骨的力学性质实验：弯曲与压缩 - 图文

中山大学工学院生物医学工程 《生物力学》课程实验报告 学院： 专业： 年级： 实验人姓名： 学号： 同组实验人姓名： 日期： 室温： 相对湿度： 骨的力学性质实验：弯曲与压缩 [ 实验目的 ] 1、了解熟悉材料弯曲、压缩的测试条件、测试原理以及操作； 2、通过对骨头的弯曲以及压缩试验，进一步了解骨头材料的力学性能。 [ 仪器用具 ] 骨头，游标卡尺，钢尺，三点弯曲试验机，压缩试验机 [ 原理概述 ] 骨的主要成分是有机质、无机盐和水。在干骨中有机质占重量的35%，无机盐占65%，但在湿骨中，有机质约占其重量的22%，无机盐占46%，水占32%。骨内的有机质主要包括胶原纤维，无定形基质和三种骨细胞。胶原纤维由胶原蛋白分子组成，占骨内有机质的90%。无定形基质约占骨内有机质的10%，其主要成分为糖—蛋白质复合物。骨内有机物除了胶原纤维和无定形基质以外，还有四种骨组织细胞:骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。这四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。 就密度而言，骨可以分为密质骨和松质骨，密质骨和松质骨是两种疏松度差别很大的材料，所谓疏松度是指骨骼内非矿化（非骨性）组织所占的比例。密质骨的疏松度为5%~30%，而松质骨则为30%~90%。 两者的力学性能差异很大。首先，密质骨强度高，但变形能力差，变形超过2%就会产生断裂；松质骨强度低但变形可达7%左右，其次，由于松质骨具有孔状结构，因而具有较高的能量储存能力。松质骨内胶原纤维的排列虽然看似纷乱，但并非无序，它是根据主要的受力状态沿着柱应力的方向排列，形成优化的受力结构，以最少的材料承受最大的外部负载。密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层。以长骨为例，其骨干是一层厚壁而中空的圆柱体，中央的骨髓腔充满骨髓，厚中山大学工学院生物医学工程 壁为密质骨；长骨的两端主要由松质骨组成，周围附以由密质骨构成的薄层皮质。 骨是有生命的器官，这是它与其他工程材料相比的最大的特点。首先，骨的生长、发育、再造和吸收与其力学环境密切相关。为了适应不断变化的力学环境，骨在不断地进行结构的适应性改建和塑形。其次，骨的状态影响其力学性质，例如，新鲜骨经过干燥、部分脱水后的干骨相比，拉伸、压缩强度、弹性模量等参数都不同。干骨应变达到0.4%一般就被破坏了，而新鲜骨的破坏应变可达12%。骨与工程材料相比的第二个特点：骨是非均匀的、各向异性的复合材料，骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料，表现出不均匀性和各向异性。骨所承受的外力来自于自身重力，即地球引力、肌群收缩力、肌张力、外力和各种运动产生的力等。骨的受力有以下几种基本方式:拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、扭转力以及复合受力方式。 在本次试验中，主要是研究了骨在弯曲以及压缩的受力方式下的力学性能。 首先的是骨的弯曲试验，骨在与轴垂直方向上受力会产生弯曲变形，骨的弯曲实验比轴向拉伸或压缩以及剪切实验困难，因为在弯曲时的应力有拉应力、压应力和剪应力，而且它们都是非均匀分布的。骨的弯曲实验分为整骨（长骨）和试样两种。通过实验可测定骨承受弯曲时各横截面上的正应力分布、弯曲强度和挠度。对于长骨的整骨弯曲实验，将骨简化为等厚的椭圆环行横截面的直杆。实际上任何长骨都木是直的，且横截面的变化都很大，也不等厚；而且在弯曲实验时，将伴随着扭转，实验中一般用骨水泥固定骨的两端（边界夹持），可以减少扭转效应。由于骨是由密质骨、松质骨、血液、骨髓等物质组成，因此，整骨弯曲实验只能反映整骨的抗弯力学性能。