梯度多孔结构设计及其疲劳性能研究

供稿人:董恩纯 王玲

钛合金拥有良好的机械性能与生物相容性，配合多孔结构的设计可以减轻应力遮挡带来的影响，并且可以通过设计梯度多孔结构来改善多孔结构的力学性能，使之更加符合人体力学环境，3D打印技术为多孔与梯度多孔结构的制备提供了可能，因此现在钛合金已经被广泛应用于医疗领域。但是目前对于多孔结构的研究主要集中在多孔单元的设计以及静力学性能上，疲劳性能的研究相对较少，因此为了保证多孔结构在使用时的安全，研究多孔的疲劳性能与疲劳损伤机制是十分必要的。

中科院的研究人员通过改变菱形十二面体单胞中的支柱倾斜角度与尺寸，设计了三种变形结构G1、G2、G3，分别研究了这三种结构的压缩性能，并且通过将这三种结构进行组合，设计了一种梯度结构，研究了其疲劳性能与疲劳损伤机制。

图1 (a)-(c)为三种多孔单元结构，(d)为梯度多孔结构设计

压缩实验发现，三种结构的等效模量为在15.8-23.9GPa，之间，并且G1>G2>G3。接下来，根据ASTM E466-07标准，对梯度结构进行了疲劳试验，并通过X射线断层扫描（XRT）对观察了样件在1000N，2000N和3000N时的裂纹形成情况。可以看出，裂纹没有出现在梯度交接处，而是首先出现在了最硬的G1处，并且随着压力的不断增大，裂纹逐渐向较软的G2与G3处扩展。并通过观察其应变累计发现，其应变的累计速率可以分为三个阶段，并且其速率是不断增加的。

图2 疲劳实验中梯度多孔结构裂纹扩展情况

进而，根据这些现象，作者提出了梯度多孔结构的疲劳损伤机理模型：即根据梯度多孔结构的等效模量关系，等效模量较大的区域承受较大的应力，因此会首先出现裂纹，但是随着裂纹的产生，其等等效模量会逐渐下降，当其接近下一级多孔结构的等效模量时，应力会逐渐转移到下一级多孔结构上去，以此类推，应力级级传递，不断重新分配，并且高强度网格中的裂纹扩展可以通过低强度网格中的应力再分布来抑制，直至破坏。

根据这一理论，作者设计了一种双层结构，外层为等效模量较高的立方体结构，内层为较软的结构，因此这种结构实现了既有较高的疲劳强度（~70MPa）和较高的能量吸收率（~50MJ/Mg）。

图3 双层结构模型

本研究针对临床中应用较为广泛地菱形十二面体多孔单元，通过结构参数调整，设计出了一种梯度多孔结构，并通过力学实验研究了该梯度多孔结构的压缩疲劳性能，并提出了梯度多孔结构压缩疲劳损伤理论，该理论对指导梯度多孔结构的设计具有重要的意义。

参考文献：
S. Zhao et al. Compressive and fatigue behavior of functionally graded Ti-6Al-4V meshes fabricated by electron beam melting. Acta Materialia. 2018,150, 1-15.

供稿人:董恩纯 王玲 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室