Deformabilitatea Materialelor Metalice

Capitolul 1 – Studiul actual asupra materialelor biocompatibile utilizate in protezare

1.1 Biomateriale metalice cu aplicatii in medicină

În ultimele decenii se constată o cerere continuă de noi materiale care să îndeplinească anumite cerințe:

medicii cer materiale biocompatibile care să prezinte înalta rezistena la coroziune chimiăa și la solicitări mecanice;

inginerii din domeniul mecanic cer noi materiale, care să reziste la temperaturi cât mai mari, pentru ca motoarele cu ardere internă sau cele cu injecție să funcționeze mai eficient;

inginerii din domeniul electric doresc materiale care să fie folosite pentru componente electronice cât mai rapide și să funcționeze la temperaturi înalte;

inginerii din domeniul aviatic cer materiale cu un raport rezistența-greutate cât mai mare;

inginerii din domeniul chimic doresc materiale cât mai rezistente la coroziune chimica.

Știința materialelor se ocupa în principal cu achiziția de cunoștințe privind structura interna a materialelor, proprietațile fizice și chimice, procesarea materialelor, deci se poate spune că furnizează cunostințe de bază. Ingineria materialelor se ocupă cu utilizarea informațiilor despre materiale, astfel că acestea să fie transformate în produse necesare sau dorite de societate, adica furnizează cunostințele aplicative privind materialele. Ingineria medicală are ca domeniu utilizarea cunostințelor despre materiale și punerea lor în practică.

Inginerii din acest domeniu studiază condițiile de funcționare a componentelor pieselor mecanice stabilind rolul funcțional al fiecărei componente din ansamblul mecanic și alege materialele care corespund funcționarii corecte a acestora. O ramura foarte importanta a ingineriei medicale o reprezintă protezele dentare și cele maxilo-faciale, care se ocupa cu proiectarea și realizarea de piese de dimensiuni mici dar cu proprietați deosebite din punct de vedere fizic, chimic, constructiv și funcțional. [Teza de doctorat, STUDII SI CERCETARI PRIVIND MATERIALELE BIOCOMPATIBILE UTILIZATE ÎN PROTEZARE, Ing. Camelia PITULICE, BRASOV, 2013]

Biomateriale sunt definite ca orice material care vin în contact cu sisteme biologice umane sau animale, în scopul de a îndeplini funcția lor destinată. Biomateriale pot fi realizate din diferite tipuri de materiale, inclusiv substanțe solide, lichide, geluri sau. Această definiție largă a dezvoltat-a lungul anilor de dezvoltare a biomaterialelor și funcțiile lor sunt destinate, și ar putea fi definită în continuare ca urmare a dezvoltării de noi aplicații de biomateriale în medicină.

Biomateriale au o lunga istorie de utilizare în medicină, și au fost observate în mod diferit la diferite momente. Prima definiție structurată a biomaterialelor a fost dat de Williams (1987); biomaterial a fost identificat ca "material neviabil utilizat într-un dispozitiv medical, destinat să interacționeze cu sistemele biologice." Pe măsură ce aplicațiile biomaterial și compoziții au dezvoltat, definițiile schimbat pentru a se adapta acestor noi dezvoltări. Exemplele de mai jos demonstrează evoluția definițiilor biomaterialelor (Ratner et al, 2013.):

• "Material sintetic utilizat pentru a înlocui o parte a unui sistem viu sau sa functioneze in contact intim cu țesutul viu '

• "O substanță farmacologic sistemic și inert concepute pentru implantare în cadrul sau încorporarea cu sistemele vii '

• "Un material neviabile utilizat într-un dispozitiv medical destinat pentru a interacționa cu sistemele biologice"

• "Materialele sintetice, precum și de origine naturală în contact cu țesutul, sânge și fluide biologice și destinate utilizării aplicațiilor protetice, diagnostic, terapeutice și de depozitare fără efecte negative asupra organismului viu și componentele sale"

• "Orice substanță (altele decât medicamentele) sau combinație de substanțe sintetice sau naturale de origine, care pot fi folosite pentru orice perioadă de timp, ca un întreg sau ca o parte a unui sistem, care trateaza, mărește sau înlocuiește orice organ țesut sau funcție a corpului. "

O privire mai atentă la evoluția definiției demonstrează mai multe etape principale în dezvoltarea biomaterialelor. Inițial, biomateriale au fost definite doar ca materiale sintetice; origine naturală materiale (viabile sau neviabile) au fost mai târziu incluse, și definiția include în prezent orice substanță, alta decât farmaceutice active care poate veni în contact cu sistemele biologice ale oamenilor sau animalelor. Scopul principal al biomaterialelor este pentru aplicare medicale, precum și contactul cu sisteme biologice poate fi directă sau indirectă.

De exemplu, acestea includ culturi și medii de crestere de celulele, test de proteine din sânge, culturi de biomolecule de procesare în biotehnologie, tablouri de gene de diagnostic, și chiar materiale de ambalare primară pentru produse medicale. Toate aceste aplicații au o trăsătură comună -interacțiunea directă și indirectă între sistemele biologice și materiale care sunt utilizate în produsele medicale sau în contact cu corpul.

Utilizarea biomaterialelor este în continuă creștere, și integrează cunoștințele și ideile de la mai multe discipline, cum ar fi medicina, biologie, chimie, fizică, materială și științelor inginerești. Biomateriale nu sunt niciodată folosite practic ca un produs final, dar sunt integrate în produse medicale, ceea ce face răspunsul biologic la ele foarte importante.

