PROPRIETATILE BIOMATERIALELOR METALICE

Metalele si aliajele lor au fost primele materiale utilizate in protezarea umana care alaturi de alte materiale anorganice si organice sunt larg utilizate si astazi. Utilizarea materialelor metalice intr-un domeniu sau altul al tehnicii depinde de relatia dintre structura si proprietatile acestora.

Proprietati fizico-mecanice

Proprietatile mecanice care caracterizeaza comportarea metalelor si aliajelor sub actiunea unor forte exterioare, stau la baza celor mai importante utilizari ale acestora. In acelasi timp proprietatile mecanice intervin ca proprietati tehnologice intr-o serie de procedee practice prin care se realizeaza forma produsului metalic si anume deformarea plastica si prelucrarea prin aschiere.

Datorita dependentei de structura a proprietatilor mecanice ale metalelor si aliajelor, acestea sunt foarte sensibile la efectul procedeelor de fabricatie, ceea ce poate conduce la caracteristici variabile pentru unul si acelasi material.

1 Tensiuni si deformatii

O forta aplicata unui material metalic produce tensiuni si deformati in masa acestuia, caracterizate prin urmatoarele aspecte:

Tensiunea reprezinta intensitatea fortei cu care materialul reactioneaza la sarcinile mecanice ce tind sa modifice ordinea structurii sale. Tensiunea se masoara prin forta care actioneaza pe unitatea de suprafata a planului pe care actioneaza conform relatiei :

s = F / S

unde : s este tensiunea; F este forta; S este aria asupra careia actioneaza forta

In functie de modul de aplicare a fortei, tensiunile pot fi statice (nu se modifica in timp) sau dinamice (se modifica in timp). Tensiunile statice pot fi la randul lor de intindere, de compresiune si de forfecare sau tangentiale, ultimele fiind notate cu litera t, spre deosebire de primele doua care se noteaza cu s Tensiunile dinamice pot fi generate de forte de impact (socuri) sau forte alternante (vibratii).

Deformatia reprezinta alterarea formei si dimensiunilor unui corp ca efect al tensiunilor aplicate asupra sa. Deformatia se exprima in unitati adimensionale sau in procente. Corespunzator celor trei tipuri de tensiuni exista trei tipuri de deformatii: de intindere, de compresiune si de forfecare.

deformatia de intindere sau tractiune se exprima prin cresterea unitatii de lungime (fig. 4.1.a.), conform relatiei:

unde:L₀ - lungimea initiala a corpului, L- lungimea dupa deformare, ε - deformarea la intindere sau alungirea relativa.

- Deformatia de compresiune se exprima prin contractia unitatii de lungime (fig. 4.1. b)

Deformatia la forfecare g se exprima prin tangenta unghiului de alunecare a, rezultat din schimbarea inclinarii unei drepte initial perpendiculare pe plan, pe masura ce planul aluneca (fig.4.2.a.):

O deformatie la forfecare se produce si la rasucirea unei bare cilindrice sub actiunea unui cuplu de forte tangentiale (fig. 4.2.b.)

Fig. 4.2 Deformatii unghiulare

a) deformatia de forfecare; b) deformatia de forfecare prin torsiune

Relatiile intre tensiuni si deformatiile provocate de acestea sunt reprezentate grafic prin curbele tensiune - deformatie de tipul celor prezentate in figura 4.3.

a) b) c)

Fig.4.3 Curbele de tensiune- deformatie

a) curba conventionala cu domeniile caracteristice; b) punctele caracteristice ale curbei conventionale; c) curba reala (rationala)

Asa cum rezulta din curbele tensiune-deformatie obtinute experimental pentru materialele metalice, relatia intre tensiune si deformatie este liniara in domeniul comportarii elastice si neliniara in domeniul comportarii plastice. Curba conventionala de tractiune (fig.4.3.a.) prezinta in etapa finala, care precede ruperea, o aparenta descrestere a tensiunii necesare pentru continuarea deformarii (ramura 8 -11). Acest aspect se explica prin faptul ca in stabilirea coordonatelor curbei conventionale, tensiunea este calculata introducand in relatia de calcul sectiunea initiala S₀ si nu sectiunea reala S a probei la un moment dat al deformarii.

Curba conventionala tensiune-deformatie (fig.4.3.b) are urmatoarele puncte caracteristice care sunt utilizate si in tehnica pentru caracterizarea materialelor metalice:

- Punctul A pana la care deformatiile sunt proportionale cu tensiunile aplicat;. ordonata punctului A se numeste limita de proportionalitate s_p

- Punctul B pana la care materialul se comporta elastic.; ordonata acestui punct se numeste limita de elasticitate s_e Limita de elasticitate tehnica este egala cu tensiunea la care se obtine o deformatie permanenta de 0, 01%.

