热处理工艺对医用髋关节的影响范文

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摘要:

研究了医用髋关节坯料经过不同热处理后的力学性能、疲劳性能以及疲劳断口扩展断裂特性。结果表明:医用髋关节最优的热处理工艺是560℃加热4h，炉冷，抗拉强度925MPa，伸长率达11．3%，疲劳断裂周次达12773次。在最优热处理工艺条件下，医用髋关节低周疲劳稳态扩展主要为疲劳条带扩展，瞬断区表现为微区解理断裂。

关键词:

钛合金;髋关节;热处理;低周疲劳

我国虽然钛储量丰富，但在医用钛方面却相对滞后，无论在科研、设备、技术、工艺，还是在应用方面，与欧、美国家相差很大。钛和钛合金的密度小，和人骨的密度近似，强度大、无磁性、无毒性、弹性模量低、生物相容性好、耐蚀性能优异，是一种理想的医用植入物材料，骨科中主要用于制造各种人工关节、人工骨及各种内、外固定器械。但在具体使用过程中发生了很多问题，如植入物疲劳折断、手术中塑形困难等，这与材料的选择及力学、疲劳性能有很大关系［1-3］。国外外科植入物生产商通常采用的Ti-6Al-4VELI高损伤容限合金标准，目前国内还没有推广与应用。目前，医用股骨柄已经有相关的行业标准YY0117．1—2005《外科植入物骨关节假体锻、铸件—Ti6A14V钛合金锻件》，但是该标准没有疲劳性能方面的要求。因此，加强医用钛合金髋关节材料力学及疲劳性能的研究具有十分重要的科研和临床实用价值。国内王勤涛等［4-9］开展了不同热处理对TC4钛合金的疲劳性能及断裂模式的研究，但与之不同的是本文对特殊形状的髋关节医用钛材，通过髋关节加工后的基材进行不同热处理，研究其疲劳性能及断裂形式。

1试验方法及过程

试验材料选用TC4钛合金，将20mm的圆棒通过J58-630型模锻机锻造加工，锻造温度为950℃，变形量为32%，制成钛合金髋关节坯料如图1(a)所示。然后对相同的三批试样进行退火处理，1号试样不进行热处理，2号试样进行560℃×4h炉冷退火，3号试样进行960℃×1h(炉冷)+560℃×4h(炉冷)退火。根据GB/T3075—2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，疲劳圆棒试样的形状和尺寸如图1(b)所示，疲劳试样截取髋关节坯料的同一位置，如图1所示，在PWS-E20型疲劳试验机上进行，采用试验力控制方式，应力比R=－1，试验频率f=20Hz，中值为0kN，幅值9．14kN(80%屈服强度)，正弦波。在HitachiTM3000扫描电镜下进行疲劳断口的显微组织观察。

2试验结果及讨论

2．1拉伸及疲劳性能测试不同热处理制度的TC4钛合金的力学性能如表1所示。1号试样抗拉强度最大，韧性最差;2号试样抗拉强度稍有降低，但伸长率大幅提高;3号试样抗拉强度最低，韧性比1号有改善。表1也给出了不同热处理制度的TC4钛合金的低周疲劳循环周次，在相同的应力比和频率的作用下，未经热处理的1号试样断裂周次最小，只有1177次，而经过单级热处理的2号试样循环断裂周次最大，达到12773次，3号试样经过双极热处理的疲劳性能介于两者之间。

2．2疲劳断口扫描图2分别给出了1～3号试样疲劳断口扫描形貌。由图2(a～c)可以看出，2号、3号试样有明显的疲劳条带，而1号样品没有形成疲劳条带，并不是在所有的疲劳断口上都能观察到疲劳条带，材料的静拉伸强度越高，越不容易出现疲劳条带，韧度较高的材料容易生成疲劳条带［10］。1号试样没有经过热处理，韧度较低，且在低周疲劳试验中，所加载的应力较大，达到屈服强度的80%，在这种大的加载力作用下且材料的韧性较差，当应力交变循环时，宏观剪切唇区断口呈45°，剪切唇区的剪切力对基体的剪切作用造成的应力累积，这种应力集中对材料的破坏当超过基体的强度极限时，材料就在剪切力的作用下开始裂纹萌生，而且萌生及扩展阶段十分短暂，接着就发生断裂，由图2(a)可以看出，“剪切”唇断裂区域表面十分平滑，呈现被剥离的状态。而2号、3号试样产生了明显的疲劳条带特征，但是疲劳条带参差不齐，不规则，表面很粗糙，疲劳条带方向不一致，这是由于晶粒取向差异、应力累积以及拉-压加载方式造成的。由图3(a)、(b)可以看出，2号、3号试样在相同的放大倍数时，2号试样的疲劳条带宽度为14．1/5=2．82μm，3号试样表现出的疲劳条带宽度9．9/5=1．98μm，与图2(b)、(c)疲劳条带宽度一致，2号样的疲劳条带宽于3号样，但是宽度差别不大。另外，3号样虽然疲劳条带较窄，疲劳断口微观形貌中可以观察到样品还有很多缺陷裂纹，这些缺陷有的沿着疲劳条带的方向存在，有的在晶粒之间存在，使整个断口组织不均匀分布，由于这种缺陷和疲劳条带的“协同作用”，降低了3号样品的疲劳性能。在相同加载力的作用下，3号基体的静强度较低。因此，每一次加载循环力对基体的作用较大，产生了疲劳条带以及缺陷两种表现形式。这就能说明2号试样的疲劳性能较3号性能好，和表2所示3号试样的断裂循环周次小于2号的断裂周次结果相一致。低周疲劳过程中，由于载荷较大，在瞬时断裂区，裂纹的扩展断裂阶段呈现出较为复杂的断裂模式［11］，由图2(d～f)可以看出，在瞬时断裂区，主要体现为准脆性断裂失效模式，没有出现韧窝、塑性微空洞以及晶界塑性变形等形貌，1号、3号试样的断口出现明显的穿晶准脆性断裂，1号试样晶界断裂区不连续，呈现出整块被剥离的穿晶断裂，正由于这些断裂区不连续，高低起伏很大，所以材料的疲劳性能较差。3号试样也是穿晶准脆性断裂，但是晶界间高低起伏不大，晶界断裂连续，连续的晶界能分散承担载荷，当循环载荷作用时，产生的应力集中被这种连续的晶界所弱化，因此，3号疲劳性能优于1号试样。2号试样呈微区解理断裂，晶界断裂不明显，在交变载荷的作用下，断裂时各晶粒均衡承担了载荷，所以断裂面由很多粗糙的小解理面组成，没有高低起伏的晶界断裂的趋势，所以2号试样的疲劳性能最好。

3结论

1)医用髋关节最优的热处理工艺是560℃×4h炉冷，抗拉强度为925MPa，伸长率11．3%，疲劳断裂周次达12773次。2)医用髋关节在最优热处理工艺条件下，低周疲劳过程中，裂纹扩展区主要为疲劳条带形式扩展，瞬断区表现为微区解理断裂。

作者：周娴 杨钢 周林 孙彦华 岳有成 单位：昆明冶金研究院