近年来,镁合金由于其突出的生物降解性(易降解为Mg2+被人体吸收,免于二次手术)、生物相容性(降解的Mg2+不会对组织细胞造成毒害作用)及弹性模量、密度等与人骨相近等特点,成为了能够替代不锈钢、钛合金等传统金属材料的医用骨科材料,已逐渐在生物材料领域崭露头角并快速发展起来。但由于镁是一种性质较活泼的金属,其在人体内降解速度过快可导致骨组织的愈合不完全,从而影响植入效果。因此,本文主要采用将适量的合金化元素添加到纯镁中的方法及合适的热处理手段来改善合金在人体组织环境中的降解速率。在进行具体的实验操作之前,首先对我们设计的合金体系进行了热力学计算,以预测合金中可能出现的相、相组成以及相组成随温度变化而做出的相转变情况,即可进一步判断合金的热处理温度,这为后续的实验奠定了一定的理论基础。接下来利用X射线衍射仪(XRD)分析相结构、检测基体相和确定析出相,通过金相显微镜观察合金的微观组织形貌,结合扫描电镜-能谱(SEM-EDS)观察合金的显微织构并分析合金中各元素含量。将铸态及热处理态的镁合金试样(Mg-0.8Ca-xNd体系)浸没到模拟体液中,通过析氢、失重以及电化学实验确定耐蚀性最优的合金系。最后进行硬度测试分析合金的力学性能。实验结果如下:(1)采用 Thermo-Calc 热力学计算软件计算出 Mg-0.8Ca-xNd(x=0.5,1.0,1.5 wt.%)合金体系的二元相图、垂直截面图、基于Scheil-Gulliver模型的凝固曲线以及平衡时相分数随温度变化曲线(NPM图)以确定析出相的数量、成分及各个相的相转变温度。冋时,利用布拜图预测合金的腐蚀产物为Mg(OH)2,Ca(OH)2和Nd(OH)3。通过上述计算结果可知,铸态镁合金是由α-Mg,Mg2Ca及Mg41Nd5这三相构成,随着凝固时间的延长,这三相的析出顺序为 Liquid→Liquid+α-Mg→α-Mg+Mg2Ca→α-Mg+Mg2Ca+Mg41Nd5。(2)Mg-0.8Ca-xNd(x=0.5,1.0,1.5 wt.%)合金是由高精度控温的井式电阻炉熔炼而成,经过XRD测试表明铸态及热处理态的合金试样均是由α-Mg相和少量的Mg2Ca、Mg41Nd5相组成,由金相显微镜及扫描电镜观察到随着Nd含量的增加,镁合金晶界逐渐清晰,晶粒细化明显,且析出相逐渐增多并分布在晶界处以及晶粒内部,结合能谱确定了灰黑色基体相为α-Mg相,亮白色相为α-Mg+Mg2Ca+Mg41Nd5共晶组织。将实验结果与热力学计算结果相结合确定了热处理工艺,经过固溶处理后发现合金内部除了基体外还存在极少的化合物,可能是由于冷速过慢导致。随着时效时间的不断增加,分布在晶粒内部及晶界处的析出相逐渐清晰,经EDS分析为Mg,Ca和Nd三种元素组成的化合物。(3)通过析氢、失重实验绘制的腐蚀速率曲线可以看出,在铸态Mg-0.8Ca-xNd合金系中,Mg-0.8Ca-0.5Nd合金的析氢、失重速率最低,为 0.4472 mg·cm-2·h-1,仅为腐蚀速率最高的Mg-0.8Ca-1.0Nd 合金的 2/5,并且在 37℃的 SBF(Simulated body fluid)溶液中浸泡了 18 h后腐蚀速率达到最大值,随后缓慢下降直至趋于稳定。当合金经过热处理之后,析氢、失重速率得到明显改善,特别对于固溶16h+时效8h的合金试样,其在模拟体液当中的腐蚀速率较铸态下降了 78%,极大地增强了合金耐蚀性。(4)电化学测试表明,随着Nd含量的增加,三组铸态合金的腐蚀电流密度先增大后减小,分别为 0.038 mA.cm-2,0.259 mA·cm-2,0.039 mA.cm-2,即 Mg-0.8Ca-1.0Nd 合金的腐蚀速率最高。由Nyquist图和Bode图可以看出Mg-0.8Ca-0.5Nd合金在Hank’s模拟体液中反应的阻力最小,耐蚀性最强。(5)力学性能测试结果表明,三组铸态合金的硬度随着Nd含量的增加而变大,Mg-0.8Ca-1.5Nd合金达到最大值为58.2 HV。这是由于添加了少量稀土元素Nd之后,形成了固溶强化效应。