Development of biodegradable Mg alloys

Development of biodegradable Mg alloys. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (M.Sc. Thesis)
M.Sc._Thesis_G201538290.pdf
Restricted to Repository staff only until 29 June 2020.

Download (3MB)

Arabic Abstract

التحديات التي واجهت استخدام المغنيسيوم كمعدن قابل للتحلل الحيوي لاستخدامه في عمليات الزرع الطبية ناشئ من معدل التحلل المرتفع له وتم التغلب عليها عن طريق خلطه مع معادن أخرى. تقوم هذه الرسالة بمهمة تطوير سبائك المغنيسيوم القابلة للتحلل الحيوي والتي تتكون من الزنك والكالسيوم والسيليكون والنحاس عن طريق عملية خلط المسحوق. في هذا الصدد سيتم استخدام مساحيق من الزنك والكالسيوم والسيليكون والنحاس ودراسة تأثيراتها على البنية الدقيقة والخواص الميكانيكية لسبيكة المغنيسيوم كجزء من هذا البحث. تم فحص هذه العناصر المختارة لهذه الرسالة للتأكد من توافقها الحيوي، من حيث السمية الحيوية وإثبات قابليتها للتحلل الحيوي من خلال مراجعة الأدبيات. يقتصر النطاق التجريبي لهذه الأطروحة على مجال المعالجة الميكانيكية لسبائك المغنيسيوم وتطويرها، وتوصيفها الميكانيكي والحيوي اللاحق. تمت دراسة تأثير اي عنصر من السبائك بشكل فردي على المغنيسيوم وذلك من خلال تطوير السبائك الثنائية ومن ثم تم تطوير سبائك المغنيسيوم ذات الرتبة العليا. أشارت النتائج بشكل عام إلى التوزيع الموحد لجميع العناصر المستخدمة في تصنيع السبيكة. لوحظ انتشار موحد من الزنك في مصفوفة المغنيسيوم على وجه الخصوص، في حين لوحظ أيضا مدى انتشار العناصر الاخرى ايضا في جسيم المغنيسيوم. تم تطوير Mg6Zn وMg0.4Ca وMg0.5Cu وMg1Si كسبائك ثنائية، منها Mg6Zn وMg0.5Cu واللتان كانتا عالية القوة والمرونة بشكل كبير بينما بقية السبائك الثنائية كانت أيضًا ذات قوة محسّنة مقارنةً بالمغنيسيوم غير المخلوط. تم العثور على قوة الشد القصوى للسبائك لتكون بالترتيب التالي: Mg6Zn > Mg0.5Cu > Mg0.4Ca > Mg1Si، في المقابل انخفضت قوة الضغط القصوى بالنسبة إلى Mg0.4Ca وMg1Si بالمقارنة مع المغنيسيوم غير المخلوط بينما أظهرت البقية تحسنا تحت ضغط قوى الضغط كذلك. حدث انخفاض عام في ليونة السبائك مقارنة بالمغنيسيوم. تم تطوير السبائك ذات الترتيب العالي المبنية على نظام ZX (Mg6Zn0.4Ca0.5Cuو Mg6Zn0.4Ca1Si وMg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si) بنجاح مع قوة محسّنة مقارنةً بالمغنيسيوم غير المخلوط. وقد وجد أن Mg6Zn0.4Ca0.5Cu لديه زيادة في مقاومة الشد للخضوع وقوة الشد القصوى في نهاية المطاف مقارنة مع المغنيسيوم غير المسبوك (92.4 ٪ و64.7 ٪ على التوالي) مع زيادة كبيرة في قوة الضغط كذلك. وفي الوقت نفسه، تم العثور على سبائك ZX المحتوية على السليكون بأعلى قوة إنتاجية ضاغطة (198.38 وMPa 192.55 ل Mg6Zn0.4Ca1Si وMg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si) على التوالي وقوة ضغط قصوى عالية للغاية مع زيادة متواضعة في قوة الشد وكذلك 56٪ و52.7٪ زيادة في قوة الشد القصوى لـ Mg6Zn0.4Ca1Si وMg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si على التوالي.

English Abstract

The challenges faced with the use of Mg as a biodegradable metal for medical implants resulting from its high degradation rate is overcome by alloying it with other metals. This Thesis carries out the task of the development of biodegradable Mg alloys consisting of Zn, Ca, Si and Cu via the powder mixing process route. The use of Zn, Ca, Si and Cu nano-powders in this respect and their effects on microstructure and mechanical properties of the Mg would be carried out as a part of this research. These elements chosen for this Thesis were vetted for their biocompatibility, in terms of their biotoxicity and proof of their biodegradability via literature review. The experimental scope of this Thesis has been limited to the area of the mechanical processing and development of the Mg alloys, and their subsequent mechanical and microstructural characterization. The effect of the individual alloying element on the Mg was studied via the development of binary alloys and thereafter higher order Mg alloys were developed. The results indicated the generally uniform distribution of all the alloying elements used. In particular, the uniform diffusion of Zn into the Mg matrix is observed while the extent of diffusion into the Mg particle by other elements were also observed. Mg6Zn, Mg0.4Ca, Mg0.5Cu and Mg1Si were developed as binary alloys, of which Mg6Zn and Mg0.5Cu were of significantly high strength and ductility while the rest of the binary alloys were also of improved strength compared to unalloyed Mg. The UTS of the alloys were found to be in the following order Mg6Zn>Mg0.5Cu>Mg0.4Ca>Mg1Si. In comparison, the UCS decreased for the Mg0.4Ca and Mg1Si as compared to unalloyed Mg while the rest showed improvement under compressive stress as well. A general decrease in ductility of the alloys occurred compared to Mg. Higher order alloys based on the ZX system (Mg6Zn0.4Ca0.5Cu, Mg6Zn0.4Ca1Si and Mg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si) were developed successfully with improved strength as compared to unalloyed Mg. It was found that Mg6Zn0.4Ca0.5Cu had an increased TYS and UTS compared to unalloyed Mg (92.4% and 64.7% increase respectively) with significant increase in compressive strength as well. Meanwhile, the ZX alloys containing Si were found to have the highest CYS (198.38 MPa and 192.55 for Mg6Zn0.4Ca1Si and Mg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si respectively) and high UCS while having a modest increase in tensile strength as well i.e. a 56% and 52.7% increase in UTS for Mg6Zn0.4Ca1Si and Mg6Zn0.4Ca0.5Cu1Si respectively.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Hassan, Syed Fida
Committee Members: Al-Aqeeli, Nasser and Nouari, Saheb
Depositing User: MIR THAUFEEQUL ISLAM (g201538290)
Date Deposited: 03 Jul 2019 10:27
Last Modified: 01 Nov 2019 21:01
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140989