无Ni型Zr基块体非晶合金在模拟生理环境中的疲劳行为的研究

无Ni型Zr基块体非晶合金（BMG）是近年来发展起来的一类新型Zr系非晶材料，其优异的力学性质和生物相容性使其有可能成为新一代高性能生物材料，并在人工关节和种植牙方面呈现出潜在的应用前景。但作为骨科和齿科生物材料，其在生理环境中的疲劳性能尤为重要。本项目拟以我们自主研发的无Ni型Zr基BMG为对象，系统研究其在模拟生理环境中的疲劳行为。作为对比分析的基础，项目首先研究BMG在常态下的疲劳行为，重点研究其在循环载荷下疲劳裂纹的萌生与扩展，揭示BMG的疲劳机制。在此基础上，通过对无Ni型Zr基BMG在模拟体液中的疲劳性能和断口形貌的分析，弄清模拟体液对BMG疲劳行为的影响。最后，结合在电化学状态下（阴极极化和阳极极化）BMG的疲劳性能和裂纹扩展的研究，揭示BMG在模拟体液中的腐蚀疲劳机理。本项目的研究对认识块体非晶合金在生理介质中的疲劳机理、开拓块体非晶合金在生物医疗领域的应用具有重要意义。

本项目以无Ni型Zr基块体非晶合金Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3为对象，系统研究了该非晶合金的各类力学性能及生物相容性，并重点研究了该非晶合金在常态及模拟体液中的疲劳行为，获得了以下主要结果：1）该非晶合金具有高拉伸强度（1720±28 MPa），较低的弹性模量（82±1.9 Gpa），较高的缺口断裂韧性（94±19 MPa√m），并具有良好的生物相容性（0-1级毒性），从而表现出用作植入材料的应用前景；2）该非晶合金在常态下和模拟体液中均表现出良好的疲劳性能，疲劳极限分别达到425 MPa和366 MPa。在模拟体液中，点蚀优先发生在样品表面缺陷或应力集中处(如样品的拐角处)，点蚀能促进疲劳裂纹的萌生，但不影响疲劳裂纹的扩展。3）获得了块体非晶的疲劳裂纹扩展曲线（da/dN~ΔK曲线），发现该非晶合金具有疲劳门槛值（ΔKth）3.71 MPa√m，线性扩展区Paris指数3.57，这些数值均类似于常规韧性合金材料。针对裂纹稳定扩展区产生的辉纹形态，我们建立了“滑移对”模型，较好地解释了在疲劳载荷作用下裂纹尖端塑性应变区中发生周期性滑移，形成疲劳辉纹的过程。此外，在本基金的支持下，借助TEM观察和纳米束EDX测量，我们还研究了Fe基非晶涂层的腐蚀机理，发现Fe基非晶涂层的点蚀优先发生在涂层颗粒焊合界面附近的贫Cr区内，借此建立了Fe基非晶涂层的点蚀模型。