常用医用金属材料
常用医用金属材料
概述
生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。
生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
生物医用金属材料要在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。
第一节生物医用金属材料的特性与生物相容性
生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45％左右。由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植人生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植人物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。美国材料试验学会的ASTM-F4的标准规定：金属材料埋植6个月后，纤维包膜厚度＜0．03mm为合格。
人体体液约合l％氯化钠及少量其他盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在37℃左右，这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗人正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和刺激、以引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同时会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。因此，作为生物医用金属材料，首先必须满足两个基本条件：第一是无毒性；第二是耐生理腐蚀性。
一、金属材料的毒性
生物医用金属材料植人人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或
多或少会有离子或原子因腐蚀或磨损进人周围生物组织，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。当然，某些有毒的金属单质与其他金属元素形成合金后，可以减小甚至消除毒性。例如，不锈钢中含有毒的铁、钴、镍，加人2％有毒的铍可减小毒性；加人20％铬则可消除毒性并增强抗蚀性，因此，合金的研制对开发新型生物医用材料有重要意义。
毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料中需引人有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用合金化来减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能；其次采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。
元素周期表上70％的元素是金属，但由于毒性和力学性能差等原因，适合用于生物医用、材料的纯金属很少，多为贵金属或过渡金属元素。其中基本无毒的金属单质有：铝（AL）、镓(Ga)、铟(In)、锡(Sn)、钛(Ti)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)、金(Au)、铂(Pt) 在常用的生物医用合金材料中，还常采用铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镍(Ni)、钒(V)、锰（Mn）等元素，如不锈钢（Cr－Ni－Mn－Fe）、钴合金（Co－Cr－Ni－Mn－W－Fe）等。
金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。一般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。
二、耐生理腐蚀性
生物医用金属材料的耐生理腐蚀性是决定材料植人后成败的关键。腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决定植人器件的使用寿命。医用金属材料植人体内后处于长期浸泡在含有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、CI-离子等构成的恒温（37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。此外，磨损和应力的反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。因此，有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制，从而指导材料的设计和加工。生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型：
1．均匀腐蚀
化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀。腐蚀产物及其进人人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。
2．点腐蚀
点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。
3．电偶腐蚀
发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于两种以上材料制成的组合植人器件，甚至在加工零件过程中引人的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引人的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。因此，临床上建议使用单一材料制作植人部件以及相应的手术器械、工具。
4．缝隙腐蚀
由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植人器件更为常见。
5．晶间腐蚀
发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力学性能严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改善晶间腐蚀倾向。
6．磨蚀
植人器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和腐蚀环境作用所造成的腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钻基合金的耐磨蚀能力优良。
7．疲劳腐蚀
材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀，表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此，提高表面光洁度可改善这一性能。
8．应力腐蚀
在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造成植人器件断裂失效。钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感，而钻基合金对应力腐蚀不敏感。在设计和加工金属医用植人器件时，一方面，必须考虑上述8种腐蚀可能造成的失效，从材料成分的准确性、均匀性、杂质元素的含量以及冶炼铸造后材料的微观组织的调整（包括热加工和热处理）等诸方面对材料的质量加以控制。另一方面，由于腐蚀与材料表面和环境有关，还必须重视改善材料的表观质量，如提高光洁度等，避免制品在形状、力学设计及材料配伍上出现不当。
三、机械性能与生物相容性
医用金属材料常作为受力器件在人体内"服役"，如人工关节、人工椎体、骨折内固定钢板、螺钉、骨钉、骨针、牙种植体等。某些受力状态是相当恶劣的，如人工孵关节，每年要经受约3.6X1O6次（以每1万步计）可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。若要使人工髋关节的使用寿命保持在15年以上，则材料必须具有优良的机械性能和耐磨损性。
（一）强度与弹性模量