- Punctul C al carui ordonata este egala cu tensiunea necesara pentru a produce o deformatie permanenta egala cu 0, 2 %, reprezinta practic tensiunea la care materialul incepe sa curga, adica sa se deformeze plastic si acest punct se numeste limita de curgere s_c, care este standardizata cu simbolul Rp_0,2

- Punctul D a carui ordonata reprezinta tensiunea maxima pe care o poate suporta materialul fara sa se rupa se numeste rezistenta la rupere s_lp, standardizata sub forma de R_m. La deformari mai mari decat cea care corespunde rezistentei la rupere R_m, tensiunea aplicata scade ca urmare a inceperii gatuirii probei, materialul rupandu-se in punctul E.

Scaderea tensiunii la deformari mai mari decat cele care corespund punctului D este aparenta deoarece s-a considerat ca sectiunea epruvetei nu se schimba in timpul incercarii, ramanand egala cu sectiunea initiala S₀. In realitate sectiunea probei se modifica treptat, ca urmare tensiunea reala creste tot timpul. Construind diagrama tensiune reala-deformatie reala, tensiunea creste continuu pana la rupere. O astfel de curba se numeste curba reala tensiune-deformatie (fig. 4.3.c.).

Liniaritatea curbei tensiune-deformatie in domeniul comportarii elastice este exprimata prin proportionalitatea intre tensiune si deformatia elastica (Legea Hooke), constanta de proportionalitate fiind modulul de elasticitate E. In consecinta, modulul de elasticitate poate fi definit ca panta curbei tensiune-deformatie in domeniul comportarii elastice a materialelor metalice.

Neliniaritatea curbei tensiune-deformatie in domeniul comportarii plastice nu permite o corelare simpla intre tensiune si deformatia plastica, dar prin analogie se poate defini si in acest domeniu un , modul de plasticitate.

Modulul de plasticitate sau coeficientul de durificare sub efort (ecruisaj) se poate defini deci ca panta curbei tensiune-deformatie in domeniul comportarii plastice (fig.4.3.c.). Utilizarea notiunii de modul de plasticitate permite o diferentiere cantitativa intre diverse metale si aliaje din punct de vedere al capacitatii de a se ecruisa sau autodurifica in cursul deformarii plastice.

2 Comportarea elastica a materialelor metalice

In curba tensiune-deformatie din fig.4.3. demarcatia intre domeniul comportarii elastice si domeniul comportarii plastice corespunde tensiunii notate cu s_p - limita de elasticitate sau proportionalitate. Aceasta marime fiind dificil de determinat experimental, este mai comod sa se considere ca deformarea plastica incepe la valori ceva mai mari decat s_p, alese conventional, notate cu Rp_0,02 sau Rp_0,2 , care reprezinta acea tensiune care a produs o deformare plastica minima masurabila de 0, 02%, respectiv de 0,2%. La aplicarea unei tensiuni inferioare limitei de curgere ( punctul 1 din fig.4.3.a.) se produce o deformare elastica cu caracter nepermanent; la indepartarea fortei materialul revine in punctul initial pe axa deformarii.

Legea lui Hooke. Module de elasticitate

Conform celor prezentate mai sus, pentru corpurile izotrope, rezulta ca intre tensiune si deformatia elastica exista un raport constant numit modul de elasticitate. Deoarece exista trei tipuri de tensiuni diferite prin natura lor (intindere, compresiune si forfecare), vor exista in mod corespunzator trei module de elasticitate, care se definesc scriind legea lui Hooke pentru cele trei tipuri de tensiuni si deformatii, astfel rezulta:

Modulul de elasticitate la intindere E, numit si modul Young sau modul de elasticitate longitudinal, este definit prin raportul:

Modulul de compresibilitate K, numit modul de elasticitate volumetric, este definit ca raportul intre presiunea hidrostatica aplicata asupra materialului si modificarea de volum antrenata:

Modulul de forfecare G, modul de rigiditate sau modul de elasticitate transversal, este definit ca raportul intre tensiunea tangentiala de forfecare si deformarea prin alunecare rezultata:

Coeficientul sau raportul Poisson µ este definit ca raportul intre contractia laterala (care insoteste o intindere longitudinala) si intinderea longitudinala:

Pentru corpurile izotrope solide cum sunt metalele, fibrele, anumite mase plastice, cele patru constante de elasticitate sunt legate prin relatiile:

Metalele si aliajele policristaline pot fi considerate materiale izotrope datorita numarului mare de graunti si orientarii cristalografice intamplatoare; prin deformarea plastica aceste materiale devin anizotrope datorita aparitiei texturii sau orientarii preferate a grauntilor.

Pentru materialele metalice, singura modalitate de a influenta valorile modulelor de elasticitate este texturarea prin deformare plastica, deoarece valorile intrinseci ale acestor marimi nu sunt modificate de factori metalurgici ca alierea, tratamentele termice, etc.

