医用金属材料材料知识简介

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1、医用金属材料医用金属材料医用金属材料一、材料二、医用金属材料三、常用医用金属材料材料的分类材料的分类按成分金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料按来源天然材料人工材料按用途结构材料功能材料按使用领域信息材料能源材料建筑材料航空航天材料电子材料生物医学材料材料材料？定义：定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为 有用的、并能用来制造物品（件）的物质有用的、并能用来制造物品（件）的物质 一般指固态的，可用于工程上的物质一般指固态的，可用于工程上的物质 作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物

2、品的人造物质或物品的人造物质材料材料定义定义材料材料四要素四要素合成合成/制备制备结构结构/成分成分性质（性能）性质（性能）使用性能（效能）使用性能（效能）材料材料金属材料金属材料金属材料黑色金属有色金属铁基合金铁铸铁钢碳素钢合金钢低碳钢高碳钢中碳钢低合金钢高合金钢中合金钢金钛钽铌合金结构钢不锈钢耐酸刚材料材料金属材料金属材料合成合成/制备制备结构结构/成分成分性质（性能）性质（性能）使用性能（效能）使用性能（效能）定义：金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料！晶体金属键导电导热可延展性金属光泽冶炼制备补充：金属元素或以金属元素为主（以金属键相互结合在一起）构成的具有（导电、导热、金

3、属光泽、可延展性等）金属特性的（固态晶体）材料（水银除外）金属原子材料材料金属材料金属材料矿石海绵钛钛合金精炼合金化热轧钛合金板/棒冷轧钛合金薄板/丝生铁粗钢不锈钢精炼合金化热轧炼钢不锈钢板/棒冷轧不锈钢薄板/丝冶炼连铸连轧材料材料金属材料金属材料晶体金属键离子键共价键（范德华力）正离子-正离子自由电子-自由电子正离子-自由电子无方向性无饱和性低能密堆结构导电性和导热性良好的延展性自由电子空间点阵晶格晶胞材料材料金属材料金属材料14种布拉非空间点阵晶系的划分（晶格）材料材料金属材料金属材料元素周期表中一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。这80多种金属的晶体结构大多数属于三种典型

4、的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格材料材料金属材料金属材料单晶体多晶体结晶方位完全一致不同晶面和晶向的力学性能不同各向异性物质晶体内部包含了多个小晶体，小晶体内部结晶方位完全一致，而各小晶体之间位向不一致，小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的边界称为“晶界”，这种晶体就是多晶体多晶体具有各向同性的性质金属的实际形态点缺陷线缺陷面缺陷材料材料金属材料金属材料置换固溶体间隙固溶体金属间化合物金属间化合物（Fe3C）固固溶溶体体相相条带状珠光体（组织）球状珠光体（组织）组织组织材料材料金属材料金属材料终极目的：金属强化提高合金的原子间结合力 向晶体内引入大量晶体缺陷 结晶强化结晶强化 形

5、变强化形变强化 固溶强化固溶强化 相变强化相变强化 晶界强化晶界强化 沉淀强化(或称弥散强化)马氏体强化 细化晶粒 提纯强化 终端工业用户使用方法热处理热处理 相变强化基础多相组织多相组织 材料材料金属材料金属材料金属正离子、自由电子（通过金属键结合）单晶体多晶体单相或多相组织具有特定性能（硬度、强度等）的金属总结总结 医用金属材料医用金属材料用于人体硬组织修复和替换的金属材料定义？定义？用于制作人体疾患治疗用工具的金属材料植入物（生物医用金属材料）器械医用金属材料医用金属材料特性与要求特性与要求1、良好的生物相容性、良好的生物相容性2、优良的机械性能、优良的机械性能3、优良的耐腐蚀性能、优良

6、的耐腐蚀性能无不良刺激、无毒害不引起毒性反应、免疫反应不致癌、不致畸无炎性反应，不引起感染，不被排斥有助于愈合和附着合适的强度与弹性模量较好的耐磨性在复杂的体液环境中良好的耐蚀性医用金属材料医用金属材料-应用应用应用器械骨科植入物心血管支架牙科矫形或植入常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢贵金属单质金属钴基合金钛合金镍钛形状记忆合金常见医用金属材料发展趋势无害化低弹性模量可降解良好的生物相容性常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金目前已知的生物亲和性最好的金属之一较低的弹性模量（110GPa）钛易于氧反应形成致密氧化钛(TiO2)钝化膜，植入后引起的组织反应轻微。凝胶状态的TiO2膜甚

7、至具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，尤其适合于骨内埋植高的比强度优异的耐腐蚀性能应用应用广泛广泛？常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金钛合金钛合金分类分类钛合金钛合金+钛合金工业纯钛（TA1TA4）TA系列TB系列TC系列 相：密集六方晶格相：体心立方晶格882.5Al、Sn、C、O、NV、Mo、Ta、Nb、Cr常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金钛合金v主要加入元素：Alv高温强度、低温韧性、耐蚀性能优异v不可以通过热处理强化v强度较低v医用常见牌号：TA1 ELI、TA1、TA2、TA3、TA4常用医用金属材料常用医用金属材料钛