Numărul de dispozitive medicale utilizate în fiecare an, la om este substanțială, estimată de Organizația Mondială a Sănătății ca 1,5 milioane de dispozitive individuale, cu aproximativ 10 000 de tipuri de grupuri de dispozitive generice disponibile la nivel mondial.

O definiție suplimentară care este folosit pentru a descrie o caracteristică foarte importantă a biomaterialelor este "biocompatibilitate," "capacitatea unui material de a efectua cu un răspuns gazdă corespunzătoare într-o aplicație specifică" (Williams, 1987). "Răspunsurile gazdă adecvate" includ nivel acceptabil de toxicitate și sensibilizare, lipsa de reacții de corp străin, și promovarea de vindecare normale.

1.2 Tipuri de biomateriale

Treia generație include mai multe tipuri de biomateriale:

• sintetic (metale, polimeri, ceramică, compozite)

•-Nature derivate (derivat din plante de exemplu, de țesut derivat)

• semi-sintetic sau hibrid

Biomateriale sintetice includ următoarele categorii: metale, polimeri, ceramică, și compozite.

Metale

Materiale metalice (metale și aliaje) sunt cele mai utilizate pentru aplicații portante,cum ar fi implanturi ortopedice (cabluri, plăci, șuruburi, inlocuiri in comun totală sau parțială) și aplicații dentare. Metalele și aliajele cele mai comune care sunt folosite în scopuri medicale diferite grade de oteluri inoxidabile, titan și aliaje de titan pur și aliaje pe bază de cobalt.

Biopolimeri

Descoperire in stiinta polimer care a avut loc la mijlocul secolului XX a adus o mare varietate de polimeri pentru aplicații medicale. Ele sunt utilizate în principal pentru aplicații nepurtătoare de sarcină, cum ar fi proteze vasculare, catetere, ajutoare de livrare de droguri, proteze faciale, piele / cartilaj, proteze intraoculare, și în colaborare cu metale în ortopedie și stomatologie. Clasele moderne de biomateriale polimerice includ, de asemenea, materiale polimerice în forme lichide, filme, și gel care sunt folosite ca adezivi medicale și masticuri, acoperiri, materiale antiadeziune, și umpluturi.

Bioceramice

bioceramicele sunt compuși policristalini refractari care ar putea fi:

• bioinert (de exemplu alumină, oxid de zirconiu)

• bioactive (de exemplu biosticla, temperaturi ridicate hidroxiapatita sinterizate), care permite materialul de a forma o legătură cu tesut viu (Hench, 2002) și capacitatea unui material de a stimula vindecarea și să pacalească sistemul de țesut să răspundă ca și cum ar fi un țesut naturala (Hench, 2002)

• biodegradabil (de exemplu, temperatură scăzută hidroxiapatită sinterizată, fosfat tricalcic) și defalcarea din cauza interacțiunilor chimice sau celulare

Bioceramecele sunt de obicei grele și fragile, ceea ce face utilizarea lor o provocare pentru multe dintre aplicatii portante, dar ele sunt, de asemenea, bogate în rezistenta la compresiune.

Datorită compresiei mari și rezistență la uzură, ceramicele tradiționale sunt folosite în restaurari dentare și pentru anumite aplicații ortopedice (de exemplu, ca parte a articulații artificiale). Ceramicele sub formă de pulbere sunt de asemenea utilizate în combinație cu polimeri pentru a umple cavitățile osoase ca os ciment în aplicații dentare și ortopedice.

Compozite

Compozite sunt relativ noua clasa de biomateriale sintetice care combina beneficiile ale componentelor sale, precum și în cazul în care componentele de materiale sunt separate clar peste nivelul molecular. Materialele compozite pot fi sintetice, naturale sau combinație de ambele. Materialele compozite sunt proiectate special pentru utilizarea particulară și sunt utilizate într-o gamă foarte largă de aplicații medicale.

Biomateriale naturale

Materiale naturale sunt adesea similare, dacă nu identice, pentru materiale care sistemul biologic poate recunoaște și procesul prin cai metabolice. aceasta permite materiale să funcționeze la nivel molecular si suprima raspunsul inflamator, materialul care permite să fie metabolizat prin mecanisme fiziologice (enzime).

Materiale naturale, de obicei, permite evitarea problemelor de toxicitate adesea prezentate de materiale sintetice, în special polimeri (deși imunogenitatea poate fi o problemă). În plus, ele pot furniza semnale biochimice care promovează vindecarea tesuturilor sau integrare. Marele dezavantaj al polimerilor naturali este ca ei se pot denatura sau descompune la temperaturi scăzute, ceea ce face prelucrarea și sterilizare o provocare.

Biomateriale naturale sunt compuse în mare parte din trei tipuri de biopolimeri:

• Proteine – lanturi de aminoacizi (mătase, colagen, elastina, fi Brin)

• polizaharide – lanțuri de zahăr (chitina, glicozaminoglicani)

• polinucleotide – lanțuri de nucleotide (ADN, ARN)

Biomateriale naturale pot fi derivate din plante, animale (xenogenice) sau oameni

(alogene). Biomateriale naturale sunt materiale în majoritate reparatorii care prezintă structură similară țesutul nativ care sunt destinate să înlocuiască și să aibă mai multe elemente ajută reconstrucția tesuturilor, repararea și regenerarea (Shin et al., 2003). Biomaterialelor naturale nu au fost bine cercetate până vremurile recente, avantajele si dezavantajele lor nu au fost cunoscute în detaliu, iar acestea nu au fost utilizate pe scară largă până în ultimele decenii.