人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的力学性能最重要的指标有：抗压强度、抗拉强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等。人体骨的强度虽然并不很高，如股骨头的抗压强度仅为143MPa但具有较低的弹性模量；股骨头纵向弹性模量约为13.8GPa径向弹性模量为纵向的1/3，因此，允许较大的应变，其断裂韧性较高。此外，健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。与人体骨相反，生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量较低的钛合金也高出人体骨的
4～5倍，加之材料不能自行调节状态，因此，材料可能在冲击载荷下发生断裂，如人工髋关节柄部折断。要避免断裂发生，通常要求材料的强度高于人骨的3倍以上。此外，还应有较高的疲劳强度和断裂韧性。表3-1王为常用金属材料的机械性能。为了保证材料的安全可靠性，在经过长期临床经验基础上，提出用于制作人工髓关节的医用金属材料力学性能的基本要求：屈服强度不低于450 MPa,极限抗拉强度不低于800MPa,疲劳强度高于400MPa,延伸率高于8％。
表3-1 常用金属材料机械性能
弹性模量是生物医用金属材料的重要物理性质之一，其值过高或过低都不利于广泛应用，即呈现生物力学不相容性。如果金属的弹性模量相对骨骼过高，在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触界面处出现相对的位移，从而造成界面处的松动，影响植人器件的功能，或者造成应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收；金属的弹性模量过低，则在应力作用下会造成大的变形，起不到固定和支撑作用。因此，一般希望金属材料的弹性模量要尽量接近或稍高于人骨的弹性模量。一个金属植人器件的使用寿命常常受到金属与骨组织界面相容性的制约，以往所有的生物金属医用材料均不具备生物活性，金属和骨组织不会发生牢固的结合，加之弹性模量差异造成的位移和松动，使得界面问题更加突出。近年来广泛开展金属及合金材料(如钛及其合金)表面活化的研究，使得这一界面问题有望解决。从材料本身属性来看，不锈钢、钴基合金都难以同时满足表面活性和降低模量的要求，目前，唯一有希望的是钛合金，因此，新型钛合金的开发成为生物医用金属材料的研究热点。
（二）耐磨性
对于摩擦部件的医用金属材料，其耐磨性直接影响到植人器件的寿命，如金属人工髋关节、股骨头磨损会产生有害的金属微粒或碎屑，这些微粒有较高的能量状态，容易与体液发生化学反应，导致磨损局部周围组织的炎症、毒性反应等。金属易于磨损的原因之一是金属内部的滑移系统较多，在应力作用下滑移不易受到阻碍。
材料的硬度可用来反映材料的耐磨性，因为硬度是材料抵抗其他物体刻划或压人其表面
的能力，也可理解为在固体表面产生局部变形所需的能量。因此，可通过提高材料的硬度来改善耐磨性。如果提高材料整体的硬度，则可能损害材料的其他特性，通常采用表面处理的方法来使材料表面晶化，使滑移受到阻碍，从而提高材料的表面硬度。在某些场合，还可以考虑选择较为适合的磨擦隅，以减少磨损。如采用高密度聚乙烯与钴合金和钛合金配伍。但近来又有聚乙烯磨损屑对人有害的报导。总之，应尽量避免造成有害磨损物的出现，并把磨损产物控制在较低量的水平。到目前为止，金属的耐磨损性还没有得到突破性的改善。因此，人们又把目光集中于陶瓷材料，用金属做关节柄，陶瓷（Al2O3、ZTA、Si3N4等）做股骨头的人工关节应运而生。
一、医用不锈钢
（一）组成、生产工艺与性质
医用不锈钢（stainless steel as biomedical material）为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，以其易加工、价格低廉而得到广泛的应用，其中应用最多的是奥氏体超低碳316L和317L不锈钢。表2-2为常用医用金属材料的成分表，相应的机械性能见表3-1。由表3-2上可见，不锈钢316、316L和317L 的主要区别在于依次碳含量逐渐降低，而这三种不锈钢的耐腐蚀性依次增强，其原因是由于碳可引起材料内晶粒间的腐蚀。此外，增加适量3％～4％）的钥可增加材料在氯离子环境（生理环境）中的抗腐蚀能力。因此，316L和317L两种合金已于1987年纳人国际标准ISO5832和ISO7153中。我国已于1990年制定了相应的国家标准GB12417一90，并于1991年开始实施。
表3-2金属材料成分（ASTM，1978）（以质量百分比计）
不锈钢中的铬（Cr）可形成氧化铬钝化膜，改善抗腐蚀能力；镍（Ni）和（Cr）起到稳定奥氏体结构的作用；镍的含量为12％～14％时，可得到单相奥氏体组织，防止转化为其他性能不佳的结构。此外，降低不锈钢中的Si、Mn等杂质元素及非金属夹杂物，可进一步提高材料的抗腐蚀能力。
除组成可以影响到材料的性能外，材料的制造和加工工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和耐腐蚀性能。通常采用两种工艺生产医用不锈钢。对于低纯度医用不锈钢，一般采用惰性气体保护，真空或非真空熔炼工艺生产。而高纯度医用不锈钢一般先通过真空熔炼，然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质，使其纯化。临床应用较多的高纯度医用不锈钢，通常先后经热加工、冷加工和机械加工制作成各种医疗器件。冷加工可大幅度提高医用不锈钢的强度，但并不引起塑性、韧性的明显降低。采用机械抛光或电解抛光，可提高器件表面光洁度，有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患，提高不锈钢植人器件的使用寿命。
（二）生物相容性
医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶同腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。但常见的有点腐蚀，一般认为是用含量不足及外力擦伤或伤等所致；界面腐蚀也是医用不锈钢的一种重要腐蚀现象，主要由缝隙腐蚀、磨蚀和电偶腐蚀构成，尤其前两种更为常见。常因设计不合理导致应力及磨损，如在骨折固定板与骨钉、椎体与销钉之间接触界面产生应力集中和磨损。由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进人周围的组织或整个机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。在多数情况下，人体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在。因此，必须从材料的组成、制造工艺和器件设计等多方面着手，尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的发生。
大量的临床资料显示，医用不锈钢的腐蚀造成其长期植人的稳定性差，加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，导致力学相容性差。因其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的结合等原因，造成其应用比例近年呈下降趋势，但医用不锈钢，尤其是奥氏体316L不锈钢，仍以其较好的生物相容性和综合力学性能以及简便的加工工艺和低成本在骨科、口腔修复和替换中占有重要的地位。
（三）临床应用
医用不锈钢在骨外科和齿科中应用最为广泛。
1．人工关节和骨折内固定器械。如人工髋关节、半髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植人件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。
2．在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件。如各种齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托等；各种规格的嵌件、牙列矫形弓丝、义齿和颌骨缺损修复等。
3．在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植人电极、传感器的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜；各种临床介人性治疗的血管内扩张支架等。
4．医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种眼科缝线、固定环、人工眼导线、眼眶填充等；还用于制作人工耳导线、各种宫内避孕环和用于输卵管栓堵等。
二、医用钴基合金
（一）组成与性能
