Failure analysis and mechanical testing of Ti-6Al-4V modular revision hip stems

Analysis of five modular titanium hip revision stems that failed in vivo was undertaken. The average time to failure was 4.00.6 years with a range from 3.0 years to 4.9 years. The average age of the patients was 68.4 +/- 7.6 years with a range of 61-81 years and the average mass was 88.0 +/- 10.3kg with a range of 71.7-98.9kg. All five stems failed through fatigue just inside the taper junction between the stem and body. Microscopic analysis failed to detect any evidence of significant corrosion at the junction. Metallurgical analysis found that the material properties for the femoral stems were in agreement with typical values for Ti-6Al-4V. Mechanical testing revealed that fatigue failure would occur only with loads above 5000N. This is far above any repetitive load that any of these stems would have undergone in vivo. Finite element analysis simulating a worst case' scenario demonstrated that a maximum tensile stress of 350MPa would occur near the location of fracture seen on the retrieved stems. This stress is well below the fatigue limit of the titanium alloy. The exact location of the fracture in the mechanically tested components was affected by the assembly technique. It is suggested that the assembly technique could add considerable residual stress to the femoral stems causing them to fail well below the theoretical fatigue limit. Consideration for further investigation includes residual stresses within the implant secondary to assembly technique, and other unexplored factors that may lead to early fatigue failure. On a entrepris l'analyse de cinq tiges modulaires de hanche de revision, en titane, qui ont subi une defaillance in vivo. La duree moyenne menant a la defaillance etait de 4.0 +/- 0.6 ans, avec une gamme de 3.0 a 4.9 ans. L'age moyen des patients etait de 68.4 +/- 7.6 ans, avec une gamme de 61 a 81 ans et un poids moyen de 88.0 +/- 10.3kg, avec une gamme de 71.7 a 98.9kg. Les cinq tiges ont toutes eu une defaillance par fatigue juste au bord de la jonction effilee entre la tige et le corps. L'analyse de microscopie n'a pas decele d'evidence de corrosion importante a cette jonction. L'analyse metallurgique a trouve que les proprietes du materiel des tiges femorales etaient en accord avec les valeurs typiques du Ti-6Al-4V. L'epreuve mecanique a revele que la defaillance par fatigue se produirait uniquement avec des charges au-dessus de 5000N. Cette valeur est bien au-dela de toute charge repetitive que n'importe laquelle de ces tiges pourrait avoir subi in vivo. L'analyse par elements finis simulant le pire scenario a demontre qu'une contrainte maximale de tension de 350MPa se produirait pres de l'emplacement observe de la fracture des tiges recuperees. Cette contrainte est bien au-dessous de la limite de fatigue de l'alliage en titane. L'emplacement exact de la fracture des composantes evaluees mecaniquement etait affecte par la technique de montage. On suggere que la technique de montage puisse ajouter des contraintes residuelles considerables sur les tiges femorales, ayant pour resultat leur defaillance bien au-dessous de la limite theorique de fatigue. Un sujet d'etudes additionnelles inclut les contraintes residuelles dans l'implant, secondaires a la technique de montage, et d'autres facteurs inexplorees qui pourraient mener a une defaillance prematuree par fatigue.