疲勞 46
3-5-1 S-N曲線 46
3-5-2 交變應力參數 48
3-5-3 疲勞的巨觀特徵 50
3-5-4 裂縫的起始和擴展 51
3-5-5 疲勞裂縫成長 54
3-6 腐蝕疲勞 56
3-6-1 各種環境對鈦合金的影響 57
3-6-2 腐蝕環境下的疲勞壽命 61
3-6-3 腐蝕對疲勞破斷面的影響 61
3-6-4 增加疲勞壽命的方法 62

第四章 實驗步驟 63
4-1 實驗流程 63
4-2 合金配製 64
4-3 合金熔煉 65
4-4 合金鑄造 68
4-5 滾壓製程和試片切割 69
4-6 熱機處理製程 69
4-7 機械性質的測試 71
4-7-1 拉伸測試 71
4-7-2 疲勞測試 73
4-7-3 腐蝕疲勞測試 74
4-8 掃描式電子顯微鏡 75
4-9 X光繞射分析 76
4-10 能量散佈分析儀 77
4-11 光學電子顯微鏡 77
4-12 硬度測試 78
4-13 電化學測試 78

第五章 結果與討論 81
5-1 成分分析 81
5-2 相組成分析 82
5-3 金相分析 84
5-4 鑄造合金拉伸試驗 86
5-4-1 拉伸性質 86
5-4-2 拉伸破斷面 89
5-5 硬度測試 89
5-6 鑄造合金腐蝕疲勞試驗 94
5-6-1 應力控制型腐蝕疲勞性質 94
5-6-2 應變控制型腐蝕疲勞性質 96
5-6-3 腐蝕疲勞破斷面 101
5-7 鑄造合金的電化學測試 122
5-8 Ti-15Mo-1Bi經由熱處理過後的機械性質 125
5-8-1 拉伸性質 125
5-8-2 疲勞性質 127
5-8-3 疲勞破斷面 131

第六章 結論 139

第七章 參考文獻 141

圖目錄
圖1-1 台灣人口的平均壽命。 1
圖1-2 奈米碳簇C-60結構示意圖。 5
圖1-3 (a)二甲基丙烯酸樹酯(PMMA)、(b)超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、(c) 尼龍(nylon)。 7
圖1-4 達克隆所製造的人工血管。 11
圖1-5 鈦合金所製造的人工瓣膜其支架。 11
圖2-1 Kroll法的製作流程圖。 13
圖2-2 Hunter法的製作流程圖。 15
圖2-3 電解法的製作流程圖。 16
圖2-4 各種溫度鈦的含氧量。 17
圖2-5 α鈦的滑移系統和雙面。 17
圖2-6 β鈦轉變成α鈦的非擴散機制。(a) β鈦的bcc晶胞;(b)一組(a)中的晶胞,其中隱含hcp的晶胞;(c)(b)中的晶胞受到剪應力變成α鈦的hcp。 19
圖2-7 α、β型鈦合金添加合金相圖。 23

圖2-8 典型的α+β型鈦合金熱處理。(A)部分相圖、(B)固溶處理、
(C)時效處理。 25
圖2-9 Ti-6Al-4V中費德曼板狀結構形成的過程。 25
圖2-10 Ti-Mo合金的相圖。 27
圖2-11 伍爾夫定律的示意圖。 28
圖2-12 (a)、(b)植入物為Ti-6Al-4V,(c)、(d)植入物為316不鏽鋼。 各在第0周和在第22周用X光片所觀察大白鼠骨頭生長的情形。 29
圖3-1 影響鈦合金性質的過程圖。 32
圖3-2 鈦的應力跟差排密度的關係圖。 34
圖3-3 鐵的再結晶溫度與冷加工的百分比的關係圖。 35
圖3-4 固溶處理的假想圖。 36
圖3-5 差排通過析出物的Orowan機構。 37
圖3-6 時效和硬度的關係。 38
圖3-7 ω相在α/β相形成的區間。 39
圖3-8 (A)雙滑移在晶體中的指向、(B)頸縮的發展、
(C)鑿刃性的破裂。 40
圖3-9 (a)高延性破斷、(b)中等延性破斷、(c)脆性破斷。 41
圖3-10 拉伸應力-應變曲線,(A)、(B)為脆性破斷,
(C)為延性破斷。 41
圖3-11 (a)頸縮產生、(b)小空孔形成、(c)空孔聚集成裂縫、(d)裂縫 前進、(e)剪變(跟應力軸成45°)破斷。 42
圖3-12 延性破裂中的空孔-薄板機構。 42
圖3-13 延性破斷面的韌窩圖。 43
圖3-14 (a)顯示脆性的“V”型山形符號,(b)放射狀的扇形山脊脆性破斷的表面,箭頭指裂縫起始處。 45
圖3-15 (A)穿晶與(B)沿晶破斷之間的差異。 46
圖3-16 (a)有疲勞限的材料,(b)無疲勞限的材料。 47
圖3-17 對恆定的應力範圍,數種σm對循環應力的影響。 49
圖3-18 R對S-N曲限的影響。 48
圖3-19 疲勞破斷的巨觀圖。 50
圖3-20 海灘紋的形成。 50
圖3-21 疲勞破損的破斷表面。 51
圖3-22 多晶金屬中疲勞破斷階段I和階段II。 52
圖3-23 疲勞裂縫擴展機構。 53
圖3-24 疲勞條紋的TEM照片。 53
圖3-25 疲勞裂縫成長速率和應力集中因子的關係圖。 55
圖3-26 腐蝕疲勞的裝置圖。 56
圖3-27 Ti-6Al-4V在3.5%NaCl中和在空氣中所測得的S-N曲線。 57
圖3-28 在空氣中和在高真空下的da/dN曲線。 60
圖4-1 實驗流程圖。 63
圖4-2 牙科鑄造機的外觀。 66
圖4-3 牙科熔煉鑄造機的內部構造示意圖。 67
圖4-4 石墨模具示意圖。 68
圖4-5 滾壓機。 70
圖4-6 試片形狀。 71
圖4-7 動態疲勞試驗機。 72
圖4-8 疲勞測試的應力正弦波。 73
圖4-9 本實驗的腐蝕疲勞裝置圖。 74
圖4-10 環境式電子掃描顯微鏡。 76
圖4-11 電化學反應裝置。 80
圖5-1 鑄造四種合金的XRD相圖。 83
圖5-2 四種鑄造合金的OM圖(500X)。(a)cp Ti、(b)Ti-6Al-4V、 (c)Ti-7.5Mo、(d)Ti-15Mo-1Bi。 85
圖5-3 四種鑄造合金的拉伸性質。(a)表示鑄造合金的抗拉強度、降伏 強度、延展性,(b)表示鑄造合金的彈性模數。 88
圖5-4 鑄造純鈦拉伸破斷面。 90
圖5-5 鑄造Ti-6Al-4V拉伸破斷面。 91
圖5-6 鑄造Ti-7.5Mo拉伸破斷面。 92
圖5-7 鑄造Ti-15Mo-1Bi拉伸破斷面。 93
圖5-8 鑄造純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-7.5Mo、Ti-15Mo-1Bi平均微
硬度值。 94
圖5-9 高週期鑄造鈦合金在Hanks溶液中應力-壽命曲線分布圖。 97
圖5-10 高週期鑄造Ti-15Mo-1Bi在空氣中和在Hanks溶液中應力-壽命曲線分布圖。 98
圖5-11 高週期鑄造鈦合金在Hanks溶液中應變-壽命曲線分布圖。 99

