Die Anwendung von nicht degradierbaren Implantaten zur Fixierung von Knochen nach Frakturen ist seit Anfang des 20. Jahrhunderts eine effektive Methode, um diese während der Regeneration zu unterstützen. Dabei werden vorrangig Komponenten eingesetzt, die keine knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen. Dazu zählen Schrauben, Stifte und Platten aus Titan oder Edelstahl, die nach Abschluss der Genesung am Knochen fixiert verbleiben oder durch einen zusätzlichen operativen Eingriff wieder entfernt werden. Diese schmerzhafte und aufwendige Doppelbelastung des zweiten Eingriffs ist für betroffene Patienten ein erheblicher Nachteil.
Aktuelle Forschungen laufen darauf hinaus, den operativen Aufwand für Mediziner und vor allem Patienten zu verringern. Dies ist möglich in dem resorbierbare Implantate zum Einsatz kommen, die vom Körper abgebaut werden, sobald sie ihre Funktion erfüllt haben. Ein zweiter Eingriff wäre somit nicht notwendig. Als metallischer Werkstoff bietet Magnesium für dieses Anwendungsgebiet vorteilhafte Eigenschaften und zieht immer mehr Aufmerksamkeit auf sich. Die gute Biokompatibilität, die knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften und die Möglichkeit der Resorption im menschlichen Körper, ermöglichen den Einsatz von speziellen Legierungen als degradierbare Implantate. Da Magnesium ein geringes elektrochemisches Potenzial aufweist und somit in wässrigen Medien sehr reaktiv ist, wird darauf hingearbeitet, das Korrosionsverhalten durch ausgewählte Legierungselemente besser steuern zu können. Ziel ist es, eine gleichmäßige Degradation des Implantates zu erhalten. Magnesiumlegierungen, die Gadolinium als Bestandteil enthalten, zeigten in bisherigen Untersuchungen eine deutlich verringerte Korrosionsrate und verbesserte mechanische Eigenschaften im Vergleich zu reinem Magnesium. Diese Legierung könnte ein vielversprechender Kandidat für medizinische Anwendungen sein.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Magnesium-Gadolinium-Legierung Mg4Gd auf bestimmte Eigenschaften und Verhaltensweisen zu untersuchen. Dabei steht der Nachweis im Vordergrund, ob die Legierung bei einer definierten Probengeometrie zu Spannungsrisskorrosion neigt. Untersucht wird dies mit einer statischen Last im elastischen Spannungsbereich. Kann Spannungsrisskorrosions nachgewiesen werden...
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Einteilung, Kennzeichen und Ursachen von Brüchen
2.2 Korrosion
2.2.1 Allgemeine Korrosionsmechanismen und Erscheinungsformen
2.2.2 Magnesiumkorrosion
2.3 Magnesium
2.3.1 Physiologische Bedeutung von Magnesium
2.3.2 Magnesiumlegierungen als Implantatwerkstoff
2.3.3 Gadolinium als Legierungselement
2.4 Prüfstand für den Nachweis von SpRK
2.5 Ausgangssituation
3 Methodik
3.1 Bestandsaufnahme
3.2 Anwendung des Rasterelektronenmikroskops
3.3 Chromsäurebehandlung der Drähte im T4 und as-drawn Zustand
3.4 Erstellung von aussagekräftigen Längsschliffen
3.5 Anwendung des Digitalmikroskops
4 Ergebnisse
4.1 REM gestützte Bruchflächenanalyse
4.1.1 Analyse der Drähte im as-drawn* und T4* Zustand
4.1.2 Analyse der Drähte im as-drawn und T4 Zustand
4.2 Restbruchflächen
4.3 Analyse der präparierten Magnesiumdrähte am Digitalmikroskop
5 Auswertung
5.1 Zeitstandkurve
5.2 Chromsäurebehandlung
5.3 Bruchflächenanalyse
5.4 Restbruchflächen
5.5 Gefügeuntersuchung
5.6 Ergebnis
6 Zusammenfassung
7 Ausblick
8 Anhang
8.1 Elektrochemische Spannungsreihe ausgewählter Metalle
8.2 Pourbaix-Diagramm von Magnesium
8.3 Daten aus Zeitstandversuch
8.4 Reaktionsgleichungen der Chromsäurebehandlung
8.5 Beispielprotokoll Zeitstandversuch
8.6 REM Aufnahmen
8.7 Sicherheitsdatenblatt Chromsäure
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Magnesium-Gadolinium-Legierung Mg4Gd auf ihre Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion (SpRK) unter statischer Last, um deren Eignung als resorbierbarer Implantatwerkstoff zu bewerten.
- Analyse des Bruchverhaltens von Mg4Gd-Drähten mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Untersuchung von Proben aus dem Zeitstandversuch im Vergleich zu Referenzproben aus dem Zugversuch
- Einfluss der T4-Wärmebehandlung und des as-drawn Zustands auf das Korrosionsverhalten
- Chemische Präparation der Bruchflächen mittels Chromsäure zur Entfernung von Korrosionsprodukten
- Gefügeanalyse und Bestimmung der Restbruchflächen zur Identifikation potenzieller SpRK-Merkmale
Auszug aus dem Buch
2.4 Prüfstand für den Nachweis von SpRK
Der in diesem Abschnitt erläuterte Prüfstand ermöglicht es, Werkstoffproben (Schrauben, Drähte, Wellen) auf Spannungsrisskorrosion zu untersuchen [Gar14]. Dabei wird die Probe einer statischen, einachsigen Last auf Zug, im elastischen Spannungsbereich des Werkstoffes, ausgesetzt. Der Prüfstand erlaubt eine bis zu 50 kg schwere Belastung der Probe. Eine Zeitmesseinheit ermittelt automatisch die Dauer bis zum Versagen und stellt diese auf einem Display dar. Die Probenhalter lassen sich je nach gegebener Geometrie austauschen und gewährleisten, dass eine gewissen Prüfstrecke im direkten Kontakt mit dem Elektrolyten ist. Somit befindet sich die Probe während der Belastungsphase in der Korrosionskammer. Der dort vorhandene Elektrolyt kann je nach Bedarf ruhend, oder in einer durch die Laborheizpumpe erzeugte Strömung mit der Prüfstrecke in Berührung kommen.
