北京去哪里医院看白癜风比较好 https://wapjbk.39.net/yiyuanfengcai/zn_bjzkbdfyy/2.1简介第二章将介绍PCU裂纹扩展机制的研究。本章首先回顾了疲劳表征、全寿命疲劳和缺陷容忍疲劳的方法。本研究采用了缺陷容忍疲劳方法，因此将介绍该方法背后的线性弹性断裂力学理论。本研究评估了加载方式、频率、调节和热退火对PCU裂纹扩展机制的影响。本研究的结果导致了这样的假设：高度受限的裂纹尖端中PCU的结构变化导致了高度依赖时间的裂纹扩展行为。（东莞市富临塑胶原料有限公司供应：聚碳酸酯聚氨酯PCU）骨科植入物的负载环境具有高度周期性。通常估计，根据每年的平均步数，植入物每年将经历至少万次负载循环。由于患者之间的活动水平、体重、步幅等存在差异，负载变化很大。负载还会因活动类型而变化。例如，步行、爬楼梯、从坐姿站立等都会产生不同的负载模式。除了这种负载的异质性之外，医疗植入物的设计要求对安全性至关重要。由于获取植入物所需的手术具有高度侵入性，因此无法在植入后检查植入物。植入物必须使用多年，而无需其他安全关键行业（例如航空航天）提供的维护或检查。与导致设备逐渐失效的磨损不同，骨折可能需要立即进行修复手术。在髋关节中，更符合要求的几何形状可减少接触应力并降低骨折的可能性。然而，用于在金属背衬中提供机械固定的凹口和特征会产生导致骨折的应力集中位置（图2.1）。在膝关节中，旨在重建原生运动学的设计具有不太符合要求的设计，因此接触应力更高。这些接触应力导致材料出现表面下开裂和分层。图2.1：交联UHMWPE髋臼杯中观察到的临床骨折示例。由于全关节置换面临高循环负荷环境，因此表征长期植入候选材料的长期疲劳性能至关重要。线性弹性断裂力学(LEFM)方法历来用于比较用于骨科植入物的新型UHMWPE配方。对于安全关键应用，疲劳裂纹扩展表征研究材料中的缺陷如何在循环负荷下增长并可能导致失效。PCU具有类似软骨的模量和弹性特性，因此成为骨科关节置换应用的理想材料。如第1章所述，PCU已被引入作为超高分子量聚乙烯的替代聚合物，用作髋关节、膝关节和脊柱植入物的承载表面。PCU装置性能的初始临床数据有限，并且没有长期临床数据。PCU的开发旨在提高全关节置换术(TJR)的耐磨性能。然而，聚合物承载表面必须同时提供良好的耐磨性和抗断裂性。尽管PCU是一种弹性体，并因其高韧性而受到推崇，但在移植病例研究和体内动物研究中，已有PCU断裂的例子。在一个案例研究中，研究人员报告了在0.7年后移植的Dynesys脊柱稳定装置的PCU垫片发生断裂（图2.2）。研究人员报告称，在聚碳酸酯聚氨酯75D髋臼杯背衬中，聚碳酸酯聚氨酯80A发生断裂。在一项为期年的绵羊研究中，7个髋臼杯中有1个发生断裂。最后称，在一项为期12个月的山羊研究中，7个植入物中有1个发生PCU全半月板假体断裂。这些例子强调了了解PCU的断裂和疲劳机制对于预测PCU植入物的长期性能的重要性。图2.2：在植入0.7年后，在Dynesys脊柱稳定装置的PCU垫片中观察到断裂。CT扫描（左）证实断裂垫片（右）中的裂纹贯穿了整个厚度。本章介绍了一种基于LEFM的方法来表征PCU中的疲劳裂纹扩展机制。该方法研究了在类似于骨科植入物应用中所面临的疲劳条件下控制和扩展缺陷的机制。通过表征PCU中裂纹扩展至失效的方式，我们可以更好地预测这种材料的潜在长期失效机制。本章将首先回顾疲劳表征方法和LEFM方法对疲劳的理论。然后介绍以前表征PCU疲劳的工作。最后，我们报告了一项研究的结果，该研究测试了包括时间载荷效应、频率、水合和热退火等变量对PCU疲劳裂纹扩展机制的影响。