Biomateriale naturale au fost identificate ca facilitatori și promotori de vindecare și, în mod specifi, pentru repararea tesuturilor si regenerare.

1.3 Factorii majori care contribuie la alegeri specifice biomaterial

Scopul final al biomaterialelor în medicină este tratament, augmentarea sau înlocuirea organelor de țesut (de exemplu, oase, mușchi, piele), sau funcția corpului. Aceste obiective pot fi atinse printr-o combinație de proprietăți materiale, proiectare dispozitiv, precum și cerințele fiziologice. Cerințele pentru biomaterialelor utilizate în medicina se încadrează în trei categorii majore, în ordinea importanței: clinice, de fabricație, și economic. Procesul de selecție a biomaterialelor trebuie să încorporeze chimice și cerințele mecanice ale sistemului biologic specific pentru a realiza rezultatul funcțional dorit. Evident considerare clinică este ca biomaterialul trebuie să fie fizic, chimic și biologic adecvat pentru îndeplinirea funcției sale. De exemplu, în cazul în care nu se intenționează, materialul nu trebuie să degradeze ca răspuns la condițiile corozive ale mediului biologic și afecta proprietățile sale, sau eliberarea substanțelor locale sau sistemice potențial dăunătoare degradare. Mai multe moduri de eșec de materiale în mediul biologic sunt cunoscute și luate în considerare în timpul selecției de materiale adecvate pentru aplicarea și proiectarea dispozitivelor medicale:

• mecanica – uzură, deteriorare stres, fractura, deformarea la rece

• fizico – absorbție a biomoleculelor (depunerile), absorbția de apă (înmuiere)

• biochimice – hidroliză, oxidare, depunere minerală

• electrochimice – coroziune, caveating

În plus față de performanță specifice la cererea, un biomaterial trebuie să fie, de asemenea, practic în procesul de fabricație, de cost rezonabil, satisface cerințele de marketing, și de a demonstra usurinta de utilizare în cererea specifică. Cerințele de fabricație definesc ca materialul are proprietăți care permit manufacturability în configurația de proiectare dorit. Combinația acestor factori, aplicat cu succes la selectarea biomaterialelor si design functional, ce duce la dispozitive medicale disponibile comercial care va da rezultate funcționale și economice excelente. Medicul ar trebui să înțeleagă principiile de aplicare a dispozitivelor medicale pentru a minimiza eșec funcționale, în timp ce specialistul biomateriale este de așteptat pentru a dezvolta produse de proiectare optimă, care profita din plin de biomateriale disponibile pentru aplicații specifice. [I. Kulinets , Biomaterials and their applications in medicine, Northeastern University, Brookline, MA, USA, A volume in Woodhead Publishing Series in Biomaterials, 2015, Pages 1–10]

2.1 – Anatomia fracturilor de pilon tibial

2.1.1 Fracturile pilonului tibial

2.2 Cauza aparitiei unei fracturi de pilon tibial

2.3 FRACTURILE PILONULUI TIBIAL:

• Clasificare

• Mecanism de producere

• Tratament

– Deformabilitatea materialelor metalice

Deformarea plastica

În cazul prelucrării materialelor metalice prin deformare plastică, deformabilitatea reprezintă principalul factor de care trebuie ținut seama atât la stabilirea fazelor de execuție a operațiilor de deformare plastică, cât și a mărimii utilajului.

La rândul său deformabilitatea materialelor metalice este condiționată de valorile plasticității și ale rezistenței la deformarea plastică.

Prin plasticitate se ințelege capacitatea materialelor metalice de a-și schimba forma și dimensiunile, sub acțiunea unor forțe exterioare, fără a-și distruge integritatea.

Valorile plasticității pot fi exprimate adimensional sau în procente.

Astfel la deformarea plastică prin compresiune sau refulare plasticitatea poate fi calculată cu oricare din formulele:

În cazul deformării plastice prin tracțiune sau întindere formulele de calcul a valorilor plasticității sunt:

În formulele de mai sus:

h0 și h1 -reprezintă înălțimea probelor sau semifabricatelor înainte si dupa refulare,

l0 și l1 -reprezinta lungimea probelor în zona calibrată sau a semifabricatelor înainte și după întindere.

Clasificarea deformarii plastic

Modificarea proprietăților mecanice ale materialelor metalice, metale si aliaje, prin deformarea plastică condiționată de procesele care se produc în timpul deformarii ți gradul de deformare.

Din punct de vedere al proceselor care au loc in timpul deformării plastice, în principal al transformărilor structurale, deformarea plastică se clasifică în:

Deformare la rece,

Deformare la semirece,

Deformare la semicald

Deformare la cald

Deformarea plastică la rece reprezintă deformarea la care au loc următoarele procese:

Alungirea granulației și reorientarea planelor cristalografice spre o singură direcție,

Apariția de noi defecte de rețea și tensionarea rețelei cristaline,

Reorientarea și alungirea defectelor de material.

Efectul acestor procese îl constituie ecruisarea și anizotropia proprietăților mecanice.

Ecruisarea reprezintă mărirea duritățții materialelor metalice și a proprietăților mecanice de rezistență și micșorarea proprietășilor de plasticitate, ca o consecință a deformării plastice la rece.

