骨的力學(xué)性質(zhì)實驗：彎曲與壓縮

中山大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程《生物力學(xué)》課程實驗報告學(xué)院： 專業(yè)： 年級：實驗人姓名： 學(xué)號：同組實驗人姓名：日期： 室溫： 相對濕度：骨的力學(xué)性質(zhì)實驗：彎曲與壓縮[實驗?zāi)康腯1、了解熟悉材料彎曲、壓縮的測試條件、測試原理以及操作；2、通過對骨頭的彎曲以及壓縮試驗，進一步了解骨頭材料的力學(xué)性能。[儀器用具]骨頭，游標卡尺，鋼尺，三點彎曲試驗機，壓縮試驗機[原理概述]骨的主要成分是有機質(zhì)、無機鹽和水。在干骨中有機質(zhì)占重量的35%，無機鹽占65%，但在濕骨中，有機質(zhì)約占其重量的22%，無機鹽占46%，水占32%。骨內(nèi)的有機質(zhì)主要包括膠原纖維，無定形基質(zhì)和三種骨細胞。膠原纖維由膠原蛋白分子組成，占骨內(nèi)有機質(zhì)的90%。無定形基質(zhì)約占骨內(nèi)有機質(zhì)的10%，其主要成分為糖—蛋白質(zhì)復(fù)合物。骨內(nèi)有機物除了膠原纖維和無定形基質(zhì)以外，還有四種骨組織細胞:骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和破骨細胞。這四種細胞在不同的生物力學(xué)環(huán)境中能相互轉(zhuǎn)化，互相配合而吸收舊骨質(zhì)，產(chǎn)生新骨質(zhì)。就密度而言，骨可以分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨是兩種疏松度差別很大的材料，所謂疏松度是指骨骼內(nèi)非礦化（非骨性）組織所占的比例。密質(zhì)骨的疏松度為5%~30%，而松質(zhì)骨則為30%~90%。兩者的力學(xué)性能差異很大。首先，密質(zhì)骨強度高，但變形能力差，變形超過2%就會產(chǎn)生斷裂；松質(zhì)骨強度低但變形可達7%左右，其次，由于松質(zhì)骨具有孔狀結(jié)構(gòu)，因而具有較高的能量儲存能力。松質(zhì)骨內(nèi)膠原纖維的排列雖然看似紛亂，但并非無序，它是根據(jù)主要的受力狀態(tài)沿著柱應(yīng)力的方向排列，形成優(yōu)化的受力結(jié)構(gòu)，以最少的材料承受最大的外部負載。密質(zhì)骨一般位于骨的外層，松質(zhì)骨位于骨的內(nèi)層。以長骨為例，其骨干是一層厚壁而中空的圓柱體，中央的骨髓腔充滿骨髓，厚壁為密質(zhì)骨；長骨的兩端主要由松質(zhì)骨組成，周圍附以由密質(zhì)骨構(gòu)成的薄層皮質(zhì)。骨是有生命的器官，這是它與其他工程材料相比的最大的特點。首先，骨的生長、發(fā)育、再造和吸收與其力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。為了適應(yīng)不斷變化的力學(xué)環(huán)境，骨在不斷地進行結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改建和塑形。其次，骨的狀態(tài)影響其力學(xué)性質(zhì)，例如，新鮮骨經(jīng)過干燥、部分脫水后的干骨相比，拉伸、壓縮強度、彈性模量等參數(shù)都不同。干骨應(yīng)變達到0.4%一般就被破壞了，而新鮮骨的破壞應(yīng)變可達12%。骨與工程材料相比的第二個特點：骨是非均勻的、各向異性的復(fù)合材料，骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復(fù)合材料，表現(xiàn)出不均勻性和各向異性。骨所承受的外力來自于自身重力，即地球引力、肌群收縮力、肌張力、外力和各種運動產(chǎn)生的力等。骨的受力有以下幾種基本方式:拉伸力、壓縮力、剪切力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力以及復(fù)合受力方式。