2.2聚合物疲劳：理论疲劳表征通常分为两种不同的方法，即全寿命疲劳和缺陷耐受疲劳。全寿命疲劳，也称为应力寿命方法，测量给定负载下失效的循环次数。它假设材料最初无缺陷，寿命包括缺陷的产生和发展，并不强调失效机制。相反，缺陷耐受疲劳方法假设材料有初始缺陷，然后表征该缺陷的增长直至失效，强调增长机制。2.2.1全寿命方法全寿命疲劳研究施加的负载和失效前的循环次数之间的关系。这是通过在给定应力水平下对样品进行循环疲劳测试并记录失效前的循环次数来通过实验完成的。在一系列应力水平下重复此过程可得出应力和失效前的循环次数之间的关系。该曲线称为应力-寿命曲线，用于拟合Basquin方程（公式2.1）：其中σa为循环应力，σ′f为应力系数，b为Basquin指数，Nf为失效循环次数。失效循环次数写为Nf或2Nf，具体取决于曲线是根据完全反转次数或完整循环次数计算得出的。要创建S-N曲线，需在不同的σa下测试多个样品，从而得到多个失效循环次数。一系列此类测试可产生足够的数据点来预测σf和b，并建立关系来预测零件在已知负载下的寿命（图2.）。图2.：S-N曲线中的每个数据点代表在给定循环应力下测试的样品失效前持续的循环次数。许多采样点形成曲线，对于许多材料来说，该曲线在最小应力水平处达到稳定，在此之后不会观察到故障，这被称为“疲劳极限”。曲线的下应力边界称为材料的“疲劳极限”。在该应力下，预计部件不会在测试的最大循环次数内失效。在设计中，将适当的安全系数应用于此疲劳极限。虽然有些材料没有表现出疲劳极限，但如果预计循环次数有限，则可以为非安全关键设计建立统计信心。应力-寿命曲线仅适用于用于生成曲线的特定循环载荷（即完全反向载荷或零到拉伸载荷）。应用平均应力、变幅载荷或具有应力集中的几何形状可以改变应力-寿命关系。可以对Basquin方程进行调整以考虑平均应力效应。但是，更准确的方法是针对给定的设计和载荷情况重新创建应力-寿命曲线。这并不总是可行的，因为通过实验创建应力-寿命曲线需要大量时间和样本。每个应力水平都需要多个样本，在低应力下达到高循环失效可能需要很长时间。通常会观察到大量散布，这与制造和材料缺陷导致的样本间变异性有关。在发生可变幅度负载的应用中，可以使用各种循环计数技术，例如骨科植入物的高度异质负载。一种常用的技术是Miner损伤累积规则（公式2.2）：其中：n(σi)是在σi处发生的循环数，Nf(σi)是在σi处失效的循环数。Miner规则假设部件的寿命是有限的。在有限次数的循环下加载给定的循环应力将占用设备寿命的一小部分，与在该应力下失效的循环数成比例。然后将每个循环应力下的载荷相加，以估算部件的总应力寿命。这种适应可变载荷的方法是预测材料失效的第一步，但基于材料中存在的缺陷，统计结果存在很大的分散性。对于安全关键应用，这种估计只能起到有限的预测作用。总寿命疲劳假设初始材料是无瑕疵的。缺陷的存在会缩短疲劳寿命，因为在循环载荷下，缺陷（裂纹）会增长到可能导致失效的长度。大多数材料中不可避免地会出现由于制造缺陷和变异性而导致的缺陷和不一致。除了应力寿命曲线中的统计分散性之外，总寿命疲劳并未考虑到这一点。但是，在疲劳对安全至关重要的部件中，例如飞机、核应用和医疗设备，更强大的测试技术可用于预测失效。2.2.2缺陷容忍疲劳线性弹性断裂力学预测和理解断裂是缺陷容忍疲劳方法的目标。缺陷容忍方法假设材料中存在缺陷（无论是制造缺陷还是损坏缺陷），并试图了解裂纹尖端的应力状态和材料响应，从而导致裂纹扩展并最终导致断裂。为此，缺陷容忍疲劳方法利用了LEFM。尽管聚合物通常不是线性弹性材料，但LEFM已被证明可用于表征其行为。