8、合金钛合金v 主要加入合金元素：Mo、Cr、V、Alv 可热处理：淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子；v 强度高v 冶炼工艺复杂，焊接性能差v 高温长时期稳定性能差（工业长用于350以下工作的结构件或紧固件）v 传统上未应用于医疗领域钛合金常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金v主要加入合金元素：Al、V、Mo、Crv可热处理强化、强度高、塑性好v具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性v医用常见牌号：TC4、TC4 ELI+钛合金ELI？vExtra Low Interstitial 超低间隙原子v氧、氮、碳、氢间隙元素含量特别低的钛合金v间隙元素含量的一般要求为：O0.13

9、 wt，N0.03 wt，C0.08 wt，H0.015 wtv好处：(1)可以降低钛合金的塑性脆性转变温度；(2)可以显著提高钛合金的断裂韧性常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金发展趋势发展趋势1）长期用于人体会析出极微量的V和Al离子，降低细胞适应性，造成骨质疏松和精神紊乱等病症；2）弹性模量与骨相比仍有较大差距，容易产生“应力屏蔽”，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体的松动或断裂而导致种植失败。常用医用金属材料常用医用金属材料钛合金钛合金Ti6Al4VTi6Al7NbTi5Al2.5FeTi-Zr系Ti-Mo系常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢什么是不锈钢？不

10、锈钢的种类及应用？不锈钢为什么耐蚀？常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢铁？钢？铁铁钢钢不锈钢：碳含量不锈钢：碳含量一般低于一般低于0.3%常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢v通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称（不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢同时又是不锈钢）v所谓不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种 腐蚀速度0.01mm/年为“完全耐蚀”腐蚀速度0.1mm/年为“耐蚀”v耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐蚀的钢 腐蚀速度0.1mm/年为“完全耐蚀”腐蚀速度1mm/年为“耐蚀”常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢不锈钢为什么耐蚀？腐蚀形式：“电化学腐蚀”和“化学腐蚀

11、”防止腐蚀的着眼点：防止腐蚀的着眼点：尽可能减少原电池数目使钢表面形成一层稳定的、完整的、与钢的基体结合牢固的钝化膜在形成原电池的情况下，尽可能减少两极间的电极电位差电位差、腐蚀介质常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢不锈钢为什么耐蚀？减少原电池数目单相不锈钢形成钝化膜不锈钢钝化处理减小电极电位差合金化（基本元素Cr）常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢分类分类铁素体不锈钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢双相不锈钢沉淀硬化不锈钢常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢铁素体不锈钢元素：Wcr=13%30%，Wc0.25%（有时也会加入其它元素）金相组织：铁素体，加热过程

12、中无相变，不能进行 热处理强化优点：耐蚀性极好缺点：韧性低，脆性大用途：用于制作耐蚀性要求较高而强度要求较低的构 件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化 工使用的管道常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢马氏体不锈钢元素：Wcr=12%19%室温金相组织：回火马氏体，可热处理强化优点：在氧化性介质（水蒸气、大气、海水等）中耐蚀性 较好；缺点：在非氧化性介质中（各类酸碱溶液中）不能获得良 好的钝化状态，耐蚀性很低用途：1）耐蚀构件；2）医疗器械等常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢奥氏体不锈钢（又称18-8钢），元素：基本成分：Wcr18%，Wni18%，Wc0.1%室温金相组织

13、：单相奥氏体，不可热处理强化由来：克服马氏体不锈钢的耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性 过大而发展起来的；优点：优异的耐蚀性能；良好的塑性、加工成型性、焊接 性能、低温韧性；无磁性等；缺点：局部耐蚀性能不足晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀用途：制造生产硝酸、硫酸等化工设备构件、冷冻工业低温 设备构件；经冷变形强化后可用作不锈钢弹簧和钟表 发条等。常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢奥氏体不锈钢医疗应用302（12Cr18Ni9）316（06Cr17Ni12Mo2）316L（022Cr17Ni12Mo2）Wc0.12%Wc0.08%，加Mo，Mo能够改善在电解质溶液中的耐腐蚀性能Wc0.03%，提高

14、了其在含Cl溶液体系中的耐蚀性能，降低了材料致敏性常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢临床应用v1)1)齿科：齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件v2)2)人工关节和骨折内固定器械：人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工椎体和颅骨板等，v3)3)心血管系统：心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等v4)4)其它：其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固定环等。缺点v腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差，v密

15、度和弹性模量与人体硬组织相距较大，力学相容性差。v溶出的镍离子有可能诱发肿瘤的形成及本身无生物活性，难于和生物组织形成牢固等原因，应用比例呈下降趋势。奥氏体不锈钢医疗应用常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢奥氏体不锈钢医疗应用常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢双相不锈钢元素：在奥氏体不锈钢基础上，增Cr减Ni金相组织：奥氏体+铁素体（W铁素体=40%60%）优点：与奥氏体不锈钢相比有较好的焊接性能用途：广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设 备、输油输气管线、造纸机械等工业领域 常用医用金属材料常用医用金属材料不锈钢不锈钢沉淀硬化不锈钢以Cr18Ni9钢为基础发展起来的“奥氏体-马氏体”型以Cr13型马氏体不锈钢发站内起来的低碳马氏体沉淀 硬化不锈钢（典型之如17-4PH（00Cr17Ni4Cu4Nb）优点：既有优良的焊接性能，又有较高的强度原理：在形成马氏体基础上经过时效处理产生沉淀硬化而 得到超高强度（b1400-1850MPa）应用：最早主要应用于航空和宇航工业，如飞机机体的 薄壁结构和蒙皮、火箭发动机外壳、高压容器等；进年来，陆续有企业使用其制作医疗器械（17-4PH）QUESTIONS?谢谢 Thank U