文 献 综 述
1 引言
金属材料最早被用于人体植入，其中不锈钢因良好的强度与韧性，优异的加工成型性能被广泛应用[1]。早在1775年，就有报道用铁丝来固定断骨的新闻。1922年Strauss研制出了18-8SMo不锈钢，其碳含量低至0.08%且含少量钼，耐蚀性能优于普通钢丝[2]，是第一个可以用于人体植入的钢丝。
本课题研究的316L奥氏体不锈钢的原型可以追溯到1940年，Murray和Fink研制出302不锈钢，耐蚀性能比18-8SMo不锈钢更好，在此基础上，Blunt将钼元素含量提高至2%，得到性能更优的316不锈钢[3]。随后，研究者将含碳量由0.08%降至0.03%获得316L不锈钢。316L不锈钢在氯溶液体系中的耐蚀性能更好，致敏性更低[4]。查询现行国标可知其成分：
表1.1 奥氏体不锈钢材料元素（GB/T 20878-2007）
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化学成分（%） |
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C |
Cr |
Ni |
Mn |
P |
S |
Mo |
Si |
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le;0.03 |
16.00~18.00 |
12.00~15.00 |
le;2.00 |
le;0.035 |
le;0.030 |
2.00~3.00 |
le;1.00 |
医
用不锈钢按照显微组织可以分为：奥氏体不锈钢，马氏体不锈钢，铁素体不锈钢三种。316L不锈钢属于奥氏体不锈钢，相较于其他两种不锈钢，它的力学性能优异，耐腐蚀，植入后能够承受一定的人体的酸性环境，且加工成型性优异，价格低廉，所以在外科植入手术中使用最多。
2 奥氏体不锈钢的结构及其钢丝制备
2.1 奥氏体不锈钢的结构
本课题研究的316L奥氏体不锈钢的成分是Cr17Ni14Mo2，奧氏体是高温组织，在钢中加入一定量的Ni、Mn等元素后，使gamma;相区扩展到室温下，这样就会得到奧氏体钢。通过奥氏体不锈钢的晶胞结构，可以看出，碳原子位于gamma;-Fe 八面体结构中心，即处于面心立方结构的中心或棱边中心，如图2.1。
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图 2.1 奥氏体不锈钢晶胞结构 |
2.2 奥氏体不锈钢钢丝的制备
奥氏体不锈钢钢丝的塑性加工方法有：拉拔法，轧制法，连续挤压法等[5]。拉拔法因为生产效率高，制造成本低，应用较广。拉拔法制造钢丝时，首先将配好的炉料加入中频感应电炉内进行熔炼，待炉料全部熔化后，加入造渣剂与脱氧剂，扒渣脱氧，当钢水温度达到1650℃-1700℃时，再加入铝饼最终脱氧。出炉后镇静3-5分钟再进行浇铸，连铸成杆材。然后将杆材进行热处理，最后拉拔成所需直径的钢丝。
3 影响奥氏体不锈钢性能的因素
从查找到的文献资料来看，奥氏体不锈钢含有三种组织，除了主要组织奥氏体外，还有少量残余奥氏体和铁素体，前者虽然会降低钢的强度，但是能提高钢的韧性和延展率。铁素体则会降低钢的强度和耐蚀性[6]。
由此可以将影响奧氏体不锈钢性能的因素大致分为两类：首先是合金的配比方式，也就是合金化元素的含量的影响，在所有的影响因素中这是最根本的因素，直接影响产品的性能。虽然影响合金化的元素众多，但可以大致分为三种，有利于沉淀硬化相形成的元素；控制铁素体的元素；影响金属耐蚀性的元素。其次后续处理的工艺也会对奥氏体不锈钢性能造成影响：如热处理工艺中固溶、时效的影响，甚至加工方式的选择等等[7,8,9]。
总之，本论文目的是通过以上方式掌控好奥氏体不锈钢中组织构成，使最终的成品主要为奥氏体组织，少量残余奥氏体和尽可能少的铁素体。
3.1 合金化元素对钢组织及性能的影响
- 镍、锰元素：镍与锰元素能扩大奥氏体区，稳定奥氏体组织。但是镍含量过高会增加植入材料致敏的风险。锰会使低铬不锈钢的耐蚀性稍微较低[11]。
（2）钼、铬与硅元素：钼，铬与硅元素通过生成化合物的方式，提高钢的耐蚀性。但是钼会增加铁素体的稳定性并使奥氏体相不稳定[12]，使钢的塑性和韧性下降。铬，硅元素会缩小奥氏体相区，加强铁素体形成，使钢的强度变差。
3.2 热处理对钢组织及性能的影响
（1）固溶对钢组织及性能的影响：有文献[7]指出，提高固溶温度，固溶后试验钢晶粒尺寸变大，奥氏体稳定性提高，同时冷处理后残余奥氏体数量增多，强度有所下降，但韧性提高；为了提高强度，减少残余奥氏体数量，进一步降低冷处理温度是有利的[13,14]。
（2）时效温度对钢组织及性能的影响：通过对比试验发现[9]对硬度来说，随着时效温度的升高，Cr18Ni9钢的硬度趋势是先降后升再降。对塑性来说，在整个失效区间，固溶温度低的不锈钢塑性比固溶温度高的好。对韧性来说，时效前期固溶温度对韧性影响不大，200℃-400℃区间固溶温度高的韧性优于固溶温度低的，400℃以后则相反。
3.3 制备的方式的影响
有文献[15,16]报道相较于传统的拉拔方式，如图3.1（a），辊模拉拔时材料的平均片层间距波动更小，更有利于钢丝组织的协调性变形，如图3.1（b）。该方法能在避免出现中心裂纹的情况下，提高道次压缩率。这会导致形变后钢丝的强塑性均提升，同时表面温升低，使得表面质量更高[17,18] 。