最早开发的医用铝基合金（cobalt alloy as bilmedical material）为钴铬钼（Co －Cr－Mo）合金，其结构为奥氏体。以其优良的力学性能和较好的生物相容性，尤其是优良的耐蚀、耐磨和铸造性能广泛得到应用。其耐蚀性比不锈钢强数10倍，硬度比不锈钢高1/3（见表3-1）因钻铬铝合金；为了改善钴铬铝合金的疲劳破坏问题，70年代又开发出具有良好疲劳性能的锻造钴镍铬铝钨铁
(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合金和具有多相组织的MP35N钻镍铬铝合金。表3-3分别给出了典型钴基合金的成分和性能。此外，精密铸造含钛的钻基合金也有应用，如商品牌号为Titaron和Titalium 等。目前，应用最多的是铸造钴铬铝合金，该合金已被纳人ISO5582／4标准，我国也于1990年将其歹人国标GB12417-90。
表3-3 铀基合金成分（％）
（二）制造工艺与力学性能
医用钴基合金的力学性能不仅与其成分密切相关，同样还与其制造工艺有关。在表2-4中的四种粘基合金中，只有钻铬铝合金可以在铸态下直接应用，其他三类均为医用锻造钻基合金。
表3-4 典型钴墓合金性能
钴在室温下是六方(hcp）密排晶体结构，其高温稳定相为面心立方(fcc）密排晶体结构。由于两相的相变自由能较低，通过合金成分的微调整和塑性加工，可使合金在室温下得到上述两相混合的复相组织，从而提高力学性能。医用钴基合金的制造加工方法主要有精密铸造、机械变形加工和粉末冶金三种。
精密铸造多用于制造形状复杂的制品，钻铬铝合金具有较宽的力学性能，在大多数情况下可满足临床的要求。在需要时也可采用固溶退火锻造、热等静压来改善其组织缺陷，提高疲劳性能和力学性能，但后者成本昂贵而很少采用。
机械变形工艺可使合金的铸态结构破碎，并得到晶粒细微的纤维状组织，提高力学性能。常用的机械加工工艺有热轧产制、挤压和冲压。同铸造钻铬铝合金相比，锻造钻基合金力学性能更优越（见表2-4）锻造钴基合金的人工孵关节在人体内发生疲劳断裂的概率大大减少。粉末冶金工艺是先将合金制成粉末，然后通过烧结得到相应的制品。为了提高烧结体的密、度，多采用热等静压烧结工艺，但其成本高，应用受到限制。无论采用何种工艺生产钻基合金植人件，为了得到良好的光洁表面，必须对植人件进行加工、打磨和抛光。当涉及钻基合金的焊接时，一般采用电子束焊或钨极氮弧焊。
（三）生物相容性
钻基合金在人体内多保持钝化状态，很少见腐蚀现象，与不锈钢相比，其钝化膜更稳定，耐蚀性更好。从耐磨性看，它也是所有医用金属材料中最好的，一般认为植人人体后没有明显的组织学反应。但用铸造钻基合金制作的人工孵关节在体内的松动率较高，其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出，在体内引起巨细胞及细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉。钴、镍、铬还可产生皮肤过敏反应，其中以钻最为严重。
（四）临床应用
医用钴基合金和医用不锈钢是医用金属材料中应用最广泛的两类材料。相对不锈钢而言，前者更适合于制造体内承载苛刻、耐磨性要求较高的长期植人件。其品种主要有各类人工关节及整形外科植人器械。在心脏外科、齿科等领域均有应用，详见医用不锈钢。
三、医用钛及其合金
（一）组成、生产工艺与性质
本世纪40年代以来，随着钛冶炼工艺的完善，以及钛良好的生物相容性得到证实，钛和钛合金逐渐在临床医学中获得应用。1951年已开始用纯钛作接骨板和骨螺钉。钛及钛合金的密度较小，为4．5g/cm3几乎仅为铁基和铝基合金的一半，其比强度高，弹性模量低，生物力学相容性较好；生物相容性、耐腐蚀性
和抗疲劳性能都优于不锈钢和钻基合金。因此，从70年代中期钛及钛合金开始获得广泛的医学应用，成为最有发展前景的医用材料之一。
钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，钛易与氧反应形成致密氧化钛（TiO2）钝化膜，植人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性结合能力，尤其适合于骨内埋植。纯钛在低于882℃时为六方密排(hcp)的а单相组织，力学性能较低，屈服强度为170～485 MPa抗拉强度为240～550 MPa由延伸率为15％～24％。随着钛中氧含量的增高，纯钛的强度提高，塑性下降。氧起着固溶强化作用。此外，采用冷加工变形处理也可以提高纯钛的强度。钛合金的研制始于宇航结构材料开发，随后转人医学应用。最常用的有TC4(Ti6A14V)人在室温下具有。а十β两相混合组织，通过固溶处理和时效处理，可使其强度等力学性能显著提高。表3-5上为Ti6A14V合金的成分性能表。为了进一步改善钛合金疲劳和断裂韧性不理想，弹性模量偏高，含有毒性元素钒（V）等问题，国内外又新近开发出许多具有更好生物相容性和综合力学性能的新型医用钛合金（见表3-6）.
表3-5 Ti6AI4V合金成分与性能（退火）
表3-6 国内外新型医用铁合金性能比较
（二）表面处理与生物相容性
钛及钛合金的表面钝化处理可使材料表面生成一层保护性的氧化膜，提高抗蚀能力。常用的表面钝化处理有化学和电化学钝化两种工艺。钝化后的植人器件在生理环境下均匀腐蚀甚微。但氧化膜中的钛仍可以以离子的形式扩散并积累于周围组织，引起相邻组织的颜色呈蓝灰至黑色，经多年临床观察发现，这种组织变色反应并不造成大的生理危害。
钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损的颗粒腐蚀产物进人生物组织，尤其是Ti6A14V合金中含有毒性的钒（V）可导致植人物的失效。为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可将钛制品表面进行高温离子氨化及应用离子注人技术处理，通过引起晶格畸变，使制品表面呈压应力状态，从而提高硬度和耐磨性。离子氮化后的纯钛及钛合金硬度分别提高7倍和2倍，纯钛的磨损率降低到原来的1/2,钛合金降低到原来的1／6；氮化后钛材的年腐蚀率是非氨化的1/3。动物实验表明组织对表面渗氨钛村反应轻微，材料无毒性。此外，利用离子注人技术，可在钛及合金表面注人氮离子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，大大提高钛制品的耐磨、耐蚀性能，如TC4氮化前后，制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的1/3。
为了改善钛及合金与骨组织的结合性，可采用等离子喷涂和烧结法在钛合金基材表面上涂多孔纯钛或Ti6A14V合金涂层，有利于新骨组织长人形成机械性结合。80年代又开发了钛合金表面等离子喷涂羟基磷灰石陶瓷涂层的技术，使钛合金表面具有生物活性，成功用于钛种植牙根和人工关节柄部，提高了植人物与骨组织的结合强度。近来又发展了多种钛合金表面改性技术，有关的研究将在第四节中介绍。
（三）加工工艺
钛的冶炼和成型加工比其他生物医用金属材料困难，常采用双真空或惰性气体保护的自耗电极熔炼法，并需严格控制杂质元素含量。医用钛合金植人件可采用精密锻造工艺，也可采用轧制型材工艺制备，其机械性能相当。形状复杂的制品也可采用真空熔模精密铸造工艺生产，热等静压工艺可以消除合金铸件内部疏松组织，使合金性能得到改善。
（四）临床应用
钛和钛合金主要应用于整形外科，尤其是四肢骨和颅骨整复，是目前应用最多的金属医用材料。
1．在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度小、质量轻。但钛合金耐磨性能不好，且存在咬合现象，因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配合。
2．在颅脑外科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效保护脑髓液系统。钛合金也可制作颅骨板用于颅骨的整复。
3．在口腔及颌面外科，纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术，制作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等，在口腔整畸、口腔种植等领域也有良好的临床效果。
4．在心血管方面，纯钛可用来制造人工心脏瓣膜和框架。在心脏起搏器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件。此外，一些用物理方法刺激骨生长的电子装置也采用了钛材。
四、医用贵金属
医用贵金属是指金（An）、银（Ag）、铂（Pt）及其合金的总称。具有稳定的物理和化学性质，抗腐蚀性优良，表现出生物惰性。通过合金化可对其物理、化学性能进行调整，满足不同的需求。由于它们的导电性能优良，常用于制作植人式的电极或电子检测装置。
(一)金及金合金
