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研究生： 蔡天成
Tsai, Tian-Cheng
論文名稱： 鉍的添加對Ti-15Mo合金性質的影響
Effect of bismuth addition on properties of Ti-15Mo alloy
指導教授： 朱建平
Ju, Chien-Ping
陳瑾惠
Chern, Jiin-Huey
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 122
中文關鍵詞： 電化學 、生物活性 、拉伸測試 、鈦合金
外文關鍵詞： cell's viability, Ti alloys, corrosion resistance, tensile
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    • 本實驗以室溫滾壓的Ti-15wt%Mo-1wt%Bi經各種不同條件的固溶和時效處理，結果以TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的拉伸性質為最佳，因此以該條件探討添加Bi對Ti-15wt%Mo拉伸性質的影響，結果顯示添加Bi可改善其拉伸性質。
    除此之外，也探討添加Bi對Ti-15wt%Mo的加工性、電化學測試和生物活性的影響。結果顯示添加Bi會影響加工性，而電化學測試和生物活性則無差異。

    The first step of the present study is that the alloy Ti-15wt%Mo-1wt%Bi was rolled at room temperature. Then it was treated with the different solution and aging treatment procedures. The best experiment result was solution treated at TS℃ for tS1 and aging treated at TM℃ for tA3, hence we chose the parameter for effect of bismuth addition on tensile property of Ti-15wt%Mo alloy. The result shows that adding bismuth can improve tensile property of Ti-15wt%Mo alloy.
    In addition, the present study also compares workability, corrosion resistance and cell's viability between Ti-15wt%Mo and Ti-15wt%Mo-1wt%Bi alloys. Experimental results indicate that adding bismuth would influence the workability, but it would not influence the corrosion's behavior and cell's viability .