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（a） |
（b） |
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图3.1[16]（a）辊模拉拔示意图 （b）平均片层间距随应变量变化曲线 |
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4 奥氏体不锈钢的强化机理
材料的强化方式一共可分为四种：加工硬化，固溶强化，细晶强化和相变强化。
4.1 加工硬化微观理论
加工硬化又称为割阶强化。若晶体中存在多滑移系，受到外加应力后，不同滑移系的位错只要满足施密特定律就可以开动，刃位错之间互相交割产生割阶，割阶与主位错线不在同一晶面，不能一起运动，会钉扎位错线，阻碍滑移[19,20]，如图4.1（a)。被钉扎的位错线会形成一定长度的位错段，该段位错的中间继续滑移而两端被钉扎，不断形成位错环而导致位错密度的增加[21]，如图4.1（b）。
宏观上看就是受到大量冷变形的材料硬度、强度升高而塑性、韧性下降的现象。
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（a） |
（b） |
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图4.1 （a）刃位错的交割（b） F-R位错增殖机制 |
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4.2 加工硬化的数学模型
（1）加工硬化可以认为是对派纳力的估算。派纳力就是使位错开始滑移所需的最小应力。一般对不同金属使用相应的经验值。位错线在滑移过程中受到钉扎，滑移受阻，若想要继续滑移就需要需要克服位错线张力引起的阻力。另外，位错运动时还会与林位错交割产生割阶，受到其他位错的阻力[22]。由此可以得出材料派纳力与位错密度之间的关系：
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为派纳力,G 为材料的剪切模量；b 为位错的伯氏矢量；rho;为位错线密度,alpha;为与泊松比以及位错性质有关的常数 |
在其他条件不变的情况下，位错密度越高，所需派纳力越高。
（2）工程中常用Hollomon关系式描述应力-应变：
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S为真实应力，e真实应变，n应变硬化指数，K硬化系数，是真实应变等于1.0时的真实应力 |
应变硬化指数n可以反映金属抵抗均匀塑性变形的能力，n值越大，应变硬化效果越好[23]。应变硬化指数可以通过直线作图法求得，如图4.2。
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图 4.2 曲线 |
图中，，斜率即为所求n。
4.3 其他强化机制
固溶强化是指，溶质原子进入基体的晶格点阵中，造成点阵发生畸变，产生的畸变能能够抵抗外界的变形。有研究指出[9]在研究中指出奥氏体不锈钢在缓冷时将析出(Cr，Fe)碳化物，并发生奥氏体向铁素体的转变。这时缓冷至室温状态将获得[A F(Cr，Fe)C6]混合组织，使得材料耐腐蚀性降低。所以工业上常用水淬，快速冷却得到单相奥氏体。
细晶强化是指增加单位体积的晶粒数目，提高材料强度的方法。由霍尔佩奇公式可定：
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为材料的屈服强度，单个位错在金属中滑移时受到的晶格阻力，晶格阻力；K为常数，因材料的不同而取不同值；d 为平均晶粒尺寸 |
晶粒数目增加，晶界面积增大，晶界能够阻碍位错的滑移，从而提高材料强度。同时晶界的增加致使裂纹扩展的阻力增加，使晶界上杂质浓度降低，减轻沿晶脆性断裂倾向。
5 拟采用研究方法
本课题拟采用EDS与EBSD对试样进行成分分析与显微组织分析，用白光共聚焦显微镜研究断口表面组织，探究影响材料元素含量，晶粒数目和位错密度等因素对加工硬化的影响，解释加工硬化的微观机制与钢丝断裂之间的关系。并结合单向静拉伸实验,硬度测试获得材料物理性能数据，画出曲线，得到应变硬化指数n，通过应变硬化指数来评价材料的加工硬化能力。
6 总结
本课题所研究的医用钢丝相较于国外同类产品在使用效果上有差距，手术时需要借助工具才能剪断，国外产品则可以手工折断，大大方便了医护人员的操作。目前对医用材料特别是不锈钢的研究，大都偏向于改进材料表面，提高耐蚀性，减少致敏性等，鲜有研究者关注材料的加工硬化。另外，国外的Boston scientific，SIM Surgical等仍是主要高端优质医疗产品供应商，产品性能较国产更好的同时，价格也相对昂贵。综上，对316L不锈钢组织与性能的研究能够为医用不锈钢钢丝的工艺优化提供理论依据，促进产品国内同类产品优化，具有很高的研究价值与经济价值。
参考文献
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