金及金合金主要用于口腔牙齿的整牙修复。纯金质软，应用受到限制。为了提高强度，降低成本，开发出以金银铜三元合金为基础的金合金，其成分为：Au95.8％～62.4％，Ag 2.4％～17.4％，Cu1.6％～1.54％，此外，还添加少量钯
（Pd）、铂（Pt）、锌(Zn)人随着金含量的降低及银、铜含量的增加，金合金的抗拉强度由250 MP。提高至813 MP由维氏硬度也由52提高至255。金及金合金除主要用于口腔科外，在颅骨修复及植人电极电子装置方面也有临床应用。
（二）银及银合金
纯银具有优异的导电性能，可用于制作植人型的电极或电子检测装置。但银最重要的临床应用是与汞合金形成汞齐合金，用作口腔充填材料使用。汞齐合金又称银汞合金，是将银、铜、锡合金粉与汞通过研磨或强列振动发生反应而形成的一种合金，其成分中银含量约占40％～70％。银合金粉除了按其中铜的含量分为低铜银合金粉、高银合金粉外，还可按生产工艺特点分为车屑银合金粉、雾化球形银合金粉和急冷喷甩微晶银合金粉3种，后者是我国独立研制出的一种高钢高性能银合金粉。生产和开发银汞合金主要应防止有害的游离汞出现，减少对人体的危害，同时减少银的含量，降低成本。
（三）铂及铂合金
铂是唯一抗氧化直到熔点的金属，抗蚀性能优异，在室温下除王水外，几乎不与任何化学试剂反应，呈生物惰性。在铂中添加金、钯、铑、铱等元素，可使其具有美丽素雅色泽，并具有最好的抗蚀性和加工性。常用的铂合金、铂金合金、铂银合金等。铂及其合金制造的微探针广泛应用于神经系统检测，如神经修复装置、耳涡神经刺激装置、横隔膜神经刺激装置、视觉神经装置和心脏起搏器电极等。
常用医用金属材料
常用医用金属材料 概述 生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。 生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。 生物医用金属材料要在人体生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。
常用金属材料分类及鉴别知识
1.2 常用金属材料 金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料，常用以制造机械设备、工具、模具，并广泛应用于工程结构中。 金属材料大致可分为黑色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色以外的金属及其合金，如铜合金、铝及铝合金等。 1.2.1 钢 钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金两大类。 碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为0.05%～1.35%。 为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。 （一）碳钢 1．碳钢的分类 碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。 （1）按钢的含碳量多少分类分为三类： 低碳钢，含碳量0.25%； 中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%； 高碳钢，含碳量0.60%。 （2）按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分类分为三类： 普通碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%； 优质碳素钢，钢中S、P含量均≤0.040%； 高级碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.030%和0.035%。 （3）按钢的用途分类分为两类： 碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件； 碳素工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。 2．碳钢牌号的表示方法 （1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Z代表镇静钢等。如Q235-A·F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾碳素结构钢。 （2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。 （3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例如，T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。T8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。 3．碳钢的用途举例 Q195、Q215，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。 Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。 Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。 Q345，用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。
常见八种金属材料及其加工工艺
常见八种金属材料及其加工工艺 1、铸铁——流动性 下水道盖子作为我们日常生活环境中不起眼的一部分，很少会有人留意它们。铸铁之所以会有如此大量而广泛的用途，主要是因为其出色的流动性，以及它易于浇注成各种复杂形态的特点。铸铁实际上是由多种元素组合的混合物的名称，它们包括碳、硅和铁。其中碳的含量越高，在浇注过程中其流动特性就越好。碳在这里以石墨和碳化铁两种形式出现。 铸铁中石墨的存在使得下水道盖子具有了优良的耐磨性能。铁锈一般只出现在最表层，所以通常都会被磨光。虽然如此，在浇注过程中也还是有专门防止生锈的措施，即在铸件表面加覆一层沥青涂层，沥青渗入铸铁表面的细孔中，从而起到防锈作用。金属加工微信，内容不错，值得关注。生产砂模浇注材料的传统工艺如今被很多设计师运用到了其他更新更有趣的领域。 材料特性：优秀的流动性、低成本、良好的耐磨性、低凝固收缩率、很脆、高压缩强度、良好的机械加工性。 典型用途：铸铁已经具有几百年的应用历史，涉及建筑、桥梁、工程部件、家居、以及厨房用具等领域。 2、不锈钢——不生锈的革命 不锈钢是在钢里融入铬、镍以及其他一些金属元素而制成的合金。其不生锈的特性就是来源于合金中铬的成分，铬在合金的表面形成了一层坚牢的、具有自我修复能力的氧化铬薄膜，这层薄膜是我们肉眼所看不见的。我们通常所提及的不锈钢和镍的比例一般是18：10。 20世纪初，不锈钢开始作为元才来噢被引入到产品设计领域中，设计师们围绕着它的坚韧和抗腐蚀特性开发出许多新产品，涉及到了很多以前从未涉足过的领域。这一系列设计尝试都是非常具有革命性的：比如，消毒后可再次使用的设备首次出现在医学产业中。 不锈钢分为四大主要类型：奥氏体、铁素体、铁素体-奥氏体(复合式)、马氏体。家居用品中使用的不锈钢基本上都是奥氏体。 材料特性：卫生保健、防腐蚀、可进行精细表面处理、刚性高、可通过各种加工工艺成型、较难进行冷加工。 典型用途：奥氏体不锈钢主要应用于家居用品、工业管道以及建筑结构中;马氏体不锈钢主要用于制作刀具和涡轮刀片;铁素体不锈钢具有防腐蚀性，主要应用在耐久使用的洗衣机以及锅炉零部件中;复合式不锈钢具有更强的防腐蚀性能，所以经常应用于侵蚀性环境。
第三节常用金属材料的一般知识
