TC4钛合金脊柱螺钉失效分析

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1、第):卷第#期稀有金属)%%*年&月8/7C):FC#"GBH323=IJKH(LIMK(K343!(L2(N@C)%%*"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""!!"#钛合金脊柱螺钉失效分析王晓华!，刘安生，杜风贞（北京有色金属研究总院分析测试技术研究所，北京$%%%&&）摘要：!"#钛合金脊柱螺钉在植入人体后，在低于其预期寿命时，发生断裂失效。为了避免该材料在今后使用过程中发生异常断裂事故，有必要分析这一断裂失效的原因，为改

2、进材料的制备工艺提供必要的信息。为此本研究对这一生物材料断口作了扫描电镜观察及能谱分析，同时还作了化学成分分析与金相分析。结果发现断口处没有发生明显的塑性变形，且疲劳源、慢速和快速裂纹扩展区轮廓非常明显。认为该零件所用材料的冶金质量不是其失效原因，而疲劳断裂才是其真正的失效机制。关键词：失效分析；疲劳断裂；扫描电镜；植入材料中图分类号：!’$文献标识码：(文章编号：%)*&+,%,-（)%%*）%#+%*-.+%#在所有生物医用材料中，金属材料的应用最分析带来了较大的困难。经取样后，利用=240&#%早，目前在临床中

3、应用也最为广泛。金属材料作为扫描电镜进行断口形貌分析，采用8<>?<@A5B#$%*生物医用材料主要用来修复骨骼、关节、牙齿及血能谱仪进行合金成分分析，同时也对样品作了气体管等方面［$］。最初采用具有一定抗腐蚀性能的不锈含量分析、金相分析。钢，以后又发展了"/0"1合金，)%世纪#%年代将钛)结果与分析合金引入生物医学领域［)］，发现钛对人体无任何不)C$合金主成分分析将送检样品制成抛光的良反应，*%年代这一发现进一步被证实［.］，-%年代金相样品，采用扫描电镜能谱仪进行成分分析，其后钛作为外科植入材料得到了广泛的研

4、究、发展和成分分析结果列于表$。第一行列出了!"#钛合金应用［#，*］。!"#钛合金，由于具有很高的耐蚀性，很标准的规定值。发现样品的(7含量偏下限。（根据好的生物相容性［-］，较高的机械强度和较好的加工有关标准，合金成分的分析应以化学分析的结果为性能，被广泛用作外科修复材料［,］。准，能谱分析的结果只作参考）。本文对临床检查发现的!"#钛合金脊柱螺钉)C)气体含量分析钛合金对微量气体杂质的植入人体后发生的意外断裂进行了失效分析，特别含量是比较敏感的，特别是对氢、氧的含量，所以对植入体断口进行了扫描电镜（234）观察

5、及元素成必须对样品做气体含量分析。样品的氧含量、氢含分的能谱（352）分析，以期找出断裂原因，为今后量分析值列于表)，第一行列出了标准的规定值供的材料改进和临床应用提供参考依据。参考。经精确测定该失效钛合金植入体的氧含量、$材料与测试方法氢含量，发现均符合’D／!$.&$%0$::,“外科植入物!"#钛合金名义成分为：!60-(70#8，是一种用钛及钛合金加工材”标准的有关规定，说明该材"9#的两相钛合金，其室温拉伸强度达到:%)4;<，料本身的氢、氧两种元素含量符合使用要求，不是属于中等强度钛合金。该材料被加工成脊

6、柱螺钉植表!合金成分分析入人体脊柱，经过较短的使用时间后，在受到的载"#$%&$’()*(+,-,(.#.#%/+,+(0#%%(/+荷远低于设计允许的载荷下，却发生了不应发生的项目(7／E8／E!6／E断裂。由于处于人体内的特殊环境，断裂后不能立标准值*C*$-C*.C*$#C*余量即取出，受人体继续活动的影响，断裂面不断发生测量值*C-#C%余量相互摩擦，断裂面上的形貌特征受到损坏，给失效!收稿日期：)%%#+%:+)%；修订日期：)%%#+$%+)%作者简介：王晓华（$:*.+），女，辽宁人，学士，高级工程师；

7、研究方向：金属物理!通讯联系人（30O<67：>POCP/OCP>）2L)稀有金属&/卷!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!表!失效样品的氢、氧含量过-4)钛合金的断裂强度，而引起疲劳断裂的最高"#$%&!’#()*+,(-&(-.,//#0%12&.3&+04&(应力往往远低于静载荷下材料所能承受的强度极样品号!／"#／"限，就能造成材料的疲劳破坏。标准值$%&$$%$’$图*，)显示了疲

8、劳断裂中“轮胎痕迹”的典型特测量值$%$($%$$)征，表明该零件失效主要是因为疲劳断裂造成的。这种典型疲劳特征是由于疲劳裂纹的两边断口在循构成材料失效的原因。环应力的作用下作规则的反复顶撞时，面上的棱边在相对面上留下的印记，这种印记随着疲劳裂纹的&%*金相分析材料的性能与其微观组织紧密扩展，印记就规则地排列成行，形成所谓“轮胎痕相关，将送检样