浙江大学：《生物与医用材料》课程教学课件（讲稿）第二部分 医用材料及器械 第十一章 医用金属材料——钛及钛合金与牙种植体

第十一章钛及钛合金与牙种植体S11.1.钛及钛合金的成分和显微组织1.工业纯钛：根据ASTMF67标准将工业纯钛按杂质元素的含量分为四级c0NHFeTi一号钛（TA1)<0. 1余量<0. 03<0. 015<0. 2<0. 18二号钛（TA2)<0. 1余量<0.03<0.015<0. 2<0.25三号钛（TA3)余量<0. 1<0.35<0. 05<0. 015<0. 3余量四号钛（TA4）<0. 05<0. 1<0. 015<0. 5<0. 4

第十一章 钛及钛合金 与 牙种植体 § 11.1 钛及钛合金的成分和显微组织 1. 工业纯钛：根据ASTM F67标准将工业纯钛按杂质元素的 含量分为四级 N C H Fe O Ti 一号钛(TA1) <0.03 <0.1 <0.015 <0.2 <0.18 余量 二号钛(TA2) <0.03 <0.1 <0.015 <0.2 <0.25 余量 三号钛(TA3) <0.05 <0.1 <0.015 <0.3 <0.35 余量 四号钛(TA4) <0.05 <0.1 <0.015 <0.5 <0.4 余量

纯钛在882℃以上是体心立方结构，称β相；在882℃以下是密排立方结构，又称α相。oLlm二号纯钛的室温金相组织，显示单相的α相

纯钛在882oC以上是体心立方结构，称b相；在882oC以下是密排立方 结构，又称a相。 二号纯钛的室温金相组织，显示单相的a相

2．Ti6A14V合金：根据ASTMF136标准Ti6A14V合金的成份应满足以下要求：AlVH0NCFeTi3. 4-4. 55.5-6.5余量<0.05<0. 08<0.0125<0.25<0. 13

2. Ti6Al4V合金：根据ASTM F136 标准Ti6Al4V合金的成份应满足以 下要求： Al V N C H Fe O Ti 5.5-6.5 3.4-4.5 <0.05 <0.08 <0.0125 <0.25 <0.13 余量

/%506070809010203040温度/℃V17001670SIV15001490becVu(B-Ti)心130081164CY1100-**..990.TiAl,(H)900882hep0-2700664-(α-Ti)********...-.TiAl,(L)50010090708030405060i1020Al2/%钛-铝二元相图，显示铝具有稳定α相钛的作用

钛-铝二元相图，显示铝具有稳定a相钛的作用

w/%306070405080901020温度/℃191418001670160816001400(B-Ti)1200bee1000882800600(α-Ti)4001006070809005030401020VTir/%钛-钒二元相图，显示钒具有强烈稳定β相钛的作用

钛-钒二元相图，显示钒具有强烈稳定b相钛的作用

A1和V两元素的共同作用，使Ti6A14V合金在室温以上很宽的温度范围内都处于密排六方相和体心立方相的双相区内，因此将其归类为α+β双相钛合金，又称TC4钛合金。TC4钛合金最早专为航空工业研制，由于是两相结构，晶粒结构细小，同时比强度高，机械性能和耐腐蚀性能优良，目前广泛地用于航空、航天、化工以及医疗器械等行业。20 μm(h)100 μm(c)SEM照片光学金相照片TC4合金的α+β平衡双相组织

Al和V两元素的共同作用，使Ti6Al4V合金在室温以上很宽的温度范围 内都处于密排六方相和体心立方相的双相区内，因此将其归类为a+b双相 钛合金，又称TC4钛合金。 TC4钛合金最早专为航空工业研制，由于是两相结构，晶粒结构细小 ，同时比强度高，机械性能和耐腐蚀性能优良，目前广泛地用于航空、航 天、化工以及医疗器械等行业。 TC4合金的a+b平衡双相组织 光学金相照片 SEM照片

当从B单相区高温淬火后，TC4合金会转变成100%的α马氏体组织。α马氏体组织的韧性和塑性大大低于平衡态的α+β组织。958894128.8V1X18XOpticalmicrographoftheMartensiticmicrostructureformedbyaligned a'phase plates. Zone axismartensiticmicrostructure[1120]

当从b单相区高温淬火后，TC4合金会转变成100%的a’马氏体组 织。 a’马氏体组织的韧性和塑性大大低于平衡态的a+b组织。 Optical micrograph of the martensitic microstructure. Martensitic microstructure formed by aligned a‘ phase plates. Zone axis [1120]

811.2钛及钛合金的力学性能1：工业纯钛：纯钛是密排六方结构，但它的c/a比值较小，为1.5873，小于密排六方晶系的理论值1.633。导致棱柱面（1010）和棱锥面（1011）的密排程度加大，因此除了（0001）基面是位错滑移面外，棱柱面（1010）和棱锥面（1011）的位错也容易滑移，使得纯度较高的工业纯钛可以开动的位错滑移系较多，有很好的塑性。但是，工业纯钛中通常含有杂质元素，尤其是0，N，C等间隙元素，显著增大c/a比，使位错滑移系减少，显著影响材料的强度和塑性，杂质含量越高，强度越高，塑性越低

§ 11.2 钛及钛合金的力学性能 1. 工业纯钛：纯钛是密排六方结构，但它的c/a比值较小，为 1.5873,小于密排六方晶系的理论值1.633。导致棱柱面(1010)和 棱锥面(1011)的密排程度加大，因此除了(0001)基面是位错滑移 面外，棱柱面(1010)和棱锥面(1011)的位错也容易滑移，使得纯 度较高的工业纯钛可以开动的位错滑移系较多，有很好的塑性。 但是，工业纯钛中通常含有杂质元素，尤其是O,N,C等间隙元 素，显著增大c/a比，使位错滑移系减少，显著影响材料的强度和 塑性，杂质含量越高，强度越高，塑性越低

工业纯钛的力学性能8 %V%E GPa MPaop MPa0s一号钛(TA1)30170240201002030二号钛(TA2)275345100三号钛(TA3)45018301003801525四号钛(TA4)485550100

ss MPa sb MPa d % y % E GPa 一号钛(TA1) 170 240 20 30 100 二号钛(TA2) 275 345 20 30 100 三号钛(TA3) 380 450 18 30 100 四号钛(TA4) 485 550 15 25 100 工业纯钛的力学性能

900℃1h800℃1h700℃1h002101103102112110100untreated20304050607080Diffraction Angles,2e(°)二号工业纯钛在空气中不同温度加热1小时后表面渗氧层的XRD图谱，显示α钛的(O001)面晶格常数的变化

20 30 40 50 60 70 80 Intensity Diffraction Angles,2q(°) 100 002 101 102 110 103 112 untreated 700℃1h 800℃1h 900℃1h 二号工业纯钛在空气中不同温度加热1小时后表面渗氧层的 XRD图谱，显示a钛的(0001)面晶格常数的变化