تغییر انتخابی استحکام فوم سلول‌بستۀ آلیاژ Al-Si-Cu و مقایسۀ آن با استحکام استخوان تازۀ گوسفند

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 3، دوره 33، شماره 1 - شماره پیاپی 25، فروردین 1401، صفحه 25-48   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2021.70247.1015

نویسندگان

آذین آل صفر؛ سید محمد حسین. میرباقری^*

دانشکدۀ مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه امیرکبیر تهران.

چکیده

هدف از پژوهش حاضر تهیۀ استخوان مصنوعی از فوم سلول‌بستۀ فلزی با استحکامی نزدیک به استخوان طبیعی است. فوم فلزی از آلیاژ A356 آمریکایی با مقادیری مشخص از فلز مس تهیه شد. با عملیات حرارتی پیرسازی روی این فوم آلومینیم آلیاژی می‌توان به استحکام‌های فشاری و جذب انرژی شکست موردنظر طراح، رسید. نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی نشان داد طی عملیات پیرسازی در دمای 165 درجۀ سلسیوس و زمان‌های مختلف 2، 7، 15 و 24 ساعت، ذرات مس حل‌شده در دیواره‌های نازک حباب‌های جامد فوم Al-Si-Cu، توانسته‌اند با تجزیه مناطق GP غنی از مس، فازهای شبه‌پایدار و بسیار ریز  و  را ایجاد نمایند. تعداد این فازهای شبه‌پایدار در واحد سطح، با عملیات پیرسازی افزایش می‌یابد و سبب بالا رفتن شدید استحکام استخوان مصنوعی می‌شود. برای صحت‌سنجی مقادیر استحکام فشاری و مقایسه بااستخوان تازۀ ساق، نمونه‌های استخوان مصنوعی در زمان‌های پیرسازی فوق، تهیه شدند و همراه بااستخوان تازۀ یک ساق کامل گوسفند، مقاومت به بارگذاری فشاری آن‌ها در کنار یکدیگر اندازه‌گیری شد و مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که نمونۀ مربوط به سیکل پیرسازی در دمای 165 درجۀ سلسیوس به مدت‌زمان 15 ساعت، به‌ترتیب دارای استحکام الاستیک و انرژی شکست MPa 31 و MJ/m³ 60/13 نزدیک به استحکام استخوان طبیعی، MPa 23 و MJ/m³ 00/12 است و با افزایش زمان پیرسازی بیشتر، استحکام مجدداً افت می‌کند.