本章后面将进一步讨论这一点。本节将介绍LEFM背后的理论，但并不是详尽的回顾。有关进一步参考，请参阅。LEFM领域始于格里菲斯能量平衡的发展。格里菲斯能量平衡方法量化了线性弹性固体整体应力内的裂纹扩展。格里菲斯能量平衡将裂纹扩展描述为通过释放应变能(Π)和创建新表面(WS)所需的工作降低系统()的能量(公式2.，图2.4)。图2.4：格里菲斯能量平衡表明，当应变能超过新表面的能量时，裂纹将扩展。厚度(t)是页面的尺寸。随着裂纹扩展(da)，裂纹面积(dA)（裂纹扩展和厚度(t)的乘积）也会增加（公式2.4）：因此，相对于变化面积的能量平衡为：Inglis估计应变能是变化裂纹面积的函数。应变能可以通过考虑裂纹区域周围的圆柱体面积来估算（图2.4右侧，公式2.6）：其中σ∞是远场应力，a是裂纹长度的一半，t是材料厚度，E是弹性模量。裂纹面积变化引起的应变能变化由公式2.7给出：表面能(Ws)的变化等于裂纹长度的2倍，以考虑顶部和底部表面，乘以厚度和表面能参数(γs)：裂纹面积的导数由公式2.9给出。使用弹性能定义功，满足格里菲斯能量平衡可得出以下关系：Irwin将公式2.10的左边值称为能量释放率(G)，右边项称为材料阻力。应变能释放率（公式2.11）根据材料的整体应力状态和缺陷尺寸提供失效准则：超过表面能的应变能将导致断裂，而相反的应变能将保持完整。应变能释放率失效准则不考虑材料的延展性，因此仅适用于脆性材料。此外，该方法使用整体应力，不解决延展性起关键作用的裂纹尖端的应力状态。为了描述裂纹尖端的应力状态，我们可以考虑缺口和其他几何不规则的应力集中影响。几何不规则、孔洞或裂纹会相对于远场载荷产生应力集中区域。应力集中因子(kt)描述了局部应力相对于整体应力(σlocal，图2.5)的增加：图2.5：应力集中因子(kt)是局部应力集中点(σlocal)处的应力与远离集中点的物体整体应力(σ∞)的比率。应力集中因子可以解析地求解简单几何体，格里菲斯也对此进行了研究。对于无限板中的椭圆孔，他发现应力集中因子是缺口根半径(ρ)的函数（公式2.1和2.14，图2.6）。对于原子级尖锐裂纹，即没有超出原子级曲率的裂纹，缺口根半径变为零，使得裂纹尖端的应力极限为无限大（公式2.1）。图2.6：格里菲斯为无限板中椭圆中心裂纹求解的应力集中因子是缺口根半径或缺口“锐度”的函数。缺口越锐利，点x处的应力集中就越高。无限应力会导致任何材料失效。然而，从经验来看，裂纹不会立即导致材料失效，因此还有另一种机制可以防止裂纹出现时失效。Irwin和Williams提出了裂纹尖端前的应力场。他们将应力场定义为应力强度(KI)、距裂纹尖端的径向距离(r)和裂纹扩展方向的角度(θ)的函数（公式2.15-2.17，图2.7）。图2.7：应力场定义为应力强度(K)、距裂纹尖端的径向距离(r)和与裂纹尖端方向的角度(θ)的函数。应力强度因子对于不同的加载模式是唯一的。KI、KII和KIII对应于拉伸、滑动和剪切运动，如图2.8所示。模式I应力强度(KI)是几何形状(F)、远场应力(σ∞)和裂纹长度(a)的函数（公式2.18）。图2.8：应力强度因子对于三种载荷模式都是唯一的：拉伸(I)、滑动(II)和剪切(III)。几何因子(F)是针对标准紧凑拉伸试样(ASTMD)计算的。应力强度因子可以针对每种载荷模式进行类似的定义，并针对复杂载荷的情况进行组合。但是，由于模式I的拉伸加载代表疲劳裂纹扩展的最坏情况，因此我们将重点
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