熱處理工藝對醫(yī)用髖關(guān)節(jié)的影響范文

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摘要:

研究了醫(yī)用髖關(guān)節(jié)坯料經(jīng)過不同熱處理后的力學(xué)性能、疲勞性能以及疲勞斷口擴(kuò)展斷裂特性。結(jié)果表明:醫(yī)用髖關(guān)節(jié)最優(yōu)的熱處理工藝是560℃加熱4h，爐冷，抗拉強(qiáng)度925MPa，伸長率達(dá)11．3%，疲勞斷裂周次達(dá)12773次。在最優(yōu)熱處理工藝條件下，醫(yī)用髖關(guān)節(jié)低周疲勞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展主要為疲勞條帶擴(kuò)展，瞬斷區(qū)表現(xiàn)為微區(qū)解理斷裂。

關(guān)鍵詞:

鈦合金;髖關(guān)節(jié);熱處理;低周疲勞

我國雖然鈦儲量豐富，但在醫(yī)用鈦方面卻相對滯后，無論在科研、設(shè)備、技術(shù)、工藝，還是在應(yīng)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(qiáng)度大、無磁性、無毒性、彈性模量低、生物相容性好、耐蝕性能優(yōu)異，是一種理想的醫(yī)用植入物材料，骨科中主要用于制造各種人工關(guān)節(jié)、人工骨及各種內(nèi)、外固定器械。但在具體使用過程中發(fā)生了很多問題，如植入物疲勞折斷、手術(shù)中塑形困難等，這與材料的選擇及力學(xué)、疲勞性能有很大關(guān)系［1-3］。國外外科植入物生產(chǎn)商通常采用的Ti-6Al-4VELI高損傷容限合金標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)還沒有推廣與應(yīng)用。目前，醫(yī)用股骨柄已經(jīng)有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0117．1—2005《外科植入物骨關(guān)節(jié)假體鍛、鑄件—Ti6A14V鈦合金鍛件》，但是該標(biāo)準(zhǔn)沒有疲勞性能方面的要求。因此，加強(qiáng)醫(yī)用鈦合金髖關(guān)節(jié)材料力學(xué)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(nèi)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(guān)節(jié)醫(yī)用鈦材，通過髖關(guān)節(jié)加工后的基材進(jìn)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(jī)鍛造加工，鍛造溫度為950℃，變形量為32%，制成鈦合金髖關(guān)節(jié)坯料如圖1(a)所示。然后對相同的三批試樣進(jìn)行退火處理，1號試樣不進(jìn)行熱處理，2號試樣進(jìn)行560℃×4h爐冷退火，3號試樣進(jìn)行960℃×1h(爐冷)+560℃×4h(爐冷)退火。根據(jù)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(guān)節(jié)坯料的同一位置，如圖1所示，在PWS-E20型疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，采用試驗力控制方式，應(yīng)力比R=－1，試驗頻率f=20Hz，中值為0kN，幅值9．14kN(80%屈服強(qiáng)度)，正弦波。在HitachiTM3000掃描電鏡下進(jìn)行疲勞斷口的顯微組織觀察。

2試驗結(jié)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(xué)性能如表1所示。1號試樣抗拉強(qiáng)度最大，韌性最差;2號試樣抗拉強(qiáng)度稍有降低，但伸長率大幅提高;3號試樣抗拉強(qiáng)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(huán)周次，在相同的應(yīng)力比和頻率的作用下，未經(jīng)熱處理的1號試樣斷裂周次最小，只有1177次，而經(jīng)過單級熱處理的2號試樣循環(huán)斷裂周次最大，達(dá)到12773次，3號試樣經(jīng)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(qiáng)度越高，越不容易出現(xiàn)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(jīng)過熱處理，韌度較低，且在低周疲勞試驗中，所加載的應(yīng)力較大，達(dá)到屈服強(qiáng)度的80%，在這種大的加載力作用下且材料的韌性較差，當(dāng)應(yīng)力交變循環(huán)時，宏觀剪切唇區(qū)斷口呈45°，剪切唇區(qū)的剪切力對基體的剪切作用造成的應(yīng)力累積，這種應(yīng)力集中對材料的破壞當(dāng)超過基體的強(qiáng)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(kuò)展階段十分短暫，接著就發(fā)生斷裂，由圖2(a)可以看出，“剪切”唇斷裂區(qū)域表面十分平滑，呈現(xiàn)被剝離的狀態(tài)。而2號、3號試樣產(chǎn)生了明顯的疲勞條帶特征，但是疲勞條帶參差不齊，不規(guī)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(yīng)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(shù)時，2號試樣的疲勞條帶寬度為14．1/5=2．82μm，3號試樣表現(xiàn)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(xié)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(qiáng)度較低。因此，每一次加載循環(huán)力對基體的作用較大，產(chǎn)生了疲勞條帶以及缺陷兩種表現(xiàn)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(huán)周次小于2號的斷裂周次結(jié)果相一致。低周疲勞過程中，由于載荷較大，在瞬時斷裂區(qū)，裂紋的擴(kuò)展斷裂階段呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的斷裂模式［11］，由圖2(d～f)可以看出，在瞬時斷裂區(qū)，主要體現(xiàn)為準(zhǔn)脆性斷裂失效模式，沒有出現(xiàn)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(xiàn)明顯的穿晶準(zhǔn)脆性斷裂，1號試樣晶界斷裂區(qū)不連續(xù)，呈現(xiàn)出整塊被剝離的穿晶斷裂，正由于這些斷裂區(qū)不連續(xù)，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(zhǔn)脆性斷裂，但是晶界間高低起伏不大，晶界斷裂連續(xù)，連續(xù)的晶界能分散承擔(dān)載荷，當(dāng)循環(huán)載荷作用時，產(chǎn)生的應(yīng)力集中被這種連續(xù)的晶界所弱化，因此，3號疲勞性能優(yōu)于1號試樣。2號試樣呈微區(qū)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(dān)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(jié)論

1)醫(yī)用髖關(guān)節(jié)最優(yōu)的熱處理工藝是560℃×4h爐冷，抗拉強(qiáng)度為925MPa，伸長率11．3%，疲勞斷裂周次達(dá)12773次。2)醫(yī)用髖關(guān)節(jié)在最優(yōu)熱處理工藝條件下，低周疲勞過程中，裂紋擴(kuò)展區(qū)主要為疲勞條帶形式擴(kuò)展，瞬斷區(qū)表現(xiàn)為微區(qū)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