#Curs 4 Proprietati

8/17/2019 #Curs 4 Proprietati

1/27

Universitatea POLITEHNICA din BucureştiUniversitatea POLITEHNICA din BucureştiFacultatea INGINERIE MEDICALFacultatea INGINERIE MEDICAL

!TIIN"A!TIIN"A

MATERIALELORMATERIALELORMETALICEMETALICE

Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian

VasileVasile


2/27

Ştiinţa Materialelor MetaliceŞtiinţa Materialelor Metalice

CUR# $CUR# $

PROPRIET"ILEPROPRIET"ILE MATERIALELORMATERIALELOR

METALICEMETALICE


3/27

În ciuda unui număr mare de metale şi aliaje cunoscute, foarte puţine ne dauÎn ciuda unui număr mare de metale şi aliaje cunoscute, foarte puţine ne dau posibilitatea utilizării lor ca materiale de implant. posibilitatea utilizării lor ca materiale de implant.

Două condiţii esenţialetrebuiesc îndeplinite:

Un biomaterial ce înlocuieşte un

volum echivalent deţesut uman, poate avea o reutate diferită datoritădiferenţei de densitate.

!aterialele poroase sunt utilizateîntr"o serie de aplicaţii biomedicale, cum

ar fi implanturile sau filtrele pentrudispozitivele e#tracorporale. În cadrulaltor aplicaţii, cum sunt plăcile osoase, porozitatea este o caracteristică nedorită,deoarece porii concentrează tensiuni

scăz$nd rezistenţa mecanică.

Material Densitate [gc!"#

$esut des%idratat

&olietilena

SiliconOs co!'act

Sticla

Alu!iniu

Titan

Otel ino(

CoCr )or*at

Aur

+,-++,-/

-,01

-,00+,2-+,34,+

4,14,3

4,3

1,2

5,0"

0,4

+0,"


4/27


5/27

Una dintre cele mai folositoare diarame în ştiinţa biomaterialelor este curba tensiune-deformaţie, care poate da o serie de informaţii folositoare despre proprietăţile mecanice ale biomaterialelor, cum ar fi: limita de curere, rezistenţa la tracţiune, rezistenţa la rupere,deformaţia, modulul lui )oun şi tenacitatea.

Curba reală

tensiune-deformaţie

obtinutã la tracţiune


6/27

%entru biomaterialele metalice, cum ar fi oţelurile ino#idabile, curba are un aspect în carelimita de curere este bine conturată.

Curba tensiune - deformaţie

pentru un oţel inoidabil

*ea mai mare parte dintre oţelurile ino#idabile obişnuite &*r"+i sau *r"+i"!o' au ocurbă de tracţiune mai rotunjită şi acceptă o mare cantitate de deformare plastică fără rupere.

liajele pe bază de cobalt prezintă un domeniu elastic întins şi un domeniu plastic

mic, spun$ndu"se despre ele că -se rup fără prevenire.


7/27

Deteriorarea mecanică a biomaterialelor se produce prin rupere./uperea unui biomaterial poate fi caracterizată prin cantitatea de enerie pe unitatea de

volum, necesară pentru a se produce ruperea, şi este denumită tena!itate.

!etoda simpla de calcul a tenacităţii presupuneinterarea ariei de sub curba tensiune"deformare:

Curba tensiune-deformaţie pentru diferitetipuri de biomateriale

( altă proprietate mecanică foarte importantă este re"istenţa la oboseală, ceastadescrie faptul că un material supus unor solicitări alternative, în fle#iune sau în rotaţie, suferăo deteriorare proresivă care va conduce la naşterea unei fisuri în zona cea mai solicitata.


8/27

*urbe tensiune"deformatie ale unor materiale ideale cu diferite combinatiiale proprietatilor de material


9/27

*urbe tensiune 0 deformatie care demonstreaza comportamentul anizotropic al*urbe tensiune 0 deformatie care demonstreaza comportamentul anizotropic alosului corticalosului cortical


10/27

&rinci'alele 'ro'riet6ţi !ecanice ale celor !ai utili7ate8io!ateriale:

&ro'riet6ţi !ecanice

Material 9e7istenta la

tracţiune [M&a#

Li!ita de curgere

[M&a#Alungirea [#

"+/ ; c6lit

"+/'relucrat la cald

"+/Lcalit

"+/L'relucrat la cald

2+2

3/-

2-2

3/-

4-2

/0-

+02

/0-

1-

+4

1-

+4

Ti/Al1V

Ti/Al5N8

3/-

0--

502

3--

1

3

CoCrMo turnat

CoCrMo )or*at

//2

+---

12-

5--

3

+4

&olitetra


11/27

Aurul este frecvent utilizat în tehnica dentară, oferind în acest sens performanţe deosebiteşi lonevitate. *u toate acestea, aurul nu se utilizează în aplicaţiile ortopedice datorită valorilormari de densitate, a rezistenţei mecanice insuficiente şi a costului ridicat.