Anizotropia este diferența dintre valorile aceleiași proprietăți în cele două direcții, longitudinală și transversală.

Deformarea plastică la semirece reprezintă deformarea la care, datorită ridicării temperaturii și creșterii mobilității atomice, simultan cu procesele de mai sus se produce și regenerarea.

Ca urmare a regenărării, numită și restaurare, o parte din atomii dislocați în timpul deformării plastice și alfași în poziții de echilibru instabil trec în poziții de echilibru stabil și detensioneză parțial rețeaua cristalină.

Se reduce ecruisare prin detensionarea parțială a rețelei cristaline, dar nu se anulează.

Deformarea plastică la semicald se produce în intervalul temperaturilor de recristalizare de deformare, numită și recristalizare dinamică.

În acest interval de temperatură recristalizarea se produce simultan cu deformarea plastică dar nu se finalizează.

În consecință în timpul deformarii plastice la semicald recristalizarea se produce numai parțial.

Datorită recristalizării în interiorul grăunților recristalizați apar noi plane cristalografice cu orientări diferite și se micșorează densitatea defectelor de rețea, inclusiv tensionarea rețelei cristaline.

Rareori și alungirea defectelor de material,ca si în cazul deformării plastice la rece și la semirece, răămân nemodificate.

Ca urmare a deformării plastice la semicald structura materialelor metalce devine mixă, parțial recristalizată și poligonizată și restul nerecristalizată și alungită, iar ecruisarea se reduce, mai mult decât în cazul deformarii plastice la semirece, dar nu se anulează.

Deformarea plastică la cald reprezintă deformarea care de produce la temperaturi superioare celei de recristalizare de deformare.

Datorită finalizării proceselor de recristalizare granulația se reface intergal, revenind la forma pologonală și cu alte plane cristalografice, densitatea defectelor de rețea se micșorează și ecruisarea se anulează.

Defectele de material nesudate, printre care și incluziunile, îsi mențin orientarea obținută prin deformare plastică.

În plus,în cazul deformarii plastice la cald, crește viteza de difuzie și se îmbunătățește sudabilitatea materialelor metalice.

2.3 Rezistența la deformarea plastică

Rezistența la deformarea plastică reprezintă capacitatea materialelor metalice de a se opune modificării formei și dimensiunilor când asupra lor acționează una sau mai multe forțe exterioare.

Unitatea de măsură a rezistenței este dată de raportul dintre forță și suprafață și se exprimă în MPa sau N/mm2.

Deformabilitatea materialelor metalice rezultă din raportul dintre valorile plasticității și ale rezistenței la deformare plastică.

Notând plasticitatea cu εa si rezistența de deformarea plastică cu σc raportul εa /σc, în MPa-1 sau %/MPa, poate fi considerat ca unitate de măsură pentru deformabilitate.

În figura se prezintă valorile reprezentative ale deformabilității în funcție de raportul dintre plasticitate și rezistența la deformarea plastică.

Valorile reprezentative ale deformabilității în funcție de raportul εa /σc

Având în vedere că deformarea plastică se produce cu atât mai ușor cu cât plasticitatea este mai mare și rezistența la deformare mai mică rezultă că în domeniul din vecinătatea dreptei 1, deformabilitatea este maximă.

Dacă dimpotrivă, rezistența la deformare este maximă și plasticitatea minimă, dreapta 3, deformabilitatea este minimă.

În cazurile în care atât plasticitatea cât și rezistența la deformare au valori, minime, medii sau maxime, dreapta 2, deformabilitatea este medie.

În practică pentru aprecierea deformabilității unitățile de măsură se înlocuiesc cu calificative, ca de exemplu: deformabilitate bună, foarte bună, scăzută.

Întrucât deformabilitatea nu se referă și la procedeul de defomare plastică pentru indicarea acestui procedeu se folosesc noțiunile de: forjabilitate, laminabilitate, extrudabilitate etc., noțiuni care sunt echivalente cu cea de deformabilitate.

În cazurile în care se precizează felul materialului metalic, din punctul de vedere al deformabilității, aceste noțiuni se transformă în: forjabil, laminabil.

Din cele de mai sus rezultă că deformabilitatea poate fi exprimată în mai multe feluri, dar nu trebuie confundată cu plasticitatea, așa cum se confundă uneori în literatura de specialitate.

2.4 Factorii care influențează deformabilitatea materialelor metalice

1. Felul materialului metalic

Prin felul materialului metalic, în cele ce urmează, se înțelege:

sistemul de cristalizare,

constituția fazică a aliajului,

mărimea granulației,

gradul de puritate ,

modul de livrare.

Sistemul de cristalizare

În cadrul celor șapte sisteme de cristalizare existente majoritatea metalelor, peste 50, cristalizează în sistemele cubic și hexagonal.

Dintre sistemele cubic și haxagonal cele mai multe plane cristalografice cu densitate atomică maximă, numite și plane de alunecare, aparțin sistemului cubic cu volum centrat, iar cele mai puține – sistemului hexagonal compact.

În consecință, din punctul de vedere al deformabilității, pe primul loc se situează sistemul cubic cu volum centrat, urmat în ordine descrescătoare de sistemele cubic cu fețe centrate și hexagonal compact.

Constituția fazică a aliajului

În funcție de felul elementelor de aliere, în principal de sistemul de cristalizare și mărimea razelor atomice, aliajele se clasifică în: soluții solide, amestecuri mecanice și compuși definiți.