第三节常用金属材料的一般知识 一、金属材料的性能金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。 （一）金属材料的物理化学性能 1．密度 物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P 表示。利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。常用金属材料的密度如下：铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g ／cm3。 2．导电性金属传导电流的能力叫做导电性。各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和铝。 3．导热性 金属传导热量的性能称为导热性。一般说导电性好的材料，其导热性也好。若某些零件在使用中需要大量吸热或散热时，则要用导热性好的材料。如凝汽器中的冷却水管常用导热性好的铜合金制造，以提高冷却效果。 4．热膨胀性 金属受热时体积发生胀大的现象称为金属的热膨胀。例如，被焊的工件由于受热不均匀而产生不均匀的热膨胀，就会导致焊件的变形和焊接应力。衡量热膨胀性的指标称为热膨胀系数。 5．抗氧化性 金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。热力设备中的高温部件，如锅炉的过热器、水冷壁管、汽轮机的汽缸、叶片等，易产生氧化腐蚀。一般用作过热器管等材料的抗氧化腐蚀速度指标控制在≤0．1mm／a。 6．耐腐蚀性 金属材料抵抗各种介质（大气、酸、碱、盐等）侵蚀的能力称为耐腐蚀性。化工、热力设备中许多部件是在腐蚀条件下长期工作的，所以选材时必须考虑钢材的耐腐蚀性。 （二）金属材料的力学性能 金属材料受外部负荷时，从开始受力直至材料破坏的全部过程中所呈现的力学特征，称为力学性能。它是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等。 1．强度金属材料的强度性能表示金属材料对变形和断裂的抗力，它用单位截面上所受的力（称 为应力）来表示。常用的强度指标有屈服强度及抗拉强度等。 （1）屈服强度钢材在拉伸过程中，当拉应力达到某一数值而不再增加时，其变形却继续增加，这个拉应力值称为屈服强度，以σs表示。σs值越高，材料的强度越高。 （2）抗拉强度金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。σb值越大金属材料 抵抗断裂的能力越大，强度越高。 强度的单位是MPa（兆帕）。 2．塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。表示金属材料塑性性能有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。
常见的六种金属材料
常见的六种金属材料 有色金属，狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。 1、锌 锌闪着银光又略带蓝灰色，它是继铝和铜之后第三种应用最广泛的有色金属。美国矿产局的一项统计显示——一个普通人在其一生要消耗总共要消耗掉331千克的锌。锌的熔点很低，所以它也是一种非常理想的浇注材料。 锌质铸件在我们日常生活中十分常见：门把手表层表层下面的材料、水龙头、电子元件等，锌具有极高的防腐蚀性，这一特性使它具备了另外最基本的一项功能，即作为钢的表面镀层材料。除此之外，锌还是与铜一起合成青铜的合金材料。 材料特性：卫生保健、防腐蚀、优良的可铸性、出色的防腐蚀性、高强度、高硬度、原材料廉价、低熔点、抗蠕变、易与其他金属形成合金、具有保健性、常温下易碎、100摄氏度左右具有延展性。 典型用途：电子产品元件。锌是形成青铜的合金材料之一。锌也有着清洁卫生以及抗腐蚀的特性。另外，锌也被应用在屋顶材料，照片雕刻盘、移动电话天线以及照相机中的快门装置。 2、铝 相对于已经有9000年使用历史的黄金而言，铝，这种略带蓝光的白色金属，实在只能算是金属材料中的婴儿。铝于18世纪初问世并被命名。与其他金属元素不同，铝并不是以直接的金属元素的形式存在于自然界中，而是从含50%氧化铝(亦称矾土)的铝土矿中提炼出来的。以这种形态存在于矿物中的铝也是我们地球上产量量最丰富的金属元素之一。 当铝这种金属最早出现的时候，它并没有被立刻应用到人们的生活当中。后来，针对其独特功能和特性的一批新产品逐渐问世，这种高科技材料也逐渐拥有越来越宽阔的市场。虽然铝的应用历史相对较短，但现在市面上铝产品的产量已经远远超过了其他有色金属产品的总和。 材料特性：柔韧可塑、易于制成合金、高强度-重量比、出色的防腐蚀性、易导电导热、可回收。 典型用途：交通工具骨架、飞行器零部件、厨房用具、包装以及家具。铝也经常被用以加固一些大型建筑结构，比如伦敦皮卡迪利广场上的爱神雕像，以及纽约克莱斯勒汽车大厦的顶部等，都曾用铝质加固材料。
生物医用金属材料
生物医用金属材料 摘要：在概述医用金属材料目前的研究现状、性能和应用的基础上，指出了医 用金属材料应用中目前存在的主要问题，阐述了近些年生物医用金属材料的新进展，并对今后的发展进行展望分析。 关键词：生物医用金属材料现状研究进展 引言： 生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，能够植入生物体或与生物组织相糅合。它的研究及产业化对社会和经济发展的重大作用正日益受到各国政府、产业界和科技界的高度重视。 目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物医用复合材料等。 而与其它几种生物材料相比，生物医用金属材料具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。但生物医用金属材料在应用中也面临着一些问题，由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效，因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。 生物医用金属材料 生物医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。人类在古代就已经尝试使用外界材料来替换修补缺损的人体组织。在公元前，人类就开始利用天然材料，如象牙，来修复骨组织；到了19世纪，由于金属冶炼技术的发展，人们开始尝试使用多种金属材料，不遗余力地发展生物医用材料，以解救在临床上由于创伤、肿瘤、感染所造成的骨组织缺损患者，如用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙等； 目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛和钛合金等几大类。此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
常用金属材料汇总
液位 计、压力 管道、化 工设备的 常用金属 材料 2007-08-0 3 10:01:49 常用金属材料 介绍压力管道中常用的金属材料的分类、特点、用途和表示方法 金属材料:黑色金属：通常指铁和铁的合金 有色金属：指铁及铁合金以外的金属及其合金。 黑色金属根据它的元素组成和性能特点分为三大类,即铸铁、碳素钢及合金钢。 1铸铁 铸铁：含碳量大于2.06％的铁碳合金。 ◆真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%~6.67%。 ◆铸铁的主要成分除铁之外,碳和硅的含量也比较高。由于铸铁中的含碳量较 高,使得其中的大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在,而是以游离的石墨存 在。 性能特点：是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差,一般不能锻,但它却具有优 良的铸造性、减摩性、切削加工性能,价格便宜。 用途：常用作泵机座、低压阀体等材料；地下低压管网的管子和管件。 根据铸铁中石墨的形状不同将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。 1.1灰口铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。 ◆灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断口呈灰色，灰 口铸铁也因此而得名。灰口铸铁的各项机械性能均较差,工程上很少使用。 1.2可锻铸铁：经过长时间石墨化退火,使石墨以团絮状存在于铸铁组织中,此 类铸铁称为可锻铸铁。 性能特点：强度、塑性、韧性均优于灰口铸铁，其延伸率可达12%；但可锻铸 铁制造工艺复杂,价格比较高。 ◆由于可锻铸铁具有一定的塑性,故"可锻"的名称也由此而出,其实它仍为不 可锻。 用途：可锻铸铁在工程上常用作阀门手轮以及低压阀门阀体等。 根据断面颜色或组织的不同,可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和 珠光体可锻铸铁三种。常用的是黑心可锻铸铁。 1.3球墨铸铁：是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理, 并加入少量的孕育剂以促进石墨化,在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸
金属材料性能知识大汇总(超全)