Constantele de elasticitate depind de intensitatea fortelor de legatura interatomica si in consecinta, asa cum rezulta din tabelul 4.1., au valori mari pentru legaturile interatomice puternice (covalente, ionice, metalice) si valori slabe pentru substantele organice cu legaturi intermoleculare slabe.

Tabelul 4.1 Valorile modulelor de elasticitate pentru unele metale si materiale

Din relatiile de definitie ale constantelor de elasticitate rezulta ca modulele de elasticitate caracterizeaza rigiditatea materialelor, definita ca reciproca deformarii elastice produsa de efortul aplicat. Aceasta interpretare a constantelor de elasticitate este deosebit de importanta pentru proiectarea pieselor si dispozitivelor metalice a caror conditie de functionare este deformatia elastica admisibila.

Efectul termoelastic

Acest efect este analogic cu cel al dilatarii termice in care alungirea unui corp (fie prin incalzire, fie sub actiunea unei forte mecanice) este insotita de o absorbtie de energie termica. In conditiile de incarcare si descarcare lenta a sarcinii, procesul de deformare decurge izoterm si are caracter reversibil sub forma de histerezis elastic (fig. 4. 4). Marimea si forma buclei de histerezis elastic variaza cu frecventa de aplicare a sarcinii.

4.1. 2. 3 Comportarea neelastica; materiale fragile, materiale ductile

La eforturi ce depasesc limita de elasticitate, in materiale se produc modificari structurale ireversibile care nu mai dispar la anularea efortului. Dupa natura acestor modificari structurale comportarea materialului la eforturi mai mari decat limita de elasticitate ( in domeniul neelastic) poate fi fragila sau ductila. Comportarea fragila este caracterizata prin modificari structurale, care conduc la ruperea materialului sub actiunea unor eforturi care depasesc limita de elasticitate (fig. 4.5). Sticla, oxizii, unele materiale metalice (fonta alba) se comporta in acest mod.

Comportarea ductila este caracterizata prin modificari structurale care conduc la deformarea permanenta sau plastica a materialului sub actiunea unor eforturi care depasesc limita de elasticitate. Metalele si majoritatea aliajelor sunt materiale ductile, dar si ele in anumite conditii de solicitare pot manifesta comportare fragila.

Ruperea fragila se produce fara deformare plastica sau cu o deformare prealabila neglijabila.

Fractura este initiata de anumite imperfectiuni existente in material, ca de exemplu fisuri microscopice sau crestari superficiale care produc local puternice concentrari ale tensiunilor in material.

Daca aceste tensiuni locale ating valoarea fortelor de coeziune ale materialului, legaturile interatomice din regiunea respectiva se distrug si fisura, initial localizata intr-un punct, se propaga rapid provocand fractura aproape instantanee a materialului.

Metalele si aliajele isi datoreaza utilizarea tehnica caracterului lor ductil, care le permite sa suporte solicitari mecanice importante, fara aparitia fragilitatii. Rezulta ca ductilitatea sau capacitatea de a se deforma plastic este o proprietate esentiala a metalelor si aliajelor in comportarea acestora in diverse domenii tehnice. Ductilitatea poate fi apreciata prin alungirea relativa a materialului pana in momentul ruperii (fig. 4.5.) sau prin reducerea sectiunii la suprafata de rupere (strictiunea).

Aceste proprietati nu pot fi insa considerate ca un indiciu suficient al lipsei de fragilitate. O proprietate mai revelatoare in acest sens este tenacitatea materialului, exprimata prin REZILIENTA (rezistenta la soc mecanic). Aceasta caracteristica mecanica se masoara prin energia absorbita de material pentru deformarea sa plastica ce precede ruperea.

Atat ductilitatea cat si tenacitatea materialelor metalice sunt puternic dependente de defectele din structura materialului si ca atare sunt proprietati sensibile la procedeele de fabricatie sau sensibile structural.

Ductilitatea materialelor metalice se datoreste prezentei si mobilitatii dislocatiilor din structura cristalina, care fac posibila deformarea plastica a materialului la eforturi ce depasesc limita de elasticitate. Sticla, avand o structura amorfa, nu beneficiaza de un mecanism de curgere plastica cum este oferit de dislocatiile mobile din cristalele metalice.

Tenacitatea metalelor si aliajelor este in general ridicata si ruperea lor are un caracter ductil, fiind precedata de deformari plastice mari. In anumite conditii de solicitare, de temperatura si de stare structurala a materialului, este posibil ca si in metale si in aliaje sa se produca ruperi fragile.

4.1.3 Ecruisajul (durificarea sub efort)

Pe masura ce deformarea plastica progreseaza, deformarea in continuare