骨弯曲实验的标准试样的横截面多为矩形，试样长和截面的高和宽的尺寸选取不一，长度10~80mm，宽度2.5~3.6mm，高1.2~2.5mm。实验条件和方法对测得的弯曲强度极限、最大挠度和弹性模量等有着不同程度的影响。用整骨实验和骨试样实验测得的弯曲强度极限不同，例如对肱骨，整骨实验的弯曲强度极限为143.6MPa，而用试样的实验结果为195MPa。标准试样选自同一骨的不同部位，测得的弯曲强度也不同。试样的方向性对弯曲强度也有较大的影响，平行于骨轴方向的试样其弯曲强度显著大于垂直于骨轴的试样。整骨实验测得人体湿骨的弯曲力学性质，实验结果表明，弯曲破坏载荷以股骨最高，而且破坏发生在弯曲拉应力一侧；弯曲强度以尺、桡骨最高；弹性模量以股骨最高；最大挠度为腓骨，而在本实验中，所用材料为猪的肋骨。 三点弯曲实验是材料性能测试中常采用的一种方法,通过该方法可以方便的获得材料的弯曲强度和弯曲模量。实验示意图如下： 中山大学工学院生物医学工程 三点弯曲实验示意图 压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。松质骨的拉压性能远差于密质骨。骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。 骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图： 从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著减小（10%），极限应变显著减小（35%）。 中山大学工学院生物医学工程 不同的骨骼，包括肱骨、尺骨、桡骨、股骨、胫骨和腓骨等，所表现的压缩力学性质是不同的。下表中是有关肱骨、尺骨、桡骨、股骨、胫骨和腓骨压缩力学性能的实验值。 压 缩 性质 极限强度（MPa） 延伸率（%） 弹性模量（GPa） 肱骨 135 1.90 — 尺骨 117 2.00 — 桡骨 120 2.00 — 股骨 170 1.80 17.93 胫骨 162 1.90 19.82 腓骨 125 2.10 14.73 实验得出的人湿骨和干骨试样压缩实验结果显示，干骨切向和径向压缩强度极仅为63%和65%，而湿骨分别为82%和89%。湿骨和干骨的力学性质不同。对于拉伸和压缩强度特性、弹性模量以及硬度等，干骨均高于湿骨。骨头的压缩力学性质与加载速率有关。当拉伸实验中加载速度范围变化不大时，骨的加载速度对应力一应变关系影响不大，可以忽略不计。然而，如果加载速度足够大，例如快速冲击拉伸或者压缩时，则其应力一应变关系有明显的变化。 同上弯曲试验，本次的压缩试验中也是用猪的肋骨作为实验材料。 [ 实验步骤 ] 弯曲试验： （1）测量试样中间部分的直径d，测量三点取其算术平均值。 （2）根据试样断裂的负荷选择负荷范围。 （3）根据厚度选择跨度、速度和压头。 （4）将试样放于支座上固定，压头与试样应是线接触，并保证与试样宽度的接触线垂直于试样长度方向。 （5）开动实验机，自动生成实验报告，包括最大力，抗弯强度，弯曲弹性模量以及受力变化图。 压缩试验： （1）除非产品标准另有规定，否则试样应按GB2918进行状态调节实验。 （2）沿试样高度方向测量三处横截面尺寸计算平均值。 （3）把试样放在两压板之间，并使试样中心线与两压板中心连线重合，确保试样端面与压 板表面平行。调整实验机，使压板表面恰好与试样端面接触，并把此时定为测定形变的零点。 （4）根据材料的规定调整实验速度。若没有规定，则调整速度1mm/min。 （5）开动实验机。 [ 实验数据及数据处理 ] 骨头弯曲实验数据： 试验方案：金属弯曲力学性能试验方法（三计算标准：GB/T 14452-93（三点弯曲)试样形状：板材 试验日期：2013-11-20 14:59:40 试验时间：150.266663 s 试验速度：5 mm/min 跨距Ls：60 mm 试样宽度b：11.29 mm 试样高度h：10.37 mm