Titanul formează un strat pasiv robust, răm$n$nd pasiv în condiţiile fizioloice.

*oroziunea în mediu salin normal este foarte scăzută, astfel că implanturile de titan par deneînlocuit. 1itanul oferă o rezistenţă la coroziune superioară, dar nu este la fel de dur şi riid precum oţelurile ino#idabile.

Coroziunea reprezintă o reacţie chimică nedorită a metalului cu mediul înconjurător,av$nd ca rezultat continua deradare în o#izi, hidro#izi, sau alţi compuşi. 2luidul tisular&limfa' din corpul uman conţine apă, o#ien dizolvat, proteine şi diferiţi ioni, cum ar fi

ionul clorid. *a urmare, corpul uman reprezintă un mediu foarte aresiv pentru metaleleutilizate în fabricarea implanturilor. /ezistenţa la coroziune a implanturilor metalicereprezintă un aspect foarte important al biofuncţionalităţii acestora.


12/27

Aliajele Co-Cr sunt pasive în corpul uman. 3le sunt frecvent utilizate în aplicaţiileortopedice, deoarece nu sunt e#puse la coroziunea pittin.

Oţelurile inoxidabile conţin suficient crom pentru a avea o rezistenţa la coroziune prin pasivitate, deşi stratul pasivat nu este la fel de robust ca în cazul titanului sau al aliajelor *o"*r. Doar oţelurile ino#idabile austenitice de tip 456, 4567, 458 &*r"+i"!o' sunt acceptate pentru e#ecuţia implanturilor, deoarece sunt cele mai rezistente la coroziune dintre oţelurileino#idabile. Dar şi ele sunt vulnerabile la pittin şi la coroziunea fisurantă în jurul şuruburilor.

Amalgamele dentare sunt aliaje din 9, şi n. *u toate că fazele sunt pasive la un p9neutru, amalamul se corodează rapid datorită cuplelor alvanice interfazice sau a potenţialelor ce apar în urma aerării diferenţiale sub placa dentară. De aceea este materialul celmai predispus la coroziune utilizat în stomatoloie.

Dacă două metale diferite sunt prezente în acelaşi mediu cel care este mai negati! în serie !a fi anodul şi !a a!ea loc coroziunea bimetalică "gal!anică# care poate fi mult mai

rapidă dec$t coroziunea unui singur metal% De aceea implantarea unor combinaţii de metale

diferite este de e!itat% Dar acţiunea gal!anică poate apărea şi în coroziunea unui singur metal

dacă există neomogenităţi în metal sau în mediul în care se află acesta%


13/27

2oarte importante în studiul coroziunii sunt diagramele #ourbai . Diarama %ourbai# esteun rafic al reiunilor de pasivitate şi imunitate, reprezentate în funcţie de potenţialul de electrodşi p9. Diaramele %ourbai# derivă din ecuaţia +erst şi din solubilitatea produşilor de deradare./eiunea de coroziune este situată arbitrar la concentraţii mai mari de ;,;6 m


14/27

Imunitatea, conform diaramelor %ourbai#, reprezintă echilibrul dintre metal şi ionii săi lamai puţin de 5;"6 moli. În reiunea de imunitate, coroziunea este imposibilă din punct de vedereeneretic. =munitatea reprezintă de asemenea, protecţia catodică. În domeniul de pasivare,

constituentul solid stabil este un o#id, hidro#id, hidrid sau sare a metalului.

Pasivitatea se defineşte ca fiind echilibrul dintre un metal şi produşii săi de reacţie&o#izi, hidro#izi, etc.' la o concentraţie de 5;"6 moli. ceastă situaţie devine utilă c$nd produşii de reacţie sunt aderenţi.

În cazul biomaterialelor pasivitatea poate fi sau nu adecvată: distruerea stratului pasivat poate cauza o accelerare a coroziunii. tarea de echilibru poate să nu apară dacă produşii de reacţie sunt înlocuiţi de fluidul tisular.