    總目錄 摘要 Ⅰ 致謝 III 總目錄 IV 圖目錄 IX 表目錄 XV 第一章 前言 1 1-1 研究背景 1 1-2 生醫材料簡介 2 1-2-1 金屬性材料 3 1-2-2 陶瓷材料 4 1-2-3 高分子材料 5 1-3 研究目的 6 第二章 文獻回顧 7 2-1 純鈦 7 2-2 鈦合金 10 2-2-1 α型鈦合金 12 2-2-2 β型鈦合金 12 2-2-3 α＋β型鈦合金 13 2-3 純鈦與鈦合金在生醫上之運用 14 2-4 常見生醫用鈦合金之性質 16 2-4-1 拉伸性質 16 2-4-2 彈性模數 17 2-4-3 生物相容性 17 第三章 基礎理論 21 3-1 Ti-Mo合金平衡相圖 21 3-2 金屬的強化機構 22 3-2-1 金屬之加工強化(Work hardening)與退火熱處理 (Annealing) 22 3-2-2 細晶粒強化(Grain size reduction hardening) 24 3-2-3 固溶強化(Solid solution hardening) 25 3-2-4 析出強化和分散強化(Preciptation and dispersion hardening) 26 3-3 鈦合金之析出 29 3-4 金屬腐蝕行與鈍化為 31 3-4-1 熱力學與腐蝕現象 31 3-4-2 動力學與鈍化現象 32 第四章 實驗步驟 35 4-1 實驗流程 35 4-2 合金材料及配製 36 4-3 合金熔煉及鑄造設備 37 4-4 滾壓製程 40 4-5 試片成型製程 41 4-6 固溶處理 42 4-7 時效處理 42 4-8 X光繞射(X-Ray Diffraction，XRD)相分析 43 4-9 金相顯微組織觀察 43 4-10 拉伸測試 44 4-11 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察與能量散佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)合金成分分析 45 4-12 維氏硬度(Vickers hardness，Hv)測量 46 4-13 切割速率測試 47 4-14 電化學測試 48 4-14-1 工作電極的製作 48 4-14-2 陽極極化曲線實驗 48 4-15 生物活性測試 52 4-15-1 試片準備 52 4-15-2 表面粗糙度(surface roughness，Ra)測量 53 第五章 實驗結果與討論 54 5-1 合金成份分析結果 54 5-2 Ti-15Mo-1Bi之析出硬化熱處理 55 5-2-1 TS℃固溶不同時間後TM℃時效tA5之析出硬化 55 5-2-2 TS℃固溶tS1後不同溫度時效1小之析出硬化 67 5-2-3 TS℃固溶tS1後TM℃時效不同時間之析出硬化 73 5-3 Ti-15Mo-1Bi與Ti-15Mo之性質比較 81 5-3-1 鑄造外型比較 81 5-3-2 加工性比較 82 5-3-3 相同熱處理比較 85 5-3-4 電化學比較 91 5-3-5 生物活性比較 99 第六章 結論 100 第七章 參考文獻 101 圖目錄 圖2-1 克羅爾法(Kroll process)製鈦之流程圖 8 圖2-2 cp-Ti之拉伸性質與試驗溫度的關係 9 圖2-3 鈦二元合金狀態圖之分類 11 圖2-4 鈦合金之α-β示意平衡圖 14 圖2-5 純金屬的毒性測試 15 圖2-6 生醫用鈦合金之yield strength,σy和Elongation之關係 19 圖2-7 生醫用金屬之彈性模數 20 圖3-1 Ti-Mo二元相圖 21 圖3-2 經冷加工過的金屬施以退火時其性質之變化情形 24 圖3-3 Orowan散佈強化機構 28 圖3-4 析出硬化過程中時效時間對材料之硬度或強度之影響 28 圖3-5 α’ 和ω在β形鈦合金中析出區間 30 圖3-6 β-Ⅲ之TTT圖 30 圖3-7 鈦之E-pH平衡圖 33 圖3-8 鈍化型金屬腐蝕數率與溶夜氧化能力作圖 34 圖4-1 實驗流程圖 35 圖4-2 CASTMATIC鑄造機示意圖 38 圖4-3 鑄造用石墨模之示意圖 39 圖4-4 100頓滾壓機 40 圖4-5 試片形狀與規格 41 圖4-6 日本Shimadzu公司動態疲勞試驗機 45 圖4-7 環境式電子顯微鏡 46 圖4-8 鑽石切割機示意圖 47 圖4-9 工作電極試片裝置圖 50 圖4-10 恆電位儀反應槽之裝置圖 51 圖5-1 Ti-15Mo-1Bi鑄造後、冷壓後經TS℃固溶不同時間和TM℃時效tA5之XRD分析圖與其30~37∘和65~67∘放大分析圖 57 圖5-2 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經不同時間TS℃固溶和TM℃時效tA5的ND、RD和TD方向的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶tS1、(G)(H)(I)為固溶tS2、(J)(K)(L)為固溶tS3、(M)(N)(O)為固溶tS4和(P)(Q)(R)為固溶tS5 59 圖5-3 Ti-15Mo-1Bi鑄造後、冷壓後及經TS℃固溶不同時間後TM℃時效tA5的拉伸性質 64 圖5-4 Ti-15Mo-1Bi鑄造後、冷壓後及經TS℃固溶不同時間後TM℃時效tA5的彈性係數 64 圖5-5 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經不同時間TS℃固溶和TM℃時效tA5的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造 (B) 滾壓過後(C) tS1 (D) tS2 (E) tS3 (F) tS4 (G) tS5 65 圖5-6 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和不同溫度時效tA5的XRD分析 68 圖5-7 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和不同溫度時效tA5的微觀組織(200X) (A) TL℃ (B) TM℃ (C) TH℃ 69 圖5-8 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和不同溫度時效tA5的拉伸性質 71 圖5-9 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和不同溫度時效tA5的彈性模數 71 圖5-10 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和不同溫度時效tA5的拉伸破斷面(1000X) (A) TL℃ (B) TM℃ (C) TH℃ 72 圖5-11 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效不同時間的XRD分析 74 圖5-12 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效不同時間的微觀組織(200X) (A)固溶處理後 (B) tA1 (C) tA2 (D) tA3 (E) tA4 (F) tA5 (G) tA6 75 圖5-13 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效不同時間的拉伸性質 78 圖5-14 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃故溶tS1和TM℃時效不同時間的彈性模數 78 圖5-15 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B) tA1 (C) tA2 (D) tA3 (E) tA4 (F) tA5 (G) tA6 79 圖5-16 Ti-15Mo-1Bi與Ti-15Mo經熔煉後之外觀 81 圖5-17 Ti15Mo-1Bi和Ti-15Mo的切割面積速率 83 圖5-18 Ti15Mo-1Bi和Ti-15Mo的微氏硬度 83 圖5-19 Ti15Mo-1Bi和Ti-15Mo的滾壓後厚度 84 圖5-20 Ti15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的XRD分析 86 圖5-21 Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的微觀組織(200X) (A)Ti-15Mo-1Bi (B)Ti-15Mo 86 圖5-22 Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的SEM觀察(5000X) (A)Ti-15Mo-1Bi SEM (B)Ti-15Mo-1Bi BSE (C)Ti-15Mo SEM (D)Ti-15Mo BSE 87 圖5-23 Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的拉伸性質 89 圖5-24 Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的彈性模數 89 圖5-25 Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo冷壓後經TS℃固溶tS1和TM℃時效tA3的拉伸破斷面(1000X) (A)Ti-15Mo-1Bi (B)Ti-15Mo 90 圖5-26 鑄造cp-Ti、Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo在Hanks人工體液中的陽極極化曲線 91 圖5-27 cp-Ti、Ti-6Al-4V、Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo經各種表面處理後的表面型態 (2500X) 93 圖5-28 cp-Ti、Ti-6Al-4V、Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo經各種表面處理後的表面粗糙度 97 圖5-29 3T3纖維母細胞 99 圖5-30 各種鈦合金經不同表面處理後的3T3纖維母細胞活性測試結果 99 表目錄 表1-1 生醫材料發展簡史 2 表2-1 純鈦的物理性質 9 表2-2 生醫用鈦合金之發展 16 表2-3 生醫用鈦合金之機械性質 18 表2-4 牙科用鈦合金之機械性質 19 表4-1 材料原料之來源 36 表4-2 Hank's模擬溶液的化學成分 49 表5-1 EDS成份分析結果 54 表5-2 Ti-15Mo-1Bi冷壓後經TS℃固溶不同時間和TM℃時效tA5的晶粒大小 62 表5-3 Ti-15Mo-1Bi與Ti-15Mo經熔煉後之直徑與厚度關係 81 表5-4 鑄造cp-Ti、Ti-15Mo-1Bi和Ti-15Mo在Hanks人工體液中 的開路電位和腐蝕電流密度 92

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    校外：2106-07-30公開
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