初次承重引发骨水泥柄界面脱粘损伤的分析(3)

1.5 主要观察指标 脱粘过程中骨水泥和钛合金柄的应力、界面粘黏结力及能量释放量，以及骨水泥裂纹形成和扩展。

1.6 统计学分析 全部采用SPSS 13.0统计软件对数据进行统计学处理，数据的格式均以±s表示，数据采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

2 结果 Results

2.1 骨水泥-柄界面力学及损伤过程分析 如图2所示，当载荷为2 021.42 N时，点a为骨水泥-柄界面屈服载荷点，骨水泥受内外压缩比例极限应力对应的声发射能量为7 985 J/s，a点之前为脱粘阶段，当载荷达到2 341.12 N时，点b为骨水泥的弹性极限，而对应的能量损失为10 789 J/s，从点a到点b的阶段为骨水泥弹性变形阶段，至此骨水泥-柄界面脱粘进入劈裂阶段。点c为剪切应力失效点，此时骨水泥对柄的径向约束失效。从c到d为锯齿状屈服阶段，该过程骨水泥内部微裂纹继续扩张，因钛合金的径向压力增大，使得骨水泥圆筒内部裂纹被压实，导致钛合金的箍筋力增强。从d点开始，骨水泥对金属柄的黏结特性完全失效。从d点到f点为骨水泥对金属柄约束的增强阶段，该过程材料损伤较小并逐步达到损伤后新的箍紧力平衡状态[1，10]。至此之后，骨水泥-柄界面的约束为摩擦约束，而骨水泥椁也由原来的应力挤压改为股骨内腔和柄界面的双剪切应力对材料的破坏，通过CT图像可以发现，骨水泥椁内中间区域形成因微裂纹形成的密度较低的损伤带。骨水泥-柄界面损伤(图2)表面，界面初始为胶接失效阶段。随着载荷增加，界面黏着逐渐失效，当载荷达到2 021.42 N时，界面脱粘失效，而后钛合金柄进一步压缩，并对骨水泥椁进行压缩，导致骨水泥径向压力增大。

由局部力学得出，随着荷载增大，第1位置和第4位置处出现柄内应力的2个峰值，这主要因加载近端骨水泥的约束增大，界面的黏结力增大，使得钛合金柄在近端位置出现应力集中现象。而在第4位置出现的应力峰值，主要是由自由端附近的峰值是支座附近垂直压力作用引起钛合金柄与骨水泥间抵抗滑动摩擦阻力增大产生的。从第1到第4位置处的滑移量是逐渐减小的，当载荷较小时滑移量几乎为一条平行线，而随载荷的逐渐增大，该线斜率不断增大，同时压出构件的变形加剧，压力拱效应朝自由端偏移，这就导致了黏结应力峰值往自由端移动。

2.2 钛合金柄界面损伤分析 图3揭示实验前后金属三维表面形貌，实验前金属表面较为平整，粗糙度为(0.) μm；脱粘后，金属近段埋置区域形成较为明显的(4.) μm沟痕，粗糙度为(0.) μm，而柄表面中段区域则形成凹凸不平的峰谷形貌，峰谷差为(2.) μm，粗糙度为(0.) μm，远段区域也存在峰谷，但较为平整，峰谷差为(0.) μm，粗糙度为(0.) μm。

2.3 骨水泥损伤分析

2.3.1 骨水泥裂纹损伤分析 采用X-Ray检测仪对试样裂纹进行无损采样。图4Ⅱa结果显示骨水泥萌生的断裂裂纹尺寸较小，且如点星状分布于骨水泥扫描图中，图4表明骨水泥裂纹不仅存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中，也存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒之间，裂纹尺寸长(38.) μm，宽(5.) μm，该结果印证了Sinnett-Jonesa等[35]的结果。图4Ⅱ表明骨水泥内部除了有微小不规则孔穴/裂纹，也存在细长银纹状孔穴，其尺寸为(45.) μm。如图4所示微小裂纹呈爆炸性星状分布，由于骨水泥椁先后受到径向压缩和纵向滑移的运动影响，且主要受界面滑动影响裂纹方向沿纵向扩展，其呈现倾斜角度的裂纹(图4Ⅱa和Ⅱb)，在脱粘过程中，微小裂纹的密集度主要分布在近端位置，中间和远端位置分布较少，且属于滑开型裂纹，统计分析平均微小裂纹密度为13.85 cracks/mm2。在脱粘后骨水泥椁试样X-Ray扫描图像中选取0.03 mm2面积进行统计，脱粘后近段失效面积为99.86%，中段失效面积为98.77%，远段失效面积为25.58%，骨水泥表面微小裂纹长度为(95.) μm，而长度大于100 μm裂纹失效面积率分别为57.6%，27.1%和10.4%，且其与相关结果一致[31，33-35]。

图1 试样制备图Figure 1 Sample preparation图注：图中a为实验用钛合金棒；b为应变片；c为涂满硅胶的保护层柄；d和e为骨水泥-柄试样； f为骨水泥与钛合金界面脱粘实验。

图2 骨水泥-柄受力损伤分析图Figure 2 Analysis chart of stress injury of bone cement-stem interface图注：图中a为骨水泥-柄界面屈服载荷点，b为骨水泥的弹性极限，c为剪切应力失效点，d到f为骨水泥对金属柄约束的增强阶段。

图3 实验前后钛合金的表面形貌Figure 3 Surface morphology of titanium alloy before and after the experiment图注：图中a为实验前钛合金表面形貌，表面粗糙度为0.043 μm；b为脱粘后钛合金近段表面形貌，粗糙度为0.158 μm；c为脱粘后钛合金中段表面形貌，粗糙度为0.109 μm；d为脱粘后钛合金远段表面形貌，粗糙度为0.054 8 μm。

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