生物镁合金降解过程中力学-化学自催化效应ESM表征及失效分析

As a biodegradable metal material, biomagnesium alloy has been widely used in the biomedical field. However, the excessively rapid degradation and failure problems limit the clinical application of biomagnesium alloys. The mechanical-chemical autocatalytic effect is the physical nature of excessive degradation and failure. How to develop effective experimental characterization and simulation methods to study the mechano-chemical autocatalytic mechanism at the small scale in the degradation process, and the key factors for domestic and foreign scientific research workers urgently need to be solved. This project will intend to use commercial magnesium alloy WE43 as the research object, apply EMS technology to the real-time characterization of the dynamic evolution of microcrack source microstructures, strain fields, and chemical fields during the degradation process of biomagnesium alloys, revealing the micromechanics of chemical-chemical autocatalytic effect. The phase field method will be used to simulate the evolutionary relationship between microstructure, stress field and chemical field, and a mechanics-chemical autocatalytic mechanical model will be established to analyze the excessively fast degradation and failure mechanism. Based on the experimental characterization and theoretical analysis results, the key factors of the mechano-chemical autocatalytic effect will be extracted, and the physical mechanisms for premature degradation and failure prediction and protection will be constructed to provide theoretical guidance for the optimal design, preparation and service of the alloys.

生物镁合金作为一种可降解金属材料已广泛应用于生物医用领域。然而过快的降解与失效问题极大地限制了生物镁合金的临床应用，力学-化学自催化效应是过快的降解与失效的物理本质。其中如何发展有效的实验表征和模拟方法来研究降解过程中小尺度下的力学-化学自催化机理，提炼过快的降解与失效关键影响因素是国内外科研工作者亟待解决的关键科学问题。本项目拟以商用镁合金WE43为研究对象，将电化学应变原子力显微镜技术(ESM)应用于生物镁合金降解过程中微裂纹源的微结构、应变场和化学场动态演化的实时表征，揭示力学-化学自催化效应的微观机理；利用相场方法模拟微结构、应力场与化学场的演化关联，建立力学-化学自催化的力学模型，对过快的降解与失效机理进行理论分析；基于实验表征和理论分析结果，提炼过力学-化学自催化效应的关键因素，构建过早降解与失效预测与防护物理机制，为生物镁合金优化设计、制备与服役提供理论指导。

生物镁合金降解过程中力学-化学自催化效应ESM表征及失效机理分析，对生物镁合金优化设计、制备和服役具有理论指导意义。生物镁合金作为一种可降解金属材料已广泛应用于生物医用领域。然而过快的降解与失效问题极大地限制了生物镁合金的临床应用，力学-化学自催化效应是过快的降解与失效的物理本质。本项目以商用镁合金WE43为研究对象，借助EMS技术对体液环境下生物镁合金应力腐蚀和腐蚀蠕变过程进行原位表征，研究了晶界、相界和孪晶缺陷处微结构、应变场演化规律，揭示了降解过程中力学-化学自催化效应的微观机理；降解过程中微结构、应力场与化学场进行了演化过程进行了相场模拟，并建立了三者之间的演化关联，对过力学化学自催化的失效机理进行了理论分析；基于实验表征和理论分析结果，提炼了力学-化学自催化失效的关键影响因素，构建了过快降解与失效预测及防护的物理机制，为生物合金优的化设计、制备与服役提供了理论指导。研究表明，（1）缺陷可以加速镁合金的腐蚀，其顺序依次为：相界，晶界，孪晶界。在浸泡腐蚀初期，主要发生局部腐蚀，第二相优先腐蚀。随着浸泡的进行，腐蚀表面会逐渐趋于平整，最终使基体、晶界、第二相的腐蚀速率趋于一致，达到均匀腐蚀的状态。（2）基于相场理论，建立了生物镁合金腐蚀过程模拟的理论框架，构建了不同类型生物镁合金腐蚀过程的相场动力学模型，并推导得到了相场模型中演化方程的弱形式，为有限元求解奠定了基础。首先对单晶生物镁合金点蚀与全面腐蚀过程进行了模拟，并探讨了第二相、表面粗糙度等对腐蚀过程的影响。然后对多晶生物镁合金点蚀、晶间腐蚀与宏观电偶腐蚀过程进行了模拟，并探讨了晶粒取向、晶粒度、孪晶等对腐蚀过程的影响。（3）分别采用激光重熔、离子注入对镁合金进行表面结构优化，高压凝固、高压扭转对镁合金进行结构调控，降低缺陷对合金腐蚀性能的影响。减少局部腐蚀，促进均匀腐蚀，减少降解过程中力学化学自催化效应，避免服役过程中的生物镁合金过早降解失效。