分享：镍钛丝断裂原因分析

摘 要:某镍钛合金植入类医疗器械产品里的镍钛丝在生产过程中发生断裂,采用化学成分分 析、力学性能试验、洁净度测试、断口宏微观分析以及能谱分析等方法对其断裂原因进行了分析. 结果表明:镍钛丝的加工应力未得到很好的消除,加之编织模棒和热缩管引入了腐蚀介质,二者共 同作用导致该镍钛丝发生了应力腐蚀断裂. 

关键词:植入类医疗器械;镍钛丝;断裂;应力腐蚀 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１１Ｇ０８２９Ｇ０４ 

随着现代医学的发展,镍钛合金因其优良的生物 相容性、射线不透性、核磁共振无影响性、力学性能、腐 蚀抗力、形状记忆效应和超弹性等,在医学领域广泛应 用于人体微创植入类医疗器械.某批镍钛合金植入类 医疗器械,在生产装配后进行 X射线检查时出现镍钛 丝断裂情况.该镍钛丝生产工艺为:编织→热处理定 型→清洗→包膜热定型→自检→装配→X射线检查.

为此,笔者采用一系列检验方法对镍钛丝的断 裂原因进行了分析,并提出了相应的改进措施.

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

对该镍钛合金产品里的镍钛丝进行化学成分分 析,结果见表１,可见其化学成分符合 GB２４６２７－ ２００９«医疗器械和外科植入物用镍Ｇ钛形状记忆合金 加工材»的技术要求. 

１．２ 力学性能试验 

对该镍钛合金产品里的镍钛丝进行力学性能测 试,结果见表２,可见其力学性能满足 GB２４６２７－ ２００９的技术要求. 

１．３ 洁净度测试 

对该镍钛合金产品里的镍钛丝进行洁净度测 试,结 果 见 表 ３,可 见 其 洁 净 度 符 合 GB２４６２７－ ２００９的技术要求. 

１．４ 宏观分析

该批镍钛合金产品里的镍钛丝断裂多发生在小 波峰或波谷附近,裂纹源区及非断裂小波峰或波谷 附近表面分布着较多的腐蚀坑;拨开产品包膜区域, 发现有黄色物质;断口为横向平断口,没有明显塑性 变形,属宏观脆性断裂[１],如图１所示.

１．５ 断口微观分析 

断裂镍钛丝浸泡在乙醇溶液中经超声振荡清洗 后,使用JSMＧ６５１０型扫描电镜对断口及裂纹源区进 行观察.断裂镍钛丝的裂纹源起始于丝材表面腐蚀 坑,如图２所示;裂纹扩展区为解理断口,瞬断区为扁 平韧窝,如图３所示;断口裂纹源侧边及小波峰或波 谷附近丝材表面存在许多腐蚀坑,如图４所示;远离 断口处的腐蚀坑内有明显的灰色泥状花样腐蚀产 物[２],如图５所示,具有典型的应力腐蚀特征[３].

１．６ 微区化学成分分析

对断裂镍钛丝裂纹源区、小波峰或波谷附近表 面腐蚀坑内灰色腐蚀产物、包膜上污染的黄色物质、 编织模棒上的锈蚀物质及热定型所用的热缩管进行 能谱(EDS)分析,结果如图６~８所示.可见裂纹源 区、腐蚀坑及包膜黄色物质主要化学成分为溴、镍、 钛元素及少量铁、锰、铬、钒、钙、钠、氯、硫等元素. 溴元素来源于热缩管,而铁、锰、铬、钒、钙、钠、氯、硫 元素多来源于模具锈蚀物质.

２ 分析与讨论 

２．１ 断口特征 

失效产品中镍钛丝的断裂起始于镍钛丝表面的 腐蚀坑,断口裂纹源区为腐蚀坑,裂纹扩展区为解 理,瞬断区为扁平韧窝,断口为脆性断口,腐蚀坑内 的腐蚀产物具有应力腐蚀的泥状花样特征,由此可 以判断该镍钛丝断裂属于应力腐蚀开裂引起的脆性断裂[４]. 

２．２ 应力腐蚀开裂的应力来源(内因) 

对产品生产过程进行分析,在编织波峰或波谷 区域时,采用边加热、边编织的方式,用热风枪消除 波峰应力,但在编织小波峰或小波谷时,由于模具限 制,加热效果稍差,无法很好地实现边加热、边编织 来消除应力,导致小波峰或小波谷附近(即断裂镍钛 丝腐蚀坑分布区域)处于热应力分界处,存在较大的 残余拉应力.

２．３ 应力腐蚀开裂的介质来源(外因) 

该批断丝产品为８－１０月份生产,该时间段为 海洋性气候,环境湿度较高,金属编织模具易生锈, 现场观察到模棒有不同程度的锈蚀.由于模棒锈 蚀,导致编织的镍钛丝存在不同程度的污染,在热处 理定型后产品清洗时未能完全清洗消除锈蚀污染. 在包膜热定型过程中,由于热缩管中含有溴元素,高 温汽化后,与产品表面附着的锈蚀物质共同形成了 复合的腐蚀介质.

２．４ 模拟 HBr应力腐蚀试验 

众所周知,HF对镍钛丝有强烈的腐蚀作用[５], 为探索 HBr对镍钛丝的影响,模拟应力腐蚀环境进 行以下试验:人为制造镍钛丝中存在的拉应力,然后 将镍钛丝放置于 HBr溶液中１h,取出放置４h后 掰断,对断口进行微观观察,结果如图９所示.

通过该试验发现,HBr对镍钛丝也有应力腐蚀 作用,其断口微观形貌与断丝产品的断口微观形貌 基本相似,证明了该批产品是在含溴的化合物介质 环境中,在小波峰或波谷存在应力的区域发生了应 力腐蚀开裂. 

建议将编织模棒的小波峰设计成大波峰,在生 产过程中能更好地消除应力;及时烘干编织模棒,定 期清洗编织模棒表面的锈蚀物质,以防止腐蚀介质 的引入. 

参考文献: 

[１] 廖景娱．金属构件失效分析[M]．北京:化学工业出版 社,２００３． 

[２] 费勤勇,李晓玲,江俊灵,等．注水阀弹簧断裂原因分 析[J]．理化检验(物理分册),２００７,４３(１２):４８Ｇ５０． 

[３] 李晓玲,董毅,董霞,等．高压釜密封环断裂分析[J]． 理化检验(物理分册),１９９４,３０(５):５０Ｇ５２． 

[４] 钟群鹏,赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社, ２００６． [５] 郑玉峰．生物医用镍钛合金[M]．北京:科学出版社, ２００４．

文章来源——材料与测试网