熱處理工藝對醫用髖關節的影響范文

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摘要:

研究了醫用髖關節坯料經過不同熱處理后的力學性能、疲勞性能以及疲勞斷口擴展斷裂特性。結果表明:醫用髖關節最優的熱處理工藝是560℃加熱4h，爐冷，抗拉強度925MPa，伸長率達11．3%，疲勞斷裂周次達12773次。在最優熱處理工藝條件下，醫用髖關節低周疲勞穩態擴展主要為疲勞條帶擴展，瞬斷區表現為微區解理斷裂。

關鍵詞:

鈦合金;髖關節;熱處理;低周疲勞

我國雖然鈦儲量豐富，但在醫用鈦方面卻相對滯后，無論在科研、設備、技術、工藝，還是在應用方面，與歐、美國家相差很大。鈦和鈦合金的密度小，和人骨的密度近似，強度大、無磁性、無毒性、彈性模量低、生物相容性好、耐蝕性能優異，是一種理想的醫用植入物材料，骨科中主要用于制造各種人工關節、人工骨及各種內、外固定器械。但在具體使用過程中發生了很多問題，如植入物疲勞折斷、手術中塑形困難等，這與材料的選擇及力學、疲勞性能有很大關系［1-3］。國外外科植入物生產商通常采用的Ti-6Al-4VELI高損傷容限合金標準，目前國內還沒有推廣與應用。目前，醫用股骨柄已經有相關的行業標準YY0117．1—2005《外科植入物骨關節假體鍛、鑄件—Ti6A14V鈦合金鍛件》，但是該標準沒有疲勞性能方面的要求。因此，加強醫用鈦合金髖關節材料力學及疲勞性能的研究具有十分重要的科研和臨床實用價值。國內王勤濤等［4-9］開展了不同熱處理對TC4鈦合金的疲勞性能及斷裂模式的研究，但與之不同的是本文對特殊形狀的髖關節醫用鈦材，通過髖關節加工后的基材進行不同熱處理，研究其疲勞性能及斷裂形式。

1試驗方法及過程

試驗材料選用TC4鈦合金，將20mm的圓棒通過J58-630型模鍛機鍛造加工，鍛造溫度為950℃，變形量為32%，制成鈦合金髖關節坯料如圖1(a)所示。然后對相同的三批試樣進行退火處理，1號試樣不進行熱處理，2號試樣進行560℃×4h爐冷退火，3號試樣進行960℃×1h(爐冷)+560℃×4h(爐冷)退火。根據GB/T3075—2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》，疲勞圓棒試樣的形狀和尺寸如圖1(b)所示，疲勞試樣截取髖關節坯料的同一位置，如圖1所示，在PWS-E20型疲勞試驗機上進行，采用試驗力控制方式，應力比R=－1，試驗頻率f=20Hz，中值為0kN，幅值9．14kN(80%屈服強度)，正弦波。在HitachiTM3000掃描電鏡下進行疲勞斷口的顯微組織觀察。

2試驗結果及討論

2．1拉伸及疲勞性能測試不同熱處理制度的TC4鈦合金的力學性能如表1所示。1號試樣抗拉強度最大，韌性最差;2號試樣抗拉強度稍有降低，但伸長率大幅提高;3號試樣抗拉強度最低，韌性比1號有改善。表1也給出了不同熱處理制度的TC4鈦合金的低周疲勞循環周次，在相同的應力比和頻率的作用下，未經熱處理的1號試樣斷裂周次最小，只有1177次，而經過單級熱處理的2號試樣循環斷裂周次最大，達到12773次，3號試樣經過雙極熱處理的疲勞性能介于兩者之間。

2．2疲勞斷口掃描圖2分別給出了1～3號試樣疲勞斷口掃描形貌。由圖2(a～c)可以看出，2號、3號試樣有明顯的疲勞條帶，而1號樣品沒有形成疲勞條帶，并不是在所有的疲勞斷口上都能觀察到疲勞條帶，材料的靜拉伸強度越高，越不容易出現疲勞條帶，韌度較高的材料容易生成疲勞條帶［10］。1號試樣沒有經過熱處理，韌度較低，且在低周疲勞試驗中，所加載的應力較大，達到屈服強度的80%，在這種大的加載力作用下且材料的韌性較差，當應力交變循環時，宏觀剪切唇區斷口呈45°，剪切唇區的剪切力對基體的剪切作用造成的應力累積，這種應力集中對材料的破壞當超過基體的強度極限時，材料就在剪切力的作用下開始裂紋萌生，而且萌生及擴展階段十分短暫，接著就發生斷裂，由圖2(a)可以看出，“剪切”唇斷裂區域表面十分平滑，呈現被剝離的狀態。而2號、3號試樣產生了明顯的疲勞條帶特征，但是疲勞條帶參差不齊，不規則，表面很粗糙，疲勞條帶方向不一致，這是由于晶粒取向差異、應力累積以及拉-壓加載方式造成的。由圖3(a)、(b)可以看出，2號、3號試樣在相同的放大倍數時，2號試樣的疲勞條帶寬度為14．1/5=2．82μm，3號試樣表現出的疲勞條帶寬度9．9/5=1．98μm，與圖2(b)、(c)疲勞條帶寬度一致，2號樣的疲勞條帶寬于3號樣，但是寬度差別不大。另外，3號樣雖然疲勞條帶較窄，疲勞斷口微觀形貌中可以觀察到樣品還有很多缺陷裂紋，這些缺陷有的沿著疲勞條帶的方向存在，有的在晶粒之間存在，使整個斷口組織不均勻分布，由于這種缺陷和疲勞條帶的“協同作用”，降低了3號樣品的疲勞性能。在相同加載力的作用下，3號基體的靜強度較低。因此，每一次加載循環力對基體的作用較大，產生了疲勞條帶以及缺陷兩種表現形式。這就能說明2號試樣的疲勞性能較3號性能好，和表2所示3號試樣的斷裂循環周次小于2號的斷裂周次結果相一致。低周疲勞過程中，由于載荷較大，在瞬時斷裂區，裂紋的擴展斷裂階段呈現出較為復雜的斷裂模式［11］，由圖2(d～f)可以看出，在瞬時斷裂區，主要體現為準脆性斷裂失效模式，沒有出現韌窩、塑性微空洞以及晶界塑性變形等形貌，1號、3號試樣的斷口出現明顯的穿晶準脆性斷裂，1號試樣晶界斷裂區不連續，呈現出整塊被剝離的穿晶斷裂，正由于這些斷裂區不連續，高低起伏很大，所以材料的疲勞性能較差。3號試樣也是穿晶準脆性斷裂，但是晶界間高低起伏不大，晶界斷裂連續，連續的晶界能分散承擔載荷，當循環載荷作用時，產生的應力集中被這種連續的晶界所弱化，因此，3號疲勞性能優于1號試樣。2號試樣呈微區解理斷裂，晶界斷裂不明顯，在交變載荷的作用下，斷裂時各晶粒均衡承擔了載荷，所以斷裂面由很多粗糙的小解理面組成，沒有高低起伏的晶界斷裂的趨勢，所以2號試樣的疲勞性能最好。

3結論

1)醫用髖關節最優的熱處理工藝是560℃×4h爐冷，抗拉強度為925MPa，伸長率11．3%，疲勞斷裂周次達12773次。2)醫用髖關節在最優熱處理工藝條件下，低周疲勞過程中，裂紋擴展區主要為疲勞條帶形式擴展，瞬斷區表現為微區解理斷裂。

作者：周嫻 楊鋼 周林 孫彥華 岳有成 單位：昆明冶金研究院