骨的力学性质实验：弯曲与压缩

1、骨的力学性质实验：弯曲与压缩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

2、质的10%其主要成分为糖一蛋白质复合物。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%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

3、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

4、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，

5、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1080mm宽度2.53.6mm,高1.22.5mm。实验条件和方法对

6、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

7、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: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 1519岁年龄组外，不同性别

8、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%。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F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（MPa135117120170162125缩延伸率（%1.902.002.001.801.902.10弹性模量（GPa17.9319.8214.73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唏口 65%而湿骨分别为82呀口 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

9、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

10、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 (二点弯曲)试样形状：板 试验日期：2013-11-20 14:59:40试验时

11、1s试验速度：5 mm/跨距Ls: 60 mm试样宽试样高度h: 10.37 mm阪材间:150.266663min度 b: 11.29 mni最大力矩形试样抗弯强度a bb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1439.526 :32.5821431.21731431.2173平均值439.526 :32.5821431.21731431.2173标准偏差(n)0.0000.0000.00000.0000i I.M4II 47. n479.79.14300,36J 1*326 2.883 3.852 4.815 5.778 fi.T41 7. 7C4

12、 乱陆丁 9-6310, &94 11.557 12.52 IX 483骨头压缩实验数据： 试样高度 h： 13.04mm 样品直径 d: 11.5mm根据骨头弯曲压缩试验，结果表明：骨头抗弯强度(7为：32.582MPa,骨头弯曲弹性模量E为:1431.2173MPa,骨头的比例极限 7 p为:35MPa，其屈服应力 7 s为：38MPa讨论在弯曲试验中，骨头的弯曲弹性模量 E为：1431.2173MPQ在受力范围0439.526N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一应变成正比例分布， 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，所以应力一应变曲线 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 应力一应变图并没有像其他刚性材料的应力