You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1393073
Title (eng)
High cycle fatigue investigations of a biodegradable Mg5Zn-alloy processed by severe plastic deformation
Parallel title (deu)
Ermüdungsverhalten einer ultrahoch verformten, biokompatiblen Mg5Zn Legierung bei hohen Zyklenzahlen
Author
Moritz Hartleb
Adviser
Erhard Schafler
Assessor
Erhard Schafler
Abstract (deu)
Die Verwendung von biokompatiblen metallischen Materialien im Rahmen von chirurgischen Implantaten erlaubt es diesen sich in vivo aufzulösen. Magnesium eignet sich für solche Anwendungen. In dieser Arbeit werden die Ermüdungseigenschaften einer solchen Mg-Legierung in fünf verschiedenen Zuständen untersucht: thermische Auflösung von Ausscheidungen, Verformung bei Raumtemperatur mit und ohne Wärmebehandlung, Verformung bei erhöhter Temperatur mit und ohne Wärmebehandlung. Ermüdungsverhalten ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Implantaten, da die strukturellen Eigenschaften mindestens bis zur Heilung des betroffenen Bereichs bestehen müssen. Proben wurden mittels Hochdrucktorsion (HPT) verformt um Kornfeinung zu erzeugen als auch um mechanische Eigenschaften zu verbessern ohne den E-Modul des Materials zu verändern. HPT Verformung bei Raumtemperatur erzeugt Leerstellenagglomerate, welche die Bewegung von Versetzungen behindern und so als Ersatz für weitere Legierungsatome dienen. HPT Verformung bei hoher Temperatur erzeugt intermetallische Ausscheidungen in der hexagonalen Matrix welche ebenfalls die Versetzungsbewegung einschränke. Ermüdungsversuche wurden bei einer Frequenz von 20kHz auf bis zu 1e9 Zyklen unter Laborbedingungen durchgeführt. Proben mit einer sanduhrförmigen Geometrie wurden verwendet. Die Geometrie der Proben wurde mittels Funkenerodierens erreicht. Die Ermüdungsversuche ergaben, dass sich die Behandlung der Proben positiv auf ihre Ermüdungseigenschaften ausgewirkt hat. Die Bruchflächen zeigen ein zähes Verhalten, außer bei Proben verformt bei Raumtemperatur mit anschließender Wärmebehandlung wo ein spröder Bruch zu erkennen ist. Rissverläufe der Proben zeigen auf der Seite welche näher zum Ort der Rissentstehung liegt, einen nicht geraden Rissverlauf.
Abstract (eng)
Using biocompatible metallic materials for surgical implants allows the use of samples that gradually degrade in vivo. In this regard magnesium show great promise. This work investigates the fatigue behaviour of a Mg-alloy in five different conditions: Thermal dissolution of precipitates, deformation at room temperature with and without heat treatment, deformation at elevated temperatures with and without heat treatment. The fatigue behaviour is important when designing implants, as they need to keep their structural integrity long enough for complete tissue healing. Samples were deformed using high pressure torsion (HPT) to induce grain refinement and increase mechanical properties without changes in the Young's modulus. HPT deformation at room temperature with additional heat treatment introduced vacancy agglomerates that impede dislocation movement substituting additional alloying elements, while HPT deformation at elevated temperatures introduces precipitates into the hexagonal matrix which also hinder dislocation movement. Fatigue tests were performed at a frequency of 20kHz up to 1e9 cycles at ambient conditions. Samples with an hourglass geometry were used by gluing them onto a sample holder attached to an acoustic horn. To achieve the aforementioned sample geometry, samples were punched using spark erosion machining. The results show an increase in fatigue strength in all four conditions when compared to the non deformed material. Fracture surfaces show a ductile behaviour for all samples except samples deformed at room temperature with additional heat treatment. Crack paths of the different conditions revealed that all samples exhibited a more serrated crack path along one of their two faces.