Soluțiile solide reprezintă aliajele la care atomii elementului de aliere sunt încorporati în rețeaua cristalină a elementului de bază.

Cu alte cuvinte soluțiile solide reprezintă aliajele cu același sistem de cristalizare și o singură fază.

Prezența unor atomi străini, cu raze mai mari sau mai mici decât ai metalului de bază, distorsionează rețeaua cristalină și îngreunează deplasarea atomilor, de-a lungul planelor de alunecare, în timpul deformării plastice, mărind în acest fel rezistența la deformare.

În cazul aliajelor binare, cu solubilitate totală în stare solidă, rezistența la deformarea plastică variază după o curbă similară cu cea din următoarea figură.

Din figură rezultă că în cazul soluțiilor solide cu solubilitate totală în stare solidă rezistența la deformare crește monoton de la valoarea unuia din elementele care formează aliajul până la valoarea maximă, când concentrația celor două elemente devine aproximativ egală.

Rezistența la deformarea plastică în funcție de concentrația elementelor de aliere

În continuare rezistența la deformare plastică scade, tot monoton, până la valoarea celui de-al doilea element din componența aliajului.

Creșterea rezistenței la deformarea plastică, până când concentrația elementului de aliere se apropie de 50%, se datorează distorsionării rețelei cristaline a elementului de bază, proporțional cu concentrația elementului de aliere.

Peste 50% elementul de aliere devine element de bază și invers.

din acest moment rețeaua cristalină, distorsionată la maxim, revine la parametrii rețelei elementului care inițial a fost de aliere și care s-a transformat în element de bază.

Ca urmare a creșterii rezistenței la deformarea plastică deformabilitatea soluțiilor solide este mai mică decât a metalelor din care provin.

Pe lângă raportul dintre concentrațiile elementelor care formează aliajul deformabilitatea, în acest caz, este dependentă și de diferența de mărime dintre razele atomice ale celor două elemente și se micșorează pe măsura creșterii acestei diferențe.

Amestecurile mecanice sunt numite și aliaje eutectice sau eutectoide, reprezintă aliajele formate din constituienți cu sisteme de cristalizare diferite.

Datorită cristalizării în sisteme diferite, a componenților care formează aceste aliaje, planele cristalografice din interiorul aceluiași grăunte se fragmentează, iar rețeaua cristalină se distorsionează.

Fragmentarea planelor de alunecare și distorsionarea rețelei cristaline conduc la micșorarea deformabilității în măsură mai mare decât la soluțiile solide.

În consecință, deformabilitatea amestecurilor mecanice este mai mică decât a soluțiilor solide și evident mai mică decât a metalelor din componența acestor aliaje.

Compușii definiți reprezintă aliajele multicomponente cu formule chimice de tipul AmBn sau AxByCz, care nu în toate cazurile respectă legea valenței chimice și la care se schimbă și raportul dintre concentrația elementelor componente ale aceluiași aliaj.

Sistemul de cristalizare și proprietățile compușilor definiți sunt diferite față de sistemele și proprietățile componenților din care s-au format.

Fiind fragili, cu duritate mai mare decât a masei metalice de bază și cu un alt sistem de cristalizare , compușii definiți îngreunează alunecările de atomi în timpul deformării plastice și micșorează deformabilitatea materialelor metalice.

Pe ansamblu se poate preciza că deformabilitatea cea mai bună o posedă metalele pure, urmate în ordine descrescătoare de soluțiile solide și amestecurile mecanice, iar compușii definiți reprezintă materialele metalice cu cea mai mică deformabilitate.

Mărimea granulației

Influența mărimii granulației, asupra deformabilității materialelor metalice, se resimte mai mult în cazul deformării plastice la rece.

În acest caz pe măsura micșorării granulației crește rezistența la deformare și se micșorează deformabilitatea.

În cazul deformării plastice la cald, datorită recristalizării, granulația se modifică în timpul deformării și influența sa asupra deformabilității se reduce până la anulare.

Gradul de puritate

Materialele metalice de puritate industrială conțin și o anumită cantitate de impurități, fie în stare gazoasă fie în stare solidă.

Golurile formate de gaze sub formă de porozități se inchid și se sudează relativ ușor prin deformare plastică la cald.

Golurile formate de gaze sub formă de sufluri, fiind mai mari, se închid și se sudează prin deformare plastică la cald numai dacă pereții acestora nu sunt oxidați, iar deformarea plastică se produce la temperaturi cât mai ridicate și cu tensiuni predominant de comprimare. [Curs- Nicolae Ghiban ]

2.5 Ruperea materialelor metalice

Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui material (unei piese) în două sau mai multe părți sub acțiunea unei stări de tensiuni mecanice.

Ruperile materialelor (pieselor) metalice se pot clasifica folosind mai multe criterii:

modul cristalografic de rupere;

aspectul ruperii;

mărimea deformațiilor plastice care preced ruperea

Utilizând primul criteriu (modul cristalografic de rupere), care consideră fenomenul de rupere la scară atomică, ruperile se încadrează în două categorii: ruperi prin clivaj (smulgere), produse prin acțiunea unor tensiuni mecanice normale σ și ruperi prin forfecare, produse prin acțiunea unor tensiuni mecanice tangențiale τ.