在本次試驗中，主要是研究了骨在彎曲以及壓縮的受力方式下的力學(xué)性能。首先的是骨的彎曲試驗，骨在與軸垂直方向上受力會產(chǎn)生彎曲變形，骨的彎曲實驗比軸向拉伸或壓縮以及剪切實驗困難，因為在彎曲時的應(yīng)力有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，而且它們都是非均勻分布的。骨的彎曲實驗分為整骨（長骨）和試樣兩種。通過實驗可測定骨承受彎曲時各橫截面上的正應(yīng)力分布、彎曲強度和撓度。對于長骨的整骨彎曲實驗，將骨簡化為等厚的橢圓環(huán)行橫截面的直桿。實際上任何長骨都木是直的，且橫截面的變化都很大，也不等厚；而且在彎曲實驗時，將伴隨著扭轉(zhuǎn)，實驗中一般用骨水泥固定骨的兩端（邊界夾持），可以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。由于骨是由密質(zhì)骨、松質(zhì)骨、血液、骨髓等物質(zhì)組成，因此，整骨彎曲實驗只能反映整骨的抗彎力學(xué)性能。骨彎曲實驗的標準試樣的橫截面多為矩形，試樣長和截面的高和寬的尺寸選取不一，長度10~80mm，寬度2.5~3.6mm，高1.2~2.5mm。實驗條件和方法對測得的彎曲強度極限、最大撓度和彈性模量等有著不同程度的影響。用整骨實驗和骨試樣實驗測得的彎曲強度極限不同，例如對肱骨，整骨實驗的彎曲強度極限為143.6MPa，而用試樣的實驗結(jié)果為195MPa。標準試樣選自同一骨的不同部位，測得的彎曲強度也不同。試樣的方向性對彎曲強度也有較大的影響，平行于骨軸方向的試樣其彎曲強度顯著大于垂直于骨軸的試樣。整骨實驗測得人體濕骨的彎曲力學(xué)性質(zhì)，實驗結(jié)果表明，彎曲破壞載荷以股骨最高，而且破壞發(fā)生在彎曲拉應(yīng)力一側(cè)；彎曲強度以尺、橈骨最高；彈性模量以股骨最高；最大撓度為腓骨，而在本實驗中，所用材料為豬的肋骨。三點彎曲實驗是材料性能測試中常采用的一種方法,通過該方法可以方便的獲得材料的彎曲強度和彎曲模量。實驗示意圖如下：最大力矩形試樣抗彎強度σbb矩形試樣彎曲彈性模量Eb矩形試樣彎曲彈性模量Eb單位NMPaMPaMPa試樣1439.52632.5821431.21731431.2173平均值439.52632.5821431.21731431.2173標準偏差(n)0.0000.0000.00000.0000骨頭壓縮實驗數(shù)據(jù)：試樣高度h:13.04mm，樣品直徑d：11.5mm根據(jù)骨頭彎曲壓縮試驗，結(jié)果表明：骨頭抗彎強度σ為：32.582MPa,骨頭彎曲彈性模量E為：1431.2173MPa,骨頭的比例極限σp為:35MPa,其屈服應(yīng)力σs為：38MPa。[討論]在彎曲試驗中，骨頭的彎曲彈性模量E為：1431.2173MPa，在受力范圍0~439.526N的范圍內(nèi)，忽略骨頭材料本身的不規(guī)則行所帶來的影響，可以認為，骨頭材料收到的應(yīng)力—應(yīng)變成正比例分布，在此范圍內(nèi)，骨頭的彈性模量最大；在達到骨頭受力的最高點時，受力開始下降，這是由于骨頭材料開始出現(xiàn)斷裂的情況，直到后來受力的突然降低到0N，骨頭全部斷裂。由于骨頭材料本身的不規(guī)則形狀，使得骨頭尺寸的測量，骨頭位置的固定都會出現(xiàn)一定程度上的誤差，所以應(yīng)力—應(yīng)變曲線并非準確的線性曲線，但是在誤差的范圍內(nèi)是允用的。其次，在骨頭壓縮實驗中，骨頭材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變圖并沒有像其他剛性材料的應(yīng)力—應(yīng)變圖那樣（例如低碳鋼壓縮，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大，顯示快速增加，達到屈服應(yīng)力的時候，應(yīng)力隨應(yīng)變增加的速度會換換變慢）