!aterialele diferă în funcţie de capacitatea lor de a reface stratul pasiv ce a fostdeteriorat, strat care poate proteja metalul de dedesubt, dacă este complet aderent şi neporos.În acest caz, o viitoare coroziune este prevenită.

%asivarea poate de asemenea, să rezulte dintr"o polarizare a concentraţiei datoratăacumulării de ioni în apropierea electrozilor. cest fenomen nu se poate înt$mpla în corpul

uman, at$ta timp c$t ionii sunt înlocuiţi în mod continuu.


15/27

Diagrama &ourbaix pentru metal imun' aurul%

/eiunea punctată > imunitate. /eiunea

haşurată > coroziune.

Diagrama &ourbaix pentru metal pasi!' titan%

/eiunea punctată > imunitate. /eiunea haşurată> coroziune. /eiunea nemarcată > pasivitate.


16/27

Diaramele %ourbai# sunt utile, dar nu reprezintă întreaa problematică datorită unorlimitări. stfel, ele sunt construite consider$nd echilibrul dintre metal, apă şi produşi de reacţie? prezenţa altor ioni &clorid' sau e#istenţa moleculelor mari din corp pot schimba situaţia.

Curbe de polarizare

/eiunile dindiarama %ourbai# indicădacă va avea loc coroziunea,

dar nu determină şi vitezelede coroziune.

@iteza e#primată ca odensitate de curent electric&curent pe unitatea de arie'depinde de potenţialul de

electrod conform !urbelorde polari"are din fiuraurmătoare:


17/27

3#perienţa în utilizarea implanturilor ortopedice metalice a dus la următoarele concluzii privitoare la posibilitatea ameliorării coroziunii:


18/27

$e"istenţa la u"are este un factor semnificativ care se ia în considerare la apreciereacomportării unui material de implant. 3a este studiată în amănunt de triboloie.

Un sistem triboloic constă în eneraldintr"un corp de bază, un corp de referinţă, osubstanţă intermediară şi mediul înconjurător.*ele două corpuri în contact sunt supuse forţelornormale şi tanenţiale, dependente de

dimensiunile lor eometrice şi de proprietăţilemecanice &în special cele de suprafaţă'. ria decontact dintre cele două corpuri raportată lasuprafaţă nominală este de fapt, de proporţiimici. 3a depinde de cei doi componenţi, demodulele de elasticitate şi de valorile durităţii.1ipul de încărcare &frecare prin alunecare sau prin rotaţie' şi temperatura joacă şi ele un rolimportant. Deci, uzura şi fricţiunea suntdependente şi de sistem, nu numai de proprietăţile de material. ceasta impune analizatribosistemului.

1riboloia este un termen colectiv şi include ştiinţa fricţiunii, lubrificaţiei şi proceselede uzare.


19/27

*ondiţiile de fricţiune şi lubrifiere în tribosistemul tehnic pot fi împărţite în două. *u fluid delubrifiere, ambele materiale sunt complet separate prin substanţă intermediară şi suprafeţelearticulaţiilor sunt în contact direct una cu cealaltă la limita lubrefierii. /eiunea unde fluidulde lubrifiere poate fi separat doar de cele două corpuri, este descrisă ca o lubrifiere mi#tă.

%ierderea de material poateavea loc ca rezultat al: abraziunii,oboselii şi

uzurii tribochimice, şi poate fi măsurată prinmetode liniare &ad$ncimeaşi volumul de uzură',ravimetrice &pierdere devolum' şi radioactive

&activarea unor straturisubţiri'.


20/27

Din punct de vedere tehnic, o articulaţie umană constă din două oase solide,fiecare fiind acoperit cu un strat poros elastic &cartilajul'. Între acestea e#istă un fluid delubrifiere v$scos &lichidul sinovial' şi apa cu proteine, sare şi proteine moleculare mari&acidul hialuronic', care mai mult sau mai puţin separă cele două corpuri. cest

tribosistem este siilat cu o membrană impermeabilă &capsulă'.

tunci c$nd o articulaţie nu mai funcţioneazădin diferite motive, ultima soluţie o reprezintăînlocuirea ei, folosind materiale artificiale. Din

cauza schimbărilor condiţiilor triboloice datorităfolosirii materialelor tehnice supuse forţelordinamice e#istente în corp, o lubrifiere permanentănu mai poate avea loc. Deci, suprafeţele materialelorfolosite pentru implanturi sunt totdeauna supuseuzurii, proces în care forma particulelor desprinse

prin uzură şi compoziţia lor chimică, precum şicantitatea uzurii produsă în unitatea de timp sunt deo importanţă deosebită. Deoarece o cantitateoarecare de particule poate fi înlăturată prin sistemullimfatic, sunt de aşteptat doar reacţii minime.


