医用金属材料材料知识简介

使用性能（效能）
导电 导热 冶炼 制备
合成/制备 结构/成分
金属原子 金属键 晶体
性质（性能）
金属光泽 可延展性
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、金属光泽、可延展性等）金属特性的（固态晶体）材料（水银除外）
材料—金属材料 连铸连轧
生铁 矿石 冶炼 海绵钛 精炼 合金化 钛合金 热轧 钛合金 板/棒 冷轧 钛合金 薄板/丝
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？
材料的分类
按成分 按来源 按用途 按使用领域
金 属 材 料
无 机 非 金 属 材 料
有 机 高 分 子 材 料
复 合 材 料
天 然 材 料
人 工 材 料
结 构 材 料
功 能 材 料
信 息 材 料
能 源 材 料
建 筑 材 料
常用医用金属材料—钛合金
Ti-Zr系 Ti-Mo系 …… Ti6Al7Nb Ti5Al2.5Fe ……
Ti6Al4V
常用医用金属材料—不锈钢
什么是不锈钢？ 不锈钢为什么耐蚀？ 不锈钢的种类及应用？
常用医用金属材料—不锈钢
钢 铁
不锈钢：碳含量 一般低于0.3%
铁？钢？
常用医用金属材料—不锈钢
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） 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” 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”
14种布拉非空间点阵
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—金属材料
单晶体 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 多晶体
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
奥氏体不锈钢（又称18-8钢）， •元素：基本成分：Wcr18%，Wni18%，Wc＜0.1% •室温金相组织：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。
器械
医用金属材料——特性与要求
1、良好的生物相容性 •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 2、优良的机械性能 •合适的强度与弹性模量 •较好的耐磨性 3、优良的耐腐蚀性能 •在复杂的体液环境中良好的耐蚀性
医用金属材料-应用
常用医用金属材料—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”
电位差、腐蚀介质
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
常用医用金属材料—不锈钢 不锈钢为什么耐蚀？
α +β
工业纯钛（TA1~TA4） TA系列 TB系列 TC系列
钛合金
α 相：密集六方晶格
882.5℃
β相：体心立方晶格
Al、Sn、C、O、N……
V、Mo、Ta、Nb、Cr……
常用医用金属材料—钛合金
α钛合金 主要加入元素：Al
高温强度、低温韧性、耐蚀性能优异
不可以通过热处理强化 强度较低 医用常见牌号：TA1 ELI、TA1、TA2、TA3、 TA4
航 空 航 天 材 料
电 子 材 料
生 物 医 … … 学 … 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材料 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——工程材料
作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件 或物品的人造物质
物质≠材料
材料—四要素
α +β
钛合金
主要加入合金元素：Al、V、Mo、Cr 可热处理强化、强度高、塑性好 具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性 医用常见牌号：TC4、TC4 ELI
ELI？
Extra Low Interstitial 超低间隙原子 氧、氮、碳、氢间隙元素含量特别低的钛合金 间隙元素含量的一般要求为：O≤0.13 wt％， N≤0.03 wt％， C≤0.08 wt％， H≤0.015 wt％
应 用
器 械Байду номын сангаас
骨 科 植 入 物
牙 科 矫 形 或 植 入
心 血 管 支 架
……
常用医用金属材料
贵金属
单质金属
常见医用 金属材料
不锈钢
钴基合金
钛合金 镍钛形状 记忆合金
……
无害化 良好的生物相容性 发展趋势 低弹性模量 可降解
常用医用金属材料—钛合金
应用 广泛 ？
目前已知的生物亲和性最好的金属之一
金属的实际形态
点缺陷
线缺陷
面缺陷
材料—金属材料
固 溶 体
相
置换固溶体 间隙固溶体 金属间化合物（Fe3C）
组织
条带状珠光体（组织） 球状珠光体（组织）
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
形变强化
固溶强化
相变强化 沉淀强化 (或称弥散强化) 马氏体强化 热处理
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢——医疗应用
临床应用 1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件 2)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， 3)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 4)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 腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差， 密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，力学相容性差。 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。
•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
炼钢
粗钢
精炼 合金化
不锈钢
热轧
不锈钢 板/棒
冷轧
不锈钢 薄板/丝
材料—金属材料
离子键 空间点阵 共价键 （范德华力） 晶体 晶格 晶胞
•正离子-正离子 •自由电子-自由电子 •正离子-自由电子
金属键
•无方向性 •无饱和性 自由电子 •低能密堆结构
良好的延展性
导电性和导热性
材料—金属材料
晶系的划分（晶格）
常用医用金属材料—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—不锈钢
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢
——医疗应用
常用医用金属材料—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
使用性能（效能）
合成/制备 结构/成分
性质（性能）
材料—金属材料
铁 黑色金属 铁基合金 铸铁 碳素钢 钢 金 …… 有色金属 钛 合金钢 低合金钢 中合金钢 中碳钢 高碳钢
低碳钢
金属 材料
钽
铌 ……
高合金钢
合金结构钢 不锈钢
耐酸刚
……
材料—金属材料
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！
常用医用金属材料—钛合金
β 钛合金
主要加入合金元素：Mo、Cr、V、Al 可热处理：淬火加时效处理后，组织为β相基体上分布着细小的α相粒 子； 强度高 冶炼工艺复杂，焊接性能差 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） 传统上未应用于医疗领域
常用医用金属材料—钛合金
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—钛合金
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—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（σb~1400-1850MPa）
常用医用金属材料—不锈钢
奥氏体不锈钢——医疗应用 302（12Cr18Ni9）
Wc＜0.12%
Wc＜0.08%，加Mo，Mo能够改善在 电解质溶液中的耐腐蚀性能
316（06Cr17Ni12Mo2） 316L（022Cr17Ni12Mo2）
Wc＜0.03%，提高了其在含Cl溶液体系 中的耐蚀性能，降低了材料致敏性
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—不锈钢
铁素体不锈钢
马氏体不锈钢
不锈钢 分类
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—不锈钢
铁素体不锈钢
•元素：Wcr=13%~30%，Wc＜0.25% （有时也会加入其它元素） •金相组织：δ 铁素体，加热过程中无相变，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
晶界强化
细化晶粒
提纯强化
相变强化基础 多相组织
终端工业用户使用方法
材料—金属材料
总结
具有 特定性能 （硬度、强度等）的金属
组织 单相或多相 多晶体 单晶体 金属正离子、自由电子（通过金属键结合）
医用金属材料
定义？
用于人体硬组织修复和替换的金属材料
植入物 （生物医用金属材料）
用于制作人体疾患治疗用工具的金属材料
高的比强度 优异的耐腐蚀性能
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
较低的弹性模量（110GPa）
常用医用金属材料—钛合金
α钛合金 钛合金 分类 β 钛合金