Keywords (eng)
High cycle FatigueSevere plastic deformationhigh pressure torsionMagnesiumbiocompatible materialsfracture surface analysis
Keywords (deu)
Ermüdungsverhalten bei hohen ZyklenzahlenHochdrucktorsionultrahoch VerformungMagnesiumbiokompatibles MaterialBruchflächenanalyse
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1393073
rdau:P60550 (deu)
vii, 74 Seiten $$b Illustrationen
Number of pages
82
Association (deu)
Members (1)
Title (eng)
High cycle fatigue investigations of a biodegradable Mg5Zn-alloy processed by severe plastic deformation
Parallel title (deu)
Ermüdungsverhalten einer ultrahoch verformten, biokompatiblen Mg5Zn Legierung bei hohen Zyklenzahlen
Author
Moritz Hartleb
Abstract (deu)
Die Verwendung von biokompatiblen metallischen Materialien im Rahmen von chirurgischen Implantaten erlaubt es diesen sich in vivo aufzulösen. Magnesium eignet sich für solche Anwendungen. In dieser Arbeit werden die Ermüdungseigenschaften einer solchen Mg-Legierung in fünf verschiedenen Zuständen untersucht: thermische Auflösung von Ausscheidungen, Verformung bei Raumtemperatur mit und ohne Wärmebehandlung, Verformung bei erhöhter Temperatur mit und ohne Wärmebehandlung. Ermüdungsverhalten ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Implantaten, da die strukturellen Eigenschaften mindestens bis zur Heilung des betroffenen Bereichs bestehen müssen. Proben wurden mittels Hochdrucktorsion (HPT) verformt um Kornfeinung zu erzeugen als auch um mechanische Eigenschaften zu verbessern ohne den E-Modul des Materials zu verändern. HPT Verformung bei Raumtemperatur erzeugt Leerstellenagglomerate, welche die Bewegung von Versetzungen behindern und so als Ersatz für weitere Legierungsatome dienen. HPT Verformung bei hoher Temperatur erzeugt intermetallische Ausscheidungen in der hexagonalen Matrix welche ebenfalls die Versetzungsbewegung einschränke. Ermüdungsversuche wurden bei einer Frequenz von 20kHz auf bis zu 1e9 Zyklen unter Laborbedingungen durchgeführt. Proben mit einer sanduhrförmigen Geometrie wurden verwendet. Die Geometrie der Proben wurde mittels Funkenerodierens erreicht. Die Ermüdungsversuche ergaben, dass sich die Behandlung der Proben positiv auf ihre Ermüdungseigenschaften ausgewirkt hat. Die Bruchflächen zeigen ein zähes Verhalten, außer bei Proben verformt bei Raumtemperatur mit anschließender Wärmebehandlung wo ein spröder Bruch zu erkennen ist. Rissverläufe der Proben zeigen auf der Seite welche näher zum Ort der Rissentstehung liegt, einen nicht geraden Rissverlauf.
Abstract (eng)
Using biocompatible metallic materials for surgical implants allows the use of samples that gradually degrade in vivo. In this regard magnesium show great promise. This work investigates the fatigue behaviour of a Mg-alloy in five different conditions: Thermal dissolution of precipitates, deformation at room temperature with and without heat treatment, deformation at elevated temperatures with and without heat treatment. The fatigue behaviour is important when designing implants, as they need to keep their structural integrity long enough for complete tissue healing. Samples were deformed using high pressure torsion (HPT) to induce grain refinement and increase mechanical properties without changes in the Young's modulus. HPT deformation at room temperature with additional heat treatment introduced vacancy agglomerates that impede dislocation movement substituting additional alloying elements, while HPT deformation at elevated temperatures introduces precipitates into the hexagonal matrix which also hinder dislocation movement. Fatigue tests were performed at a frequency of 20kHz up to 1e9 cycles at ambient conditions. Samples with an hourglass geometry were used by gluing them onto a sample holder attached to an acoustic horn. To achieve the aforementioned sample geometry, samples were punched using spark erosion machining. The results show an increase in fatigue strength in all four conditions when compared to the non deformed material. Fracture surfaces show a ductile behaviour for all samples except samples deformed at room temperature with additional heat treatment. Crack paths of the different conditions revealed that all samples exhibited a more serrated crack path along one of their two faces.
Keywords (eng)
High cycle FatigueSevere plastic deformationhigh pressure torsionMagnesiumbiocompatible materialsfracture surface analysis
Keywords (deu)
Ermüdungsverhalten bei hohen ZyklenzahlenHochdrucktorsionultrahoch VerformungMagnesiumbiokompatibles MaterialBruchflächenanalyse
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1393074
Number of pages
82
Association (deu)