Dacă se utilizează cel de-al doilea criteriu (aspectul ruperii), care consideră fenomenul de rupere la scară microscopică, ruperile se clasifică în două categorii: ruperi cu aspect cristalin – strălucitor și ruperi cu aspect fibros.

Dacă se folosește cel de-al treilea criteriu (mărimea deformațiilor plastice care preced ruperea), care consideră fenomenul de rupere la scară macroscopică, ruperile se încadrează în două categorii: ruperi fragile, precedate de deformații plastice nesemnificative și care se propagă cu viteze foarte mari și ruperi ductile, caracterizate prin deformații plastice apreciabile produse înaintea și în timpul realizării fenomenelor de rupere.

Categoriile de clasificare a ruperilor materialelor (pieselor) metalice sunt net corelate; astfel, ruperile fragile se produc prin clivaj (smulgere), au propagare intercristalină (prin limitele cristalelor care alcătuiesc structura materialului) sau transcristalină (prin grăunții cristalini care compun structura materialului) și prezintă aspect cristalin – strălucitor, iar ruperile ductile se produc prin forfecare, au, de obicei, propagare transcristalină și prezintă aspect fibros.

Comportarea fragilă sau ductilă la rupere nu este întotdeauna o însușire intrinsecă a fiecărui material metalic (o însușire dependentă numai de compoziția chimică și de caracteristicile structurale ale materialului). Comportarea la rupere poate fi influențată esențial de factorii ce descriu condițiile solicitării mecanice care determină ruperea: a) temperatura materialului în timpul solicitării;b) viteza de solicitare (viteza de aplicare a sarcinilor și/sau viteza de deformare a materialului); c) gradul de triaxialitate al stărilor de tensiuni generate în materialul supus solicitării, dependent de complexitatea solicitării și de prezența în material a concentratorilor de tensiuni.

Complexitatea unei solicitări mecanice este determinată de modul în care acționează sarcinile (forțele) care o produc și de tipul efectelor (simple sau combinate) de deformare realizate (întindere, compresiune, încovoiere, forfecare, torsiune etc.), iar concentratorii de tensiuni sunt discontinuități ale materialului (orificii, crestături, zgârieturi, incluziuni, fisuri etc.) care determină creșteri locale ale intensității tensiunilor generate de solicitările mecanice.

Prin cercetări experimentale privind comportarea la rupere a unui număr mare de materiale metalice cu utilizări industriale s-a constatat că, pentru fiecare din cei trei factori de descriere a condițiilor de solicitare mecanică (precizați anterior) poate fi definit un prag caracteristic, la traversarea căruia comportarea la rupere se modifică din ductilă în fragilă sau invers (în funcție de sensul de variație a factorului la traversarea pragului). De obicei, se consideră ca factor principal temperatura materialului în timpul solicitării, iar pragul caracteristic corespunzător acestui factor este denumit temperatură de tranziție ductil – fragil ttr, (dacă temperatura materialului solicitat mecanic este t > ttr, comportarea sa la rupere este ductilă, iar dacă temperatura materialului coboară la t < ttr materialul prezintă o comportare fragilă la rupere). Influențele celorlalți doi factori se iau în considerare prin modificările pe care le produc valorii temperaturii de tranziție; astfel, mărirea vitezei de solicitare (solicitarea dinamică sau prin șocuri) și/sau creșterea gradului de triaxialitate al stărilor de tensiuni (datorită complexității solicitării mecanice sau prezenței concentratorilor de tensiuni) determină tendința oricărui material metalic spre o comportare fragilă la rupere și produce creșterea temperaturii de tranziție a materialului respectiv (extinderea domeniului de temperaturi în care materialul manifestă o comportare fragilă la rupere și, ca urmare, restrângerea domeniului de temperaturi în care comportarea la rupere a materialului este ductilă).

Procesul de rupere (fragilă sau ductilă) a unui material metalic are două etape de desfășurare:

inițierea ruperii, constând din apariția (germinarea) unor microfisuri (germeni sau nuclee de rupere) în materialul metalic solicitat mecanic;

propagarea ruperii, constând din extinderea (creșterea) microfisurilor în materialul metalic supus solicitărilor mecanice

Din cele prezentate anterior rezultă că ruperea fragilă este un fenomen greu de diagnosticat (prognozat), care se produce intempestiv , se propagă cu viteze foarte mari (instabil) și poate avea urmări catastrofale, în timp ce ruperea ductilă este un fenomen ușor de detectat, care se produce stabil, după epuizarea capacității de deformare plastică a materialului metalic supus solicitărilor mecanice. Ca urmare, la proiectarea pieselor metalice destinate aplicațiilor tehnice se pune condiția ca materialul metalic ales pentru confecționarea acestora să prezinte o comportare ductilă la rupere pe tot domeniul temperaturilor de exploatare (utilizare) a lor; astfel, dacă domeniul temperaturilor de exploatare a pieselor are limita inferioară temin, materialul metalic din care se realizează acestea trebuie să prezinte o temperatură de tranziție ductil-fragil ttr, care să asigure îndeplinirea condiției:

temin > ttr

Utilizarea criteriului impune cunoașterea caracteristicii ttr pentru materialele metalice cu utilizări industriale (tehnice).