金属材料性能知识大汇总 1、关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题 低碳钢的应力－应变曲线 a、拉伸过程的变形：弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。 b、相关公式：工程应力σ=F/A0；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限σP；弹性极限σ ε；屈服点σS；抗拉强度σb；断裂强度σk。 真应变e=ln(L/L0)=ln(1+ε) ；真应力s=σ(1+ε)= σ*eε指数e为真应变。 c、相关理论：真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。
2、关于弹性变形的问题 a、相关概念 弹性：表征材料弹性变形的能力 刚度：表征材料弹性变形的抗力 弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数，E=σ/ε；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。 弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。 包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 滞弹性：（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。 弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。 金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗 b、相关理论： 弹性变形都是可逆的。 理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。 弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映
无源医疗器械及医用材料试题及答案
无源医疗器械及医用材料 单选题、（由一个题干和两个以上的备选答案组成，其中只有一个为正确答案。选出正确答案。） 1、阐述了医疗器械风险管理的有关国家标准是（） A.ISO13485 2、要避免人工关节发生断裂，通常要求制作材料的强度高于人骨的（）以上 A.1倍 B.3倍 C.5倍 D.7倍 3、颅内动脉瘤支架一般都是（） D.自扩张镍钛支架 4、目前临床普遍使用的颈动脉支架是（） C自.扩张式覆膜支架 5、用于治疗消化道狭窄这类疾病的扩张球囊导管的尺寸一般达（） C.3~4cm 6、目前市场上用的较多的氧合器是（） B.膜式氧合器 7、钛合金的耐腐蚀性比不锈钢和钴基合金（） A.好 8、最早开发的医用钴基合金为（）合金 A.Co-Cr-Mo 9、如果提高材料整体的硬度，则可能损害材料的其他特性，因此通常采用（）的方法来使材料表面硬度得以改善 D.表面处理 10、钛同生物介质的关系是属于惰性金属，其化学惰性超过所有的（） D.不锈钢 11、生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有（）种类型 A.8 12、（）是指整个瓣膜或瓣膜的一部分由生物组织材料制成的人工心脏瓣膜 C.生物瓣膜 13、骨科材料产品标准按国际惯例可分为（）个等级 B.3 14、无源医疗器械按与人体接触性质分为（）类 A.3 15、与机械瓣膜相比，生物瓣膜的生物相容性（） A.更好 16、无源医疗器械按接触时间分为（）类 B.3 17、不属于人工瓣膜监管方面要点的是（） B.外科医师的技术培训 18、下列性能指标中，不属于人工血管主要性能指标的是（） A.弹性 19、人体内共有（）个心脏瓣膜 C.4 20、心脏瓣膜是（）阀门 A.单向
最新锅炉常用金属材料基础知识)
锅炉知识-金属材料基本知识 1、什么是变形？变形有几种形式？ 构件在外力作用下，发生尺寸和形状改变的现象，称为变形。变形的基本形式有弹性变形、永久变形（塑性变形）和断裂变形三种。 构件在外力作用下发生变形，外力去除后能恢复原来形状和尺寸，材料的这一特性称为弹性。这种在外力去除后能消失的变形称为弹性变形。若外力去除后，只能部分的恢复原状，还残留一部分不能消失的变形，材料的这一特性称为塑性。外力去除后不能消失而永远残留的变形，称为塑性变形或残余变形，也称永久变形。 工程上，一般要求构件在正常工作时，只能发生少量弹性变形，而不能出现永久变形。但对材料进行某种加工（如弯曲、压延、锻打）时，则希望它产生永久变形。 2、什么是强度？什么是刚度？什么是韧性？ 材料或构件承受外力时，抵抗塑性变形或破坏的能力称强度。钢材在较大外力作用下可能不被破坏，木材在较小外力作用下而可能会断裂，我们说钢材的强度比木材高。 材料或构件承受外力时抵抗变形的能力称为刚度。刚度不仅与材料种类有关，还与构件的结构形式、尺寸等有关。比如管式空气预热器管箱与钢管省煤器组件相比，前者抗变形能力要比后者好，我们称前者的刚度强（好），后者的刚度弱（差）。刚度好的构件，在外力作用下的稳定性也好。 材料抵抗冲击载荷的能力称为韧性或冲击韧性，即材料承受冲击载荷时迅速产生塑性变形的性能。锅炉承压部件所使用的材料应具有较好的韧性。
3、什么是塑性材料？什么是脆性材料？ 在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料，称为脆性材料。 材料的塑性和韧性的重要性并不亚于强度。塑性和韧性差的材料，工艺性能往往很差，难以满足各种加工及安装的要求，运行中还可能发生突然的脆性破坏。这种破坏往往滑事故前兆，其危险性也就更大。 脆性材料抵抗冲击载荷的能力更差。 4、什么是应力、应变和弹性模量？ 材料或构件在单位截面上所承受的垂直作用力称为应力。外力为拉力时，所产生的应力为拉应力；外力为压缩力时，产生的应力为压应力。在外力作用下，单位长度材料的伸长量或缩短量，称为应变量。在一定的应力范围（弹性形变）内，材料的应力与应变量成正比，它们的比例常数称为弹性模量或弹性系数。对于一定的材料，弹性模量是常数，弹性模量越大，在一定应力下，产生的弹性变形量越小。弹性模量随温度升高而降低。转动机械的轴与叶轮，要求在转动过程中产生较小的变形，就需要选用弹性模量较大的材料。 5、什么叫应力集中？ 由于构件截面尺寸突然变化而引起应力局部增大的现象，称为应力集中。 在等截面构件中，应力是均匀分布的。若构件上有孔、沟槽、凸肩、阶梯等，使截面尺寸发生突然变化时，在截面发生变化的部位，应力不再是均匀分布，在附近小范围内，应力将局部增大。应力集中的程度，可用应力集中系数来表示。应力集中系数的大小，只与构件形状和尺寸有关，与材料无关。工程上常用典型构件的应力集中系数，已通过试验确定。
常用金属材料分类
常用金属材料分类 热浸镀锌钢板 (GI) 电镀锌钢板 (EG) 电镀锡钢板 - 马口铁 (SPTE) 不锈钢带材 冷轧碳素钢板 (CRS) 铝及铝合金板材 一．热浸镀锌钢板 (GI) 1. 概况: 热浸镀锌钢板即是将板材浸入熔化锌池中 , 在板材两面浸镀厚度均匀的锌层 . 锌池中锌的重量百分比 仝 97% . 2. 分类: 冷轧热浸镀锌钢材 ,依供货商习惯 .共使用 C1,C2,D1 三种材质 . 标注示范 :HGCC1-ZSFX 其中 : HG--- 热浸镀锌制程 C--- 冷轧底材 C1--- 商用品质 ; (C2--- 改良商用质量 ; D1--- 引申品质 ) Z--- 无锌花 (M--- 细小锌花 ) S--- 调质处理 (B--- 亮面调质处理 ) F--- 耐指纹涂复 (C--- 铬酸盐处理 ) X--- 不涂油 二．电镀锌钢板 (EG) 1. 概况 : 与 GI 料基体材料相同 , 均为商用性能 SPCC (冷轧碳素钢板中一款 ) 材质 . 不同的是采用电镀方式附着 表面锌层 . (又称为电解片： SECC ) 2. 镀锌层重量 : 是材料使用性能的一个重要参数 ，如果锌层较厚且致密，可有效防止SPCC 材质与空气或其它物质接触 产生氧化 . 3. 区别与用途： GI 料与EG 料目前在 NOTE-BOOK^业应用越来越广，因为： SPCC 质地较软,易冲压成形，并且易保证产品结构尺寸要求，另外价格便宜.常用于支架，外壳，连结 EG 料相对于GI 来讲价格稍贵，但表面状况相对显得较光亮.表面状况：无锌花或很细小锌花.防腐性 能相对较好 . 三．电镀锡钢板 - 马口铁 (SPTE) 1. 概况： 基材为低碳钢表面电镀锡 , 常称马口铁 (SPTE). 2. 镀锡用原钢板可划分为以下三种钢类型 : D 类—铝脱氧钢 ,适用于深引伸要求 ,减小表面折痕和拉伸变形等危害 . L 类--- 残留元素( Cu,Ni,Cr,Mo) 特别少 , 对某种食品耐蚀性极好 , 适用于食品类容器 . 用途： 片等.
