多孔Ti-6Al-4V合金在模拟体液中的力-电化学有限元分析.pdfVIP

第33卷第2期材料科学与工艺Vol.33No.2

2025年4月MATERIALSSCIENCEANDTECHNOLOGYApr.2025

D0I:10.11951/j.issn.1005-0299

多孔Ti-6Al-4V合金在模拟体液中的力-电化学

有限元分析

战楠12，宋振兴3，张晓川4

（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；

2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384；

3.天津瑞赛可新材料科技有限公司，天津300457；4.天津商业大学机械工程学院，天津300134）

摘要：多孔Ti-6Al-4V合金植入人体内将长期处于体液腐蚀环境中，且不可避免地承受人体自重和运动产生的载荷，

易引发应力腐蚀，增加无菌失败和严重并发症的风险。为了明确载荷水平及孔隙特性对多孔Ti-6AI-4V合金应力腐蚀

性能的影响，本文通过数值仿真方法研究其力一电化学响应规律。基于应力腐蚀理论，将由孔隙特性引发的结构应力耦

合到电极反应的平衡电位和交换电流密度表达式，建立了力-电化学耦合有限元模型，通过数值仿真方法分析了植入物

试样承受弯曲载荷时，应力、电流密度以及电极腐蚀厚度等的力-电化学响应规律。结果表明：随着承载水平增加，应力

集中明显的孔隙边缘区域腐蚀更为剧烈，最大腐蚀厚度均出现在孔梁边缘处。与无应力试样相比，超过屈服应力试样的

5年腐蚀厚度增加了22%。孔隙尺寸显著影响应力分布、电化学腐蚀速率及最终的电极腐蚀厚度，随着孔隙的增大，电

极5年腐蚀厚度逐渐减小，且大孔应力腐蚀速率低于小孔。

关键词：钛合金；多孔材料；应力腐蚀；力一电化学耦合；应力集中

中图分类号：TB31文献标志码：A文章编号：1005-0299(2025)02-0035-08

Finiteelementanalysisofmechanical-electrochemicalbehaviorofporous

Ti-6Al-4Valloyinsimulatedbodyfluids

ZHANNan-2,SONGZhenxing,ZHANGXiaochuan

(1.TianjinKeyLaboratoryforAdvancedMechatronicSystemDesignandIntelligentControl,TianjinUniversityofTechnology,

Tianjin300384,China;2.NationalDemonstrationCenterforExperimentalMechanicalandElectricalEngineeringEducation,

TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China;3.TianjinRuiSaiKeNewMaterialTechnologyCo.,Ltd.,

Tianjin300457,China;4.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofCommerce,Tianjin300134,China)

Abstract:PorousTi-6Al-4Valloy,whenimplantedinthehumanbody,isexposedtobodyfluidcorrosion

environmentandinevitablyexperiencesloadsgeneratedbyhumanweightandmovement.Thiscanleadto

stresscorrosion,increasingtherisk