[ http://ime.upg-ploiesti.ro/attachments/article/102/MAS_IM_MATERIALE_2013.pdf ]

Capitolul 3 – Titanul si aliajele de titan utilizate la protezare

3.1 Titanul și aliajele de titan

3.1.1 Titanul ca metal pur

Titanul față de alte materiale are caracteristici superioare, are o densitate mică (4,5 g/ cm3), temperatură înaltă de topire ( tt= 1660 °C), coeficient de dilatare redus, rezistivitate electrică mare, modul de elesticitate de două ori mai mic decât al fierului și al oțelurilor, conductivitate termică foarte redusă și un paramagnetism excelent.

În starea sa pură, titaniul este la fel de dur ca unele tipuri de oțel, dar cu 45% mai ușor.Sunt două forme alotropice și cinci izotopi naturali ai acestui element; de la 46Ti până la 50Ti, cu 48Ti fiind cel mai abundent (73,8%). [https://ro.wikipedia.org/wiki/Titan#CITEREFBarksdale1968]

Titanul are o duritate relativ mică (100-225 HB) și este direct proporțională cu creșterea concentrației impurităților, conform tabelului.

Impuritațile solubile (H, C, N interstițiale și O2 prin substituție) au o acțiune de

creștere a durității titanului, crescând și rezistența mecanică, iar plasticitatea și rezistența la

coroziune scad. În tabelul –. se arată influența purității asupra durității titanului.

Tabelul. Influența puritații asupra duritații titanului

[TEZEI DE DOCTORAT-STUDII SI CERCETARI PRIVIND MATERIALELE BIOCOMPATIBILE UTILIZATE ÎN PROTEZARE, Ing. Camelia PITULICE, Universitatea Transilvania din Brasov, Școala Doctorala Interdisciplinara,Departament: Stiinșa Materialelor, BRASOV, 2013]

3.1.2 Aliaje pe baza de titan

Clasificarea aliajelor pe baza de titan utilizate in practica se poate face dupa mai multe criterii:

Dupa modul de prelucrare:

aliaje deformabile plastic;

aliaje pentru turnatorie;

Dupa proprietati :

aliaje cu plasticitate mare si rezistenta medie;

aliaje suficient de plastice si cu rezistenta mare;

aliaje cu rezistenta foarte buna la coroziune;

aliaje superplastice;

aliaje amorfe;

aliaje cu memoria formei;

Dupa domeniul de utilizare:

 pentru constructii sudate;

 pentru aviatie si tehnica spatiala;

 pentru industria chimica si instrumentala;

 pentru dispozitive protetice;

Dupa structura se grupeaza in trei categorii:

aliaje cu structura Tiα, elementele de aliere se dizolva in a titan;

 aliaje cu structura α+β(bifazice);

aliaje cu structura Tiβ, elementele de aliere stabilizeaza aceasta structura la temperaturi ambianta.

3.2 Compozitii de titan si aliaje de titan utilizate ca biomateriale

Exista patru calităti de titan utilizate ca implanturi chirurgicale prezentate în tabelul … Conținutul de impurități este prezentat în diferite proporții, acesta trebuie controlat cu atenție mai ales în privința oxigenului, fierului și azotului. Oxigenul are o mare influență asupra rezistenței și ductibilității aliajelor de titan.

Tabelul… Compozitia chimica a  patru calitatii de titan utilizate ca biomateriale (conf. ASTM F67)

Un aliaj pe baza de titan care este larg utilizat in fabricarea implanturilor chirurgicale este simbolizat prin Ti6Al4V, prezentat din punct de vedere al compozitiei chimice in tabelul…

Compozitia chimica a aliajului Ti6Al4V conform ASTM  F136

În literatura de specialitate sunt mentionate și alte doua aliaje pe baza de titan: TiSnMoAl și Ti13V11Cr3Al. Primul intitulat comercial HILITE 50 contine 4% Al, 2% Sn si 4% Mo, restu titan se caracterizeaza printr-o rezistenta la uzare ridicata.

[http://www.rasfoiesc.com/educatie/fizica/TITANUL-SI-ALIAJE-PE-BAZA-DE-T52.php]

3.3 Metode de eleborare a aliajelor de titan în medicină

Este știut că reactivitatea ridicată a Ti nu permite realizarea procesului de topire în aer deoarece el recționează puternic cu oxigenul și azotul. Pentru topirea Ti și aliajelor de Ti se folosesc cu precădere cuptoarele cu arc, cele cu vid sau de topire cu flux de electroni , în creuzete din cupru răcite cu apă. Orice flux tehnologic de obținere a aliajelor pe baza de Ti include în mod necesar următoarele operații:

1) pregătirea șarjei;

2) presarea în porții a electrozilor (consumabili);

3) prima topire;

4) prelucrarea mecanică a lingourilor obținute la prima topire;

5) retopirea lingourilor prelucrate (topirea a II-a);

6) controlul defectoscopic nedistructiv;

7) analiza chimică;

8) caracterizarea fizico-mecanică a lingourilor.

