28421

بررسي رفتار مكانيكي و خوردگي بيوكامپوزيت هيدروكسي آپاتايت/منيزيم تحت فرايند پرس كاري در كانال هاي همسان زاويه دار

دكتري

مهندسي مكانيك

1396

1402/02/09

محمد صديقي - رامين هاشمي

مهندسي مكانيك

استفاده از منيزيم در كاربردهاي پزشكي نظير ارتوپدي و قلب و عروق به دليل كاهش خطرات ناشي از واكنش غيرطبيعي با بدن و همچنين حذف جراحي ثانويه براي خارج كردن آن از بدن به طور گسترده¬اي مورد توجه قرار گرفته است. با اين حال نرخ بالاي خوردگي، خواص مكانيكي ناكافي و كاهش استحكام آن در اثر خوردگي در طول مدت زمان بهبودي استفاده از آن را با محدوديت روبرو كرده است. كامپوزيت-سازي با كمك ذرات زيست¬ سازگار مثل هيدروكسي¬آپاتايت و همچنين به كارگيري يك روش تغيير شكل پلاستيك شديد نظير پرس كاري در كانال¬هاي همسان زاويه¬دار به منظور بهبود رفتار خوردگي و مكانيكي منيزيم در اين رساله مورد توجه قرار گرفت. علاوه بر آن، ابعاد پين و پيچ¬هاي مورد استفاده در ارتوپدي، استفاده از اين روش را كه همواره به دليل سايز نمونه¬ها با محدوديت روبرو بوده است، توجيه¬پذير مي¬نمايد. بدين منظور در ابتدا با استفاده از روش ريخته¬گري اغتشاشي به كمك همزني مكانيكي و الكترومغناطيسي و عمليات تكميلي اكستروژن بيوكامپوزيت 5/2 درصد وزني هيدروكسي¬آپاتايت/منيزيم ساخته شد. سپس با انجام آزمون¬هاي فشار گرم در دما و نرخ¬هاي كرنش مختلف و ترسيم نقشه¬هاي فرايند دو و سه بعدي مربوط به بيوكامپوزيت بازه دمايي بين 305 تا 345 درجه سانتي¬گراد و نرخ كرنش 1/0 بر ثانيه منطقه مطلوب جهت انجام فرايند انتخاب گرديد. علاوه¬بر آن با استفاده پارامتر زنر- هولمون و تعيين ضرايب آن، رابطه¬اي جهت پيش¬بيني تنش جريان بيوكامپوزيت در شرايط مختلف دما، كرنش و نرخ كرنش ارائه شده است. نتايج آزمايش¬هاي مختلف نشان داد كه استفاده از روش Bc و انجام فرايند در دماي 325 درجه سانتي¬گراد مي¬تواند منجر به خواص مطلوب مكانيكي و خوردگي براي بيوكامپوزيت شود. مطالعه¬هاي ريزساختاري بر روي نمونه¬هاي منيزيم خالص و بيوكامپوزيت با شرايط مختلف نشان داد در اثر اضافه كردن ذرات هيدروكسي¬آپاتايت و اعمال چهار پاس فرايند پرس كاري اندازه دانه از حدود 60 ميكرومتر براي منيزيم خالص به زير 5 ميكرومتر كاهش يافته است. علاوه بر اين، افزايش 21% و 13% استحكام نهايي فشاري و كششي نسبت به بيوكامپوزيت اكسترود شده نشان دهنده تاثير مطلوب چهار پاس پرس-كاري بر خواص مكانيكي بيوكامپوزيت دارد. نتايج آزمون خوردگي پتانسيودايناميك پلاريزاسيون نشان مي¬دهد افزودن هيدروكسي¬آپاتايت سبب كاهش 35 درصدي نرخ خوردگي شده و اين درصد كاهش با اعمال فرايند پرس¬¬كاري به 62 درصد رسيده است. همچنين مطابق با آزمون غوطه¬وري در مايع شبيه¬ساز بدن، با رسيدن نرخ خوردگي بيوكامپوزيت چهار پاس پرس كاري شده به حدود 3 ميلي¬متر در سال، سبب حفظ يكپارچگي مكانيكي شده است. به طوري¬كه 14روز غوطه¬وري تنها سبب افت 12 و 10 درصدي تنش تسليم فشاري و استحكام نهايي فشاري شد.

1402/03/29

Investigation of Mechanical and Corrosion Behavior of Hydroxyapatite/Magnesium Biocomposite Processed by Equal Channel Angular Pressing

4/28/2024 12:00:00 AM

The use of magnesium in biomedical applications, such as orthopedics and cardiology, has received widespread attention due to its potential to reduce risks associated with abnormal reactions in the body and eliminate the need for secondary surgery to remove it. However, the high corrosion rate, inadequate mechanical properties, and strength reduction during the healing period have limited its use. This thesis explores the use of magnesium matrix composites, incorporating biocompatible particles like hydroxyapatite, as well as the application of severe plastic deformation methods such as equal channel angular pressing (ECAP), to enhance the corrosion resistance and mechanical behavior of magnesium. The use of the ECAP process in orthopedics is justified by the dimensions of the pins and screws used, although it has traditionally been limited by sample size constraints. In this study, an Mg/2.5wt.% HA biocomposite is fabricated using the stir casting method, with assistance from mechanical and electromagnetic stirring, as well as the extrusion process. Hot compression tests are conducted at various temperatures and strain rates to establish 3D process maps for the biocomposite. Based on the results, a temperature range of 305 to 345 °C and a strain rate of 0.1 s-1 are identified as the optimal conditions for the process. Additionally, a relationship is presented using the Zener-Hollomon parameter and its coefficients to predict the flow stress of the biocomposite under different conditions of temperature, strain, and strain rate. The application of the Bc route and performing the process at a temperature of 325 °C is found to yield favorable mechanical and corrosion properties for the biocomposite. Microstructural analyses of pure magnesium and the biocomposite under different conditions reveal that the grain size decreases from approximately 60 μm to below 5 μm when HA particles are added and four passes of the ECAP process are applied. Moreover, the four-pass ECAP process leads to a 21% increase in ultimate compressive strength and a 13% increase in tensile strength compared to the extruded biocomposite, demonstrating the positive effect on mechanical properties. Results from potentiodynamic polarization tests indicate that the addition of HA particles reduces the corrosion rate by 35%, and this reduction is further enhanced to 62% through the application of the ECAP process. Furthermore, immersion tests in simulated body fluid (SBF) reveal that the four-pass ECAPed biocomposite exhibits a corrosion rate of approximately 3 mm/year while maintaining mechanical integrity. Even after 14 days of immersion, this sample experiences only a 12% reduction in compressive yield stress and a 10% decrease in ultimate compressive strength.

كامپوزيت زمينه فلزي , منيزيم , تغيير شكل پلاستيك شديد , پرس كاري در كانال همسان زاويه دار , خواص مكانيكي , رفتار خوردگي

Metal Matrix Composite , Magnesium , Severe Plastic Deformation , Equal Channel Angular Pressing , Mechanical Properties , Corrosion Behavior

Mehdi Kasaeian Naeini

Mohammad Sedighi, Ramin Hashemi