金属材料基础知识汇总
《金属材料基础知识》 第一部分金属材料及热处理基本知识 一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。 2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。 承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。 伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度 断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100% A0----试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必须承受 强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种 （1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL 4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。 在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。 三金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
(完整版)金属材料知识大全
金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金 属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 1.意义 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后 出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 2.种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬 度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及 金属基复合材料等。 3.性能 一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制 造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工 艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、 切削加工性等。 所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它 包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它 的使用范围与使用寿命。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和 非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷 的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为 机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载 荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求 的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、 多次冲击抗力和疲劳极限等。 金属材料特质
新型生物医用金属材料
新型生物医用金属材料 1 前言 1.1生物医用金属材料基本概念 1.2生物医学对材料的要求 2 我国生物医用材料产业现状 3 生物医用金属材料 3.1 医用不锈钢 3.2 医用钴基合金 3.3医用钛合金和镍钛形状记忆合金 3.4 医用贵金属和钽、铌 、锆等金属 3.5 新材料开发 4 表面改性和生物镀膜在医用金属材料上的应用 5 医用金属材料目前存在的主要问题及研究发展方向 5.1医用金属材料目前存在的主要问题 5.2 医用金属材料的研究和发展
1前言 1.1生物医用金属材料基本概念 生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料 ,可用于诊断、治疗 ,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷）、生物玻璃和碳素材料以及生物医用复合材料等。 与生物陶瓷及生物高分子材料相比,生物医用金属材料,如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。 1.2生物医学对材料的要求 生物医用金属材料在应用中面临的主要问题 ,是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变 ,前者可能导致毒副作用 ,后者可能导致植入失效 。因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。 医用金属材料作为生物材料的一类 ,其研究和发展要严格满足如下的生物学要求：良好的组织相容性 ,包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等；良好的物理、化学稳定性，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等；易于加工成型 ,材料易于制造；价格适当。 对于植入心血管系统或与血液接触的材料 ,除能满足以上条件外,还须具有良好的血液相容性,即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白特别是脂蛋白、不扰乱电解质平衡等。 2 我国生物医用材料产业现状 作为近30年来发展出的一类技术附加值最高的高技术新材料，生物医用材料正在成长为21世纪世界经济的一个支柱性产业。近年我国生物医用材料产业发展很快，尤其是介入支架和骨科器材，发展速度非常快。2008年中国生物医用材料全行业总产值2200亿元, 同比增长15% ；产值超过亿元的企业超过120家，较大
医用金属材料的研究进展
医用金属材料的研究进展 姓名：因 学号： 专业：材料
摘要：介绍了医用金属材料目前的研究现状、性能和应用,指出了医用金属材料 应用中目前存在的主要问题,阐述了近年来生物医用金属材料的新进展1。Medical metal materials with high strength toughness, fatigue resistance, easy processing and forming excellent properties become clinical dosage biggest and wide application of biomedical materials. 关键词：医用金属种类应用研究进展 一生物医用金属材料的简介 生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料2。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金等3。 二生物医用金属材料的特性 2.1材料毒性 生物医用金属材料的毒性主要来自金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，由此作用于细胞，抑制酶的活性，组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物。并且金属离子进入组织液，会引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蚀性、提高光洁度、表面涂层等4。 2.2生理腐蚀性 生物医用金属材料的生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。 2.3力学性能 生物医用金属材料需要有足够的强度与塑性。一般说来，对人工髋关节金属材料的要求是：屈服强度>450Mpa；抗拉强度>800Mpa；疲劳强度>400Mpa；延伸率>8%。通常材料的弹性模量大于骨的弹性模量，由此会使得材料与骨应变不同，界面处发生的相对位移造成界面松动；除此产生应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收8。 2.4耐磨性 耐磨性影响植入摩擦器件的寿命；以及可能产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、毒性反应。可通过提高硬度，表面处理等方法进行改善。 三医用金属材料的种类
常用金属材料标准