کلیدواژه‌ها

فوم آلومینیم سلول بسته؛ استخوان مصنوعی؛ آلیاژ Al-Si-Cu؛ عملیات پیرسازی؛ استحکام

مراجع

1. Safadi, F. F., Barbe, M., Abdelmagid, S., Rico, M., Aswad, R. A., Litvin, J., et al., "Bone Structure, Development and Bone Biology", In: Khurana JS, Bone Pathology. 2 ed. Philadelphia, U.S.A: Humana Press, Pp. 1-50, (2009).
2. Marolt, D., Knezevic, M., Novakovic, G.V., "Bone Tissue Engineering with Human Stem Cells", Stem Cell Res Ther, Vol. 1(2), Pp. 1-10, (2010).
3. Kini, U., Nandeesh, B. N., "Physiology of Bone Formation, Remodeling and Metabolism", In: Fogelman I, Gnanasegaran, Gopinath, van der Wall, Hans (Eds.), editor. Radionuclide and Hybrid Bone Imaging. India, Chap. (2), Pp. 29-57, (2012).
4. Kheirallah, M., Almeshaly, H., "Bone Graft Substitutes for Bone Defect Regeneration", A collective review. International Journal of Dentistry and Oral Science (IJDOS), Vol. 03(5) Pp. 247-57, (2016).
5. Julia Kenkre, J. B., "The Bone Remodelling Cyc", Ann Clin Biochem, Vol. 55(3), Pp. 308-27, (2017).
6. Alobeedallah, H., Ellis, J. L., Rohanizadeh, R., Coster, H. G. L., Dehghani, F., "Preparation of Nanostructured Hydroxyapatite in Organic Solvents for Clinical Applications", Trends in Biomaterials and Artificial Organs, Vol. 25(1), Pp. 12-9, (2011).
7. Armas, L. A. G., Lappe, J. M., Heaney, R. P., "Calcium, Bone Strength and Fractures", In: Orwoll ES, Bilezikian JP, Vanderschueren D, editors. Osteoporosis in men 2ed: Elsevier Inc, Pp. 235-41, (2010).
8. Warden, S. J., Davis, I. S., Fredericson, M., "Management and Prevention of Bone Stress Injuries in Long-Distance Runners", J Orthop Sports Phys Ther, Vol. 44(10), Pp. 749-65, (2014).
9. Oryan, A., Monazzah, S., Bigham-Sadegh, A., "Bone Injury and Fracture Healing Biology", Biomedical Environ Sci, Vol. 28(1), Pp. 57-71, (2015).
10. Guden M, Celik, E., Cetiner, S., Aydin, A., Metals Foams for Biomedical Applications: Processing and Mechanical Properties. Advances in Experimental Medicine and Biology. 5532004. Pp. 257-66.
11. Matsushita, T., Fujibayashi, S., Kokubo, T., "Titanium Foam for Bone Tissue Engineering", In: Wen C, editor. Metallic Foam Bone: Processing, Modification and Characterization and Properties: Woodhead Publishing, Vol. 17, Pp. 10-130, (2017).
12. Madgule, M., Sreenivasa, C. G., Shivakumar, K.M., "A Review on Production of Aluminium Metal Foams", International Conference on Advances Manufacturing, Materials and Energy Engineering; 2-4 March; Karnataka, India: IOP Publishing Ltd, Vol. 376, Pp. 1-12, (2018).
13. Shahsavan, M., Mirbagheri, S. M. H., "Production of Open Cell Copper Foam and Assessment of Foam Substructure", Journal of New Materials, Vol. 8(31), Pp. 1-16, (2018).
14. Banhart, J., "Manufacture, Characterisation and Application of Cellular Metals and Metal Foams", Progress in Materials Science,Vol. 46, Pp. 559-632, (2001).
15. Ashby, M., Evans, T., Fleck, N., Hutchinson, J. W., Wadley, H. N. G., Gibson, L. J., "Metal Foams: A Design Guide", Amsterdam, The Netherlands: Elsevier; (2000).
16. Koloushani, M., Hedayati, R., Sadighi, M., Mohammadi-Aghdam, M., "CT-Based Micro-Mechanical Approach to Predict Response of Closed-Cell Porous Biomaterials to Low-Velocity Impact", Journal of Imaging,Vol. 4(3), Pp. 49-64 , (2018).
17. Mirzaali, M. J., Mussi, V., Vena, P., FlaviaLibonati, Vergani, L., "Strano M. Mimicking the Loading Adaptation of Bone Microstructure with Aluminum Foams", Materials & Design, Vol. 126, Pp. 207-18, (2017).
18. Mirzaali, M. J., Libonati, F., Vena, P., Mussi, V., Vergani, L. M., Strano. Investigation of the Effect of Internal Pores Distribution on the Elastic Properties of Closed-Cell Aluminum Foam: A Comparison with Cancellous Bone. Procedia Structural Integrity, Vol. 2, Pp. 1285-94, (2016).
19. Gibson, L. J., Ashby, M. F., "Cellular Solids: Structure and Properties", 2 ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press, (1997).
20. Mirbagheri, S. M. H., Vali, H., Soltani, H., "Heat Treatment of Closed-Cell A356+ 4 wt.% cu+ 2 wt.% Ca Foam and its Effect on the Foam Mechanical Behavior", Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 26(1), Pp. 14-27, (2016).
21. ISO 13314:2011. Mechanical Testing of Metals — Ductility Testing — Compression Test for Porous and Cellular Metals, (2011).
22. Kelly, A., Nicholson RB., Precipitation Hardening, Progress in Materials Science.: Pergamon Press, Chap:4, Pp. 171-203, (1963).
23. Zhu, X-H., Lin, Y. C., Wu, Q., Jiang, Y-Q., "Effects of Aging on Precipitation Behavior and Mechanical Properties of a Tensile Deformed Al–Cu Dlloy", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 843, Pp. 23-39, (2020).
24. Gazizov, M., Kaibyshev, R., "Effect of Pre-Straining on the Aging Behavior and Mechanical Properties of an Al–Cu–Mg–Ag Alloy", Materials Science and Engineering: A, Vol. 625, Pp. 119-30, (2015).
25. Chung, T-F., Yang, Y-L., Hsiao, C-N., Li, W-C., Huang, B-M., Tsao, C-S., et al., "Morphological Evolution of GP Zones and Nanometer-Sized Precipitates in the AA2050 Aluminium Alloy", International Journal of Lightweight Materials and Manufacture,Vol. 1(3), Pp. 142-56, (2018).
26. Wang, S. C., Starink, M. J., Gao, N., "Precipitation Hardening in Al–Cu–Mg Alloys Revisited", Scripta Materialia, Vol. 54(2), Pp. 287-91, (2006).
27. نیری، م.، خواجه علی، م.، میرباقری سمح.، «بررسی رفتار فشار شبه‌استاتیکی قوطی‌های پرشده با کامپوزیت فومی Al-Si-SiC-xFe»، مهندسی متالورژی و مواد، سال 27، شمارۀ 2 ، صص. 24- 9، (1395).
28. میرباقری، سمح.، والی، ح.، سلطانی، ح.، «خواص مکانیکی فوم فلزی A356 غنی‌شده با مس و اثر عملیات پیرسازی بر آن»، دورۀ 17، شمارۀ 53، بهار ، صص. 55 -49، (1393).
29. Salehi, M., Mirbagheri, S. M. H., Ramiani, A. J., "Deformation Behavior and Crashworthiness of Functionally Graded Metallic Foam-Filled Tubes under Drop-Weight Impact Testing", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 51(10), Pp. 5120-38, (2020).