3.4 Considerații privind utilizarea aliajelor de titan în medicină

Aliajele de titan sunt numeroase, însă în domeniul biomedical sunt utilizate numai cele din sistemele: Ti-Al-V, Ti-Al-Mo, Ti-Al-Cr, Ti-Al-Cr-Mo, acestea având o biocompatibilitate deosebită, adică întrunesc în cel mai înalt grad cerințele de utilizare în contactul direct cu țesuturile vii. Titanul nealiat de gradul 4 este utilizat în confecționarea mai multor tipuri de implante utilizate în ortopedie și este standardizat în ISO 5832/II. Gradul 4 indică un material cu conținut de oxigen și fier ridicat. Aceste elemente se află în soluție în aliajul de titan, iar principalul lor efect este acela de a îmbunatății proprietațile mecanice. Duritatea crescută se obține printr-un tratament la cald și prelucrare la rece. Există trei motive importante care ne determină să consideram Ti ideal pentru implanturi:

1) Titanul este un material reactiv. Aceasta înseamnă că în aer, apă sau în contact cu orice electrolit se acoperă spontan cu un strat de oxid. Acest oxid este unul dintre cele mai dure cunoscute, formând o peliculă densă, ce protejează metalul de atacul chimic incluzând și atacul agresiv al lichidelor si organismelor. Titanul este inert în țesuturi. Stratul dens de oxid, în contact cu țesuturile este practic insolubil; în mod particular nu se eliberează ioni ce ar putea reacționa cu moleculele organice.

2) Titanul posedă bune proprietați mecanice. Duritate sa este foarte apropiată de cea a oțelului inoxidabil, folosit pentru implanturile chirurgicale purtătoare de sarcini. Titanul este de multe ori mai dur decât osul cortical sau dentina, permitând realizarea implanturilor dentare de formă subțire, care sunt capabile să suporte sarcini mari. Foarte important este faptul că metalul este rezistent și maleabil, ceea ce îl face insensibil la o solicitare de șoc.

Titanul nu se comportă pasiv în țesuturi și în os, osul crește pe suprafața rugoasă și se leagă de metal. O experiența “in vivo” despre coroziune, poate fi urmată de o examinare tisulară. Reacția tisulară observată poate fi apoi comparată cu cantitatea produsului coroziv nedorit, care a fost măsurat în experiența electrochimică. Caracteristicile tipurilor reacțiilor tisulare au fost observate în mod separat; este suficient să facem deosebirea între toxicitate (picnoza, abces steril) izolare si inerție. Reacția toxică la Co, Cu, Ni și V este corelată cu o rată mare de coroziune. De asemenea, metalele inerte nu declanșează un răspuns tisular și anume Pt, Ta, Nb, Zr și Ti sunt foarte rezistente la coroziune. Astfel este identificat un model sigur ce pare să fie o corelație estimativă între compatibilitatea chimică și biologică. O reacție izolată este observată între cele două extreme ale toxicității și toleranței. Corpul străin este încapsulat ceea ce reprezintă o formă slabă de respingere. Acest tip de reacție tisulară este observată atât pentru materialele rezistente la coroziune: oțeluri inoxidabile (Fe, Cr, Mo, Ni) , aliaje Co-Cr-Mo și pentru metale puternic corozive Fe, Mo și Al. Trebuie presupus că produsul coroziv nedorit este un factor determinant. Fe, Mo si Al ca metale netoxice, nu declanșează o reacție tisulară extremă în ciuda ratei mari de coroziune (aproximativ 300 de ani mai mare decât a oțelului inoxidabil). Pe de alta parte, coroziunea oțelului inoxidabil și a aliajelor Cr-Co compatibilă cu cea a Ti, Nb, Zr, eliberează suficiente cantități de elemente foarte toxice: Ni, Co, pentru a declanșa o reacție tisulară remarcabilă. Trebuie menționat din acest punct de vedere, că nu este admisă o concentrație limită pentru o reacție alergică. Aurul și argintul se afla de asemenea, în acest grup, pentru că aceste metale nobile pot să corodeze în țesutul viu.

3.5 Titanul folosit ca material pentru implanturi

Prin experiențe chimice s-a comparat titanul cu ceramicele oxid de aluminium și așa numitele materiale bioactive, cum ar fi Broglass si Hidroxiapatita sinterizată. Comportamentul chimic al titanului este determinat doar de oxid sau suprafață. Datele fiziologice disponibile trebuiesc interpretate în lumina acestui fapt. Omul ingera cantitați considerabile de titan pe zi sub multe forme chimice. Aproximativ 40% din cantitate totală ingerata sau de aproximativ 30 g pe zi sunt metabolizate. Chiar dacă această exemplificare nu este destul de fidelă, este clar că această cantitate este mult mai mare (de aproximativ 1000 de ori) decât cea “livrată” de un implant de titan. De aceea prezenta unui implant de titan este irelevantă fața de cantitatea totală din organism, iar reacțiile sistemice (alergii) sau depunerile în organe nu se manifestă. In plus, timpul de înjumătățire biologic (320 zile) este mult prea scurt ca titanul să se acumuleze în organism.

Concentrația titanului din țesuturi este identică cu saturația în oxizi, adică nivelul maxim posibil. Mai mulți oxizi pot ajunge în soluție, ceea ce înseamnă că dacă un corp străin de natura implantului de titan este adaugat sistemului, atunci suprafața sa de oxid nu se va dizolva. Metalul, descris în termenii utilizați în protecția radiației, nu este nici “disponibil” nici “transportabil”. Aceasta explică pe baza principiilor chimice, de ce titanul este inert în țesuturile organismului. Au fost observate impregnări inter- si intracelulare. Sursa o constituie fie rezidurile de la tratarea suprafeței implantului, fie produși de frecare mecanică, deoarece implantele sunt în strâns contact cu osul. În ciuda acestei impregnări, funcționarea celulei nu a fost impiedicată. Chiar si particulele fine ale frecării sunt inerte. [Curs Ingineria biomaterialelor metalice, anul 2 semestrul 2, Conf. Branzei Mihai ]