川润液压常用金属材料标准 一、型钢类： 1 合金结构钢 GB/T3077 常用材料有 40Cr 35CrMo 42CrMo 2 优质碳素结构钢 GB/T699 （08F、20、35#，45#） 3 碳素结构钢 GB/T700 (Q235B 包括钢板和圆钢都适用) 4 不锈钢钢棒 GB/T1220 （0Cr18Ni9） 5 碳素工具钢 GB/T1298 （T10） 6 合金工具钢 GB/T1299 5CrW5Mo2V、9CrSi 7 热轧型钢 GB/T706 （包括热轧工字钢、热轧槽钢、热轧等边角钢、热轧不等边角钢、热轧L型钢） 8 流体输送用不锈钢无缝钢管 GB/T 14976 （0Cr18Ni9） 9碳素结构钢冷轧薄钢板及钢带 GB/T 11253（适用于厚度不大于3mm，宽度不小于600mm）10热交换器用铜合金无缝管GB/T 8890 11输送流体用无缝钢管GB/T 8163 （20、Q345） 12结构用无缝钢管 GB/T 8162 （45#、Q235B） 11铜及铜合金拉制棒 GB/T 4423 （T2、T3、H62） 12不锈钢热轧钢板和钢带 GB/T 4237 （0Cr18Ni9） 13冷拔或冷轧精密无缝钢管GB/T 3639 (35#，45#） 14碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢带 GB/T 3524(适用于厚度不大于12mm，宽度50~600mm)（Q235、Q345） 15冷拔异型钢管GB/T 3094 （适用于碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢）（方形钢管D-1 矩形钢管D-2 椭圆形钢管 D-3 平椭圆形钢管D-4 内外六角形钢管D-5 直角梯形钢管 D-6） 16优质结构钢冷拉钢材GB/T 3078 适用于优质碳素结构钢、合金结构钢（圆钢、方钢和六角形钢）冷拉钢棒 17低合金高强度结构钢 GB/T 1591 Q345 18铜及铜合金拉制管 GB/T 1527 （T2、H62） 19碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带 GB/T 3274 （适用于厚度为3~400 钢板）二、铸件、锻件类 1大型碳素结构钢锻件 JB/T 6397 (35#，45#） 2大型合金结构钢锻件 JB/T 6396 （40Cr 35CrMo） 3 锻件功能分类 GB/T 12363 （此标准一般选择的是Ⅱ类，如果选择的标准为JB/T 5000.8与之对应的则是Ⅳ类锻件，请大家在选择标准的时候一定要注意） 4 铸钢件重型机械通用技术条件 JB/T 5000.6 （ZG270-500） 5铸铁件重型机械通用技术条件 JBT 5000.4 （HT200） 6球墨铸铁件 GB/T 1348 （QT500-7）
常用金属材料的密度表钢材基本常识
常用金属材料的密度表
钢材基本常识 （一）敬告：本刊自即日起将连续刊登钢材的基本常识，敬请关注！ 一、钢材的一般常识与管理 （一）普通结构钢普通结构钢简称普通钢。普通钢对硫、磷含量限制较宽， 硫的含量不大于％（ = %）、磷的含量不大于%（＜%）；普通结构钢主要用于一般要求的建筑和工程结构；普通结构钢主要包括碳素结构钢、低合金结构钢及由他们派生出来的专门用途的普通结构钢。 普通结构钢又可分为以下两类： （1）碳素结构钢（简称普碳钢），其中按屈服点分为Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五种牌号；按硫、磷的含量分为A、B、C、D四个质量等级。A级含硫、磷量高，D级含硫、磷量低；按脱氧程度分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢（见GB700-
88标准）。 （2）低合金结构钢按钢的组织分为三类：铁素体珠光体钢，通常在热轧状态下交货；低碳贝氏体钢，通常在热轧或正火状态下交货；低碳马氏体钢，通常在淬火—回火状态下交货。以上三类组织的钢最常用的是铁素体珠光体钢。选用时，可在屈服点相同的钢号级别中选用。（二）合金结构钢合金结构钢是 在优质碳素结构钢的基础上加入一种或数种合金元素组成的钢种。常加入的合金元素有Mn Si、Cr、Ni、W Mo V、Ti、B、Nb等。合金结构钢含碳量小于％; 与碳素结构钢比较，具有高的淬透性，用于制造性能要求高、尺寸大、形状复杂的机构设备结构零件。 合金结构钢有以下四种分类： （1）按硫、磷含量不同分为三类：优质合金结构钢。钢中含Sw%, PW%;高级优质合金结构钢，牌号后加“ A”钢中含S<%, P<%;特级优质合金结构钢，牌号后加“ E'钢中含S<%, Pw%。 （2）按合金元素含量分为三类：低合金钢（合金元素总含量< 5%）;中合金钢（合金元素总含量5%-10 %）;高合金钢（合金元素总含量（> 10%）。 （3）按使用加工方法不同分为两类：压力加工用钢——热压力加工或冷拔坯料； 切削加工用钢。钢材的使用加工方法应在合同中注明，未注明者，按切削加工用钢交货。 （4）按热处理方法不同分为调质钢和渗碳钢两类. 二、钢材的分类与相关概念钢材品种繁多，根据截面积形状的特点，可归纳为型材、 板材、管材和金属制品四大类。 （一）分类 1 、型钢特别是异型型钢，其截面形状与所要制成的构件或机构零件较适应或基本 相同，不必加工或稍经加工即可使用，而且具有较高的抗弯、抗扭能力。大量用作各种建筑结构和工程结构，也大量用作各种机械零件和工具。 2、钢板钢板具有很大的表面积，有很大的覆盖和包容能力，可按使用要求进行剪裁和组合（焊接、铆接和咬接），可进行弯曲和冲压成型，不仅广泛用于制造各种结构件、容器、车辆和各种工业炉、反应塔器的壳体、机械零部件及日常生活用器皿、器具、
医用金属
医用金属材料的表面处理 ——医用钛合金的表面处理 在所有生物医用材料中，金属材料应用最早，而且在目前临床中的应用也仍最为广泛。金属材料用作生物医学材料主要用来修复骨骼、关节、牙齿以及血管等。最初用于临床的金属材料是具有一定抗蚀性能的不锈钢，其中最为常用的是346L奥氏体不锈钢。以后又发展了Co-Cr合金，此系列合金在生物环境中具有更好的抗腐蚀性， 初期对钛应用的发展很慢. 自从60年Brane- mark将钛合金用作口腔种植体后，钛作为外科植入材料才得到 了广泛发展。近年来钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应用。 医用钛合金的发展可分为3个阶段：首先是以纯钛和Ti6Al4V合金为代表的第一阶段, 第二阶段Ti5Al2.5Fe 和Ti6Al7Nb等新型合金为代表，第三阶段以具有更好生物相容性和更低弹性模量的钛合金为代表。尽管近年来文献报道有多种新型医用钛合金问世，但目前临床广泛使用的钛合金仍以Ti6Al4V合金为主。总体来讲，目前使用 的钛合金主要存在以下几个方面的问题：（1）生物活性不理想。钛合金作为生物惰性材料植入体内，虽然与骨之间具有良好的生物相容性，但其与自然骨的成分截然不同，植入后种植体周围无纤维包囊形成，钛合金与骨之间只是一种机械嵌连性的骨整合，而非强有力的化学骨性结合。（2）耐磨性能较差。由于钛合金具有低的塑性 剪切抗力和加工硬化性能。同时表面氧化膜TiO2易于剥落, 对亚表层起不到很好的保护作用, 因而裸的钛合金不足以抵抗由相对运动引起的粘着和磨粒磨损, 磨损产生的磨屑会引起关节置换的无菌松动，并最终导致置换失败。（3）耐蚀性能有待进一步提高。金属材料的耐蚀性能将直接影响到其生物相容性。在正常条件下，钛合金表面 会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜，因此通常具有良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性，在外力和体液的侵蚀下，表面钝化膜有可能被剥离、溶解，因此，在使用过程中会有物质释放到组织中，在生物体内产生毒性、炎症、血栓等反应。 针对医用钛合金存在的不足可从两方面入手：一是从材料本体着手，开发综合性能更优异的新型钛合金； 二是从材料表面着手，采用表面工程的方法对钛合金进行表面改性，使钛合金的综合性能大幅度提高，从而更适合于医学应用的要求。基于此近年来钛合金表面改性已成为生物材料学科最活跃、最引人注目和发展最迅速的领域之一。钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段：一是以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段；二是以 等离子体、粒子束、电子束的应用为标志的现代表面技术阶段；三是现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段。为了提高钛合金种植体的表面活性，改善钛合金的耐磨损和耐腐蚀性能，通过多种表面改性的方法来实现。 为了改善医用钛合金的生物活性，提高其血液相容性，通常是在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂层。 业已研究的生物活性陶瓷涂层体系主要有羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙、MgO-CaO-SiO2生物玻璃等，其中对前3 种陶瓷涂层研究较深入。目前，生物陶瓷涂层制备方法主要有：等离子喷涂法、电泳沉积法、离子束溅射法、射频磁控溅射法、浸渍涂层法、离子束动态混合法、激发物激光沉积法、溶胶-凝胶法、仿生溶液生长法、整合-烧结法和浸涂-烧结法等。 羟基磷灰石是构成人体硬组织（如骨和牙齿）的主要无机成分，占人骨无机成分的77%，齿骨中高达97%，其分子式为Ca10 ( PO4 ) 6 ( OH ) 2，晶体属六方晶系。羟基磷灰石涂层对人体无毒、无害、无致癌作用，具有很好的生物相容性和生物活性，其表面可与生理环境发生选择性的化学反应，诱导和促进新生骨组织在其表面生长，使机体长入羟基磷灰石涂层的金属种植体表面孔洞，在界面上与骨形成牢固的化学结合，并能抑制金属离子从种植体中释放到周围骨组织。采用等离子喷涂法在钛合金表面制备羟基磷灰石涂层，研究了羟基磷灰石涂层的应力状态和应力分布，着重考查了涂层表面和涂层与基体界面处的残余应力状态，发现在等离子喷涂过程中涂层温度和不同的冷却介质对羟基磷灰石涂层的残余应力状态有重要的影响。研究了激光熔覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层在Hank s溶液中的溶解特性，并通过X 射线衍射、扫描电镜和傅里叶变换拉曼光谱仪考察了浸入溶液前后涂层的