骨的力学性质实验：弯曲与压缩

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，中山大学工学院生物医学工程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1mmx1.3mm。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。性质肱骨尺骨桡骨股骨胫骨腓骨压极限强度（MPa）135117120170162125缩延伸率（%）弹性模量（GPa）1.90—2.00—2.00—1.8017.931.9019.822.1014.73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/T14452-93（三点弯曲)试样形状：板材试验日期：2013-11-2014:59:40试验时间：150.266663s试验速度：5mm/min跨距Ls：60mm试样宽度b：11.29mm试样高度h：10.37mm中山大学工学院生物医学工程最大力矩形试样抗弯强度σbb矩形试样弯曲弹性模量Eb矩形试样弯曲弹性模量Eb单位NMPaMPaMPa试样1439.52632.5821431.21731431.2173平均值439.52632.5821431.21731431.2173标准偏差(n)0.0000.0000.00000.0000骨头压缩实验数据：试样高度h:13.04mm，样品直径d：11.5mm0.00.10.20.30.40.50.60.70510152025303540应力/δ应变/ε骨头应力—应变曲线图中山大学工学院生物医学工程根据骨头弯曲压缩试验，结果表明：骨头抗弯强度σ为：32.582MPa,骨头弯曲弹性模量E为：1431.2173MPa,骨头的比例极限σp为:35MPa,其屈服应力σs为：38MPa。[讨论]在弯曲试验中，骨头的弯曲弹性模量E为：1431.2173MPa，在受力范围0~439.526N的范围内，忽略骨头材料本身的不规则行所带来的影响，可以认为，骨头材料收到的应力—应变成正比例分布，在此范围内，骨头的弹性模量最大；在达到骨头受力的最高点时，受力开始下降，这是由于骨头材料开始出现断裂的情况，直到后来受力的突然降低到0N，骨头全部断裂。由于骨头材料本身的不规则形状，使得骨头尺寸的测量，骨头位置的固定都会出现一定程度上的误差，所以应力—应变曲线并非准确的线性曲线，但是在误差的范围内是允用的。其次，在骨头压缩实验中，骨头材料的压缩应力—应变图并没有像其他刚性材料的应力—应变图那样（例如低碳钢压缩，应力随着应变的增大，显示快速增加，达到屈服应力的时候，应力随应变增加的速度会换换变慢），在本次试验中，在应力为35MPa之间的阶段，应力随应变正比例的增加，在达到屈服应力的阶段后，应力不在增加，反而出现了下降的状态，这可能是由于骨头属于一个中空的结构，在后期的压缩过程中，骨头发生纵向的崩裂，成为一小块一小块的碎骨片，因此没有出现其他实心材料那样的压缩效果图。