Die Temperatur des Elektrolyten lässt sich in beiden Zuständen einstellen. Die thermische Energie wird über ein Wärmetauscherprinzip auf den Elektrolyten, der mit dem Probenkörper in Kontakt steht, übertragen. Dadurch lassen sich Temperaturschwankungen, resultierend aus dem diskontinuierlichen Heizvorgang der Laborheizpumpe, minimieren. Um für möglichst reale Bedingungen bei der Untersuchung der Magnesiumdrähte zu sorgen, werden Einstellungen vorgenommen, die den Bedingungen im menschlichen Körper ähneln. Dadurch kann das Korrosionverhalten und die Neigung zu Spannungsrisskorrosion im direkten Einsatz am besten nachvollzogen werden. Als Elektrolyt wird in diesem Zusammenhang Ringeracetat-Lösung verwendet, welche in der Medizin als Blutersatz dient und dem Blut ähnelnde Eigenschaften besitzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Thematik der resorbierbaren Magnesiumimplantate und Definition der Forschungsfrage hinsichtlich der Spannungsrisskorrosionsneigung von Mg4Gd.
2 Grundlagen: Theoretische Erläuterung von Bruchmechanismen, Korrosionsarten bei Magnesium sowie die physiologische und werkstofftechnische Bedeutung von Magnesium-Gadolinium-Legierungen.
3 Methodik: Darstellung der Vorgehensweise bei der Datenerfassung, der REM-Untersuchung, der chemischen Reinigung der Proben sowie der metallographischen Längsschliffpräparation.
4 Ergebnisse: Detaillierte Auswertung der Bruchflächenanalysen sowie der Gefügeuntersuchungen der verschiedenen Drahtzustände nach dem Zeitstandversuch.
5 Auswertung: Diskussion der Erkenntnisse bezüglich der Korrosionsrate, des Einflusses der Wärmebehandlung und des tatsächlichen Versagensmechanismus der untersuchten Legierung.
6 Zusammenfassung: Zusammenfassende Bewertung, dass die Legierung Mg4Gd unter den gewählten Bedingungen nicht zu Spannungsrisskorrosion neigt, sondern ein duktiles bzw. sprödes Mischbruchverhalten zeigt.
7 Ausblick: Diskussion potenzieller Optimierungsmöglichkeiten der Legierung sowie weiterer notwendiger Untersuchungen zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit.
8 Anhang: Detaillierte Datenblätter, Diagramme, tabellarische Auswertungen der Zeitstandversuche und das Sicherheitsdatenblatt zur verwendeten Chromsäure.
Schlüsselwörter
Magnesium, Gadolinium, Mg4Gd, Spannungsrisskorrosion, SpRK, Korrosionsverhalten, Bruchflächenanalyse, Rasterelektronenmikroskop, REM, Längsschliff, Zeitstandversuch, Biodegradierbare Implantate, Legierung, Werkstofftechnik, Ringeracetat-Lösung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Versagensverhalten von Magnesiumdrähten der Legierung Mg4Gd unter statischer Zuglast in einer körperähnlichen Umgebung, um festzustellen, ob das Material zu Spannungsrisskorrosion neigt.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentral sind die Materialwissenschaft von Magnesiumlegierungen, spezifische Korrosionsmechanismen (insbesondere Lochkorrosion und SpRK), die Werkstoffprüfung sowie die mikroskopische Schadensanalyse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist der Nachweis, ob die Legierung Mg4Gd bei definierter Probengeometrie im elastischen Bereich zu Spannungsrisskorrosion neigt, was ihren Einsatz als resorbierbares Implantat verhindern würde.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Zum Einsatz kommen statische Zeitstandversuche, eine Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur Bruchflächenanalyse, eine chemische Oberflächenbehandlung mit Chromsäure und lichtmikroskopische Untersuchungen von Längsschliffen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Korrosion, die methodische Vorgehensweise zur Probenanalyse, die Darstellung der gewonnenen Ergebnisse aus den Versuchsreihen sowie deren wissenschaftliche Auswertung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Mg4Gd, Magnesiumlegierungen, Spannungsrisskorrosion, REM-Analyse, Zeitstandversuch, Korrosionsrate und Längsschliffpräparation.
Warum wird die Legierung Mg4Gd für Implantate untersucht?
Magnesium besitzt eine gute Biokompatibilität und knochenähnliche mechanische Eigenschaften. Die Legierung mit Gadolinium soll die Korrosionsrate senken und die Stabilität während der Heilungsphase verbessern.
Welches Ergebnis lieferte die Untersuchung der Bruchflächen?
Die Untersuchungen ergaben, dass kein Versagen durch Spannungsrisskorrosion vorlag. Das Versagen der Drähte wurde primär durch eine korrosive Querschnittsminderung aufgrund von Loch- und Muldenkorrosion verursacht.
- Quote paper
- Paul Konrad (Author), 2016, Rasterelektronenmikroskop (REM) Bruchflächenanalyse an Magnesiumdrähten zur Beweisführung von Spannungsrisskorrosion, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/364762
