アモルファス合金の疑似生体環境下におけるフレッティング疲労挙動

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550694
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 丸山 典夫 独立行政法人物質・材料研究機構, 生体材料研究センター, 主幹研究員 (00343856)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塙 隆夫 独立行政法人物質・材料研究機構, 生体材料研究センター, 副センター長 (90142736) ; 廣本 祥子 独立行政法人物質・材料研究機構, 生体材料研究センター・研究員 (00343880)
• Keywords: Zr基バルクアモルファス合金 / フレッティング疲労 / 腐食挙動 / 疑似体液

Research Abstract

アモルファス合金は、一般に結晶合金に比べ引張強度、耐食性に優れ、かつヤング率が低いため、小型化および高耐久性が要求されるボーンプレート、脊髄固定ステープル等の医療用デバイスへの応用が考えられている。これらのデバイスでは、歩行に伴い生体内で繰返し加重が加わわるとともに、デバイスに接触箇所があるとフレッティングが生じる。そこで市販の粉末固化成型アモルファスZr-Al-Ni-Cu合金を用いて、大気中と疑似体液中で疲労、フレッティング疲労特性について調べた。
その結果、大気中および疑似体液中の疲労強度は差がなく10^7回疲労強度は約150Mpaであった。大気中の10^7回フレッティング疲労強度は疲労強度に比べて約1/3に低下した。しかし、疑似体液中の10^6回フレッティング疲労強度は、疑似体液中で大気中の結果に比べ約2倍高い強度が得られた。フレッティング疲労強度に影響を及ぼす摩擦力などの力学因子、摩耗状態などには両環境の差はみられなかった。大気中のフレッティング疲労強度が疑似体液中に比べて低下したことは、大気中ではフレッティング損傷部が疑似体液中で全面接触であったのに対し局部的であり、そのため応力集中が高くなったこと。また、大気中では摩擦熱により局所的な結晶化が起こりフレッティング疲労強度は低下したと考えられる。
フレッティング損傷が飽和する下限界疲労繰返し数は大気中の場合、全寿命の約20%以下であるのに対して、PBS(-)中でのそれは約40-50%であり、フレッティングによるき裂発生寿命は、PBS(-)中で1桁以上遅れることが明らかになった。大気中のフレッティング損傷部は、荷重繰返し速度を2桁低くして行った結果、フレッティング疲労寿命はほとんど変わらず、摩擦熱による結晶化による脆化の影響は小さいことが明らかになった。

Research Products

• [Publications] Norio Maruyama, Sachiko Hiromoto, Masato Ohnuma, Takao Hanawa: "Fretting Fatigue Properties of Zr-Based Bulk Amorphous Alloy in Phosphate Buffered Saline Solution"Mater.Trans.. 45巻4号. (2004)
• [Publications] 丸山典夫: "医療材料・医療機器の安全性と生体適合性:土屋敏江編集"シーエムシー出版. 258 (2003)