21/27

liajele de tip *o"*r"!o, forjate, biomaterialele ceramice precum lA(4 &alumina' şi

aliajele de titan, uneori acoperite cu 1i+ prin metoda %@D, în combinaţie cu polietilena deînaltă densitate, denumită şi polietilenă cu masă moleculară ultra mare &U9!B%3', prezintăo comportare avantajoasă din punct de vedere triboloic, ele fiind cu precădere utilizate pentru e#ecuţia componentelor protezelor articulare.

*ondiţiile clinice pe care trebuie să le îndeplinească un biomaterial corespunzător pentru e#ecuţia implanturilor sunt at$t strinente, c$t şi e#acte. 1rebuie nu numai să"şirealizeze funcţia pentru care a fost implantat, dar trebuie şi să o facă într"un mod care să nucauzeze deteriorări ale mediului bioloic în care trebuie să funcţioneze. În nici un caz nutrebuie ca pacientul să sufere neplăceri, disconfort, durere, infecţie, resorbţie a osului sauefecte psiholoice leate de implant.

Una dintre cele mai importante trăsături ale unui implant este aceea că vine în contactcu ţesuturile vii ale corpului, cre$nd astfel o interfaţă între ele. 2enomenele care au loc laaceastă interfaţă sunt de mare interes deoarece determină succesul sau eşecul implantului,at$t din punct de vedere al reacţiei imediate c$t şi al răspunsului pe termen lun. /ăspunsul bioloic dintre implant şi ţesutul azdă depinde în mare măsură de locul implantării şi de proprietăţile de suprafaţă ale implantelor, implicit de modul şi radul de finisare a acestora.


22/27

Atunci cand un os lung este su'us unorAtunci cand un os lung este su'us unor

sarcini de torsiune asa cu! este 're7entat insarcini de torsiune asa cu! este 're7entat in

=gura, cea !ai !are tensiune >de )or)ecare ?=gura, cea !ai !are tensiune >de )or)ecare ?

este locali7ata @este locali7ata @

+.+.

&e a(a inter!ediara.&e a(a inter!ediara.4.4. In 'eretele cortical.In 'eretele cortical.

".". La ca'ete, in a'ro'ierea 7onelorLa ca'ete, in a'ro'ierea 7onelor

de 'rindere. de 'rindere.

1.1. &e su'ra)ata 'eriostala.&e su'ra)ata 'eriostala.

2.2. &e su'ra)ata endostala.&e su'ra)ata endostala.


23/27

&riind cur8ele tensiunede)or!atie din&riind cur8ele tensiunede)or!atie din

=gura, care !aterial are cea !ai !are=gura, care !aterial are cea !ai !are

re7istenta de ru'ere la tractiuneBre7istenta de ru'ere la tractiuneB

+.+.

4.4. AA

".". CC

1.1. DD

2.2.


24/27

&riind cur8ele tensiunede)or!atie din&riind cur8ele tensiunede)or!atie din

=gura, care !aterial are cea !ai !are=gura, care !aterial are cea !ai !are

ductilitateBductilitateB

+.+. AA

4.4.

".". CC

1.1. DD

2.2.


25/27

La care dintre ur!atoarele !ateriale esteLa care dintre ur!atoarele !ateriale este

cel !ai 'ro8a8il sa a'ara coro7iunea 'ittingcel !ai 'ro8a8il sa a'ara coro7iunea 'itting

si in creasa in ioBsi in creasa in ioB

+.+. Alu!inaAlu!ina

4.4. EirconieEirconie

".". Alia* CoCrAlia* CoCr

1.1. Ti/A+1V Ti/A+1V

2.2. Otel ino(ida8il "+/LOtel ino(ida8il "+/L


26/27

Fn !aterial arti=cial sau 8iologic in careFn !aterial arti=cial sau 8iologic in care

directiile de solicitare nu in


27/27

Vă mulţumesc pentru atenţie !Vă mulţumesc pentru atenţie !

Va urma:Va urma:

CURSUL 5CURSUL 5

Date post:	06-Jul-2018
Category:	Documents
Upload:	bogdana-breban
View:	227 times
Download:	0 times

#Curs 4 Proprietati

Documents