圖5-12 高週期鑄造Ti-15Mo-1Bi在空氣中和在Hanks溶液中應變-壽命曲線分布圖。 100
圖5-13 Ti-7.5Mo-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力400MPa之疲勞破斷面,N=17678。 103
圖5-14 Ti-7.5Mo-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力350MPa之疲勞破面,N=35378。 104
圖5-15 Ti-7.5Mo-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力325MPa之疲勞破面,N=65544。 105
圖5-16 Ti-7.5Mo-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力300MPa之疲勞破斷面,N=61902。 106
圖5-17 Ti-6Al-4V-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力500MPa之疲勞破斷面,N=113644。 107
圖5-18 Ti-6Al-4V-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力450MPa之疲勞破斷面,N=76478。 108
圖5-19 Ti-6Al-4V-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力400MPa之疲勞破斷面,N=89484。 109
圖5-20 Ti-6Al-4V-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力375MPa之疲勞破斷面,N=87456。 110
圖5-21 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力450MPa之疲勞破斷面,N=28704。 111
圖5-22 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力400MPa之疲勞破斷面,N=30462。 112
圖5-23 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力350MPa之疲勞破斷面,N=89497。 113
圖5-24 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力300MPa之疲勞破斷面,N=122381。 114
圖5-25 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力275MPa之疲勞破斷面,N=192438。 115
圖5-26 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在37℃的Hanks溶液,應力250MPa之疲勞破斷面,N=84762。 116
圖5-27 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在空氣中,應力450MPa之疲勞破斷面,N=28578。 117
圖5-28 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在空氣中,應力400MPa之疲勞破斷面,N=24939。 118
圖5-29 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在空氣中,應力350MPa之疲勞破斷面,N=83880。 119
圖5-30 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在空氣中,應力300MPa之疲勞破斷 面,N=515440。 120
圖5-31 Ti-15Mo-1Bi-as casting,在空氣中,應力275MPa之疲勞破斷面,N=262500。 121
圖5-32 鑄造合金在Hanks溶液中的陽極極化曲線。 124
圖5-33 鑄造Ti-15Mo-1Bi和經由熱機處理後的拉伸性質。(a)表示抗拉強度、降伏強度、延展性,(b)表示彈性模數。 126
圖5-34 高週期鑄造Ti-15Mo-1Bi和熱機處理過後的循環應力和疲勞壽命曲線。 129
圖5-35 高週期鑄造Ti-15Mo-1Bi和熱機處理過後的循環應變和疲勞壽命曲線。 130
圖5-36 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力700MPa之疲勞破斷面,N=53338。 132
圖5-37 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力650MPa之疲勞破斷面,N=10890。 133
圖5-38 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力600MPa之疲勞破斷面,N=74158。 134
圖5-39 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力550MPa之疲勞破斷面,N=186795。 135
圖5-40 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力500MPa之疲勞破斷面,N=189657。 136
圖5-41 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力475MPa之疲勞破斷面,N=449916。 137
圖5-42 Ti-15Mo-1Bi(STA),在空氣中,應力450MPa之疲勞破斷面,N=706815。 138






表目錄
表1-1 各種生醫材料的基本特性和在應用上的優、缺點。 4
表1-2 金屬生醫材料發展的歷史。 10
表1-3 金屬表面被覆陶瓷。 9
表2-1 鈦和其他材料物理性質的比較。 20
表2-2 純鈦及常見鈦合金之成分和機械性質。 24
表2-3 人體各部位骨頭的性質。 31
表3-1 人工唾液的成分表。 58
表3-2 各種環境下的水蒸氣和壓力表。 60
表4-1 各種材料的成分和來源。 65
表4-2 Hanks人工體液之化學成份。 75
表5-1 EDS成分分析結果。 81
表5-2 鑄造合金在Hanks溶液的開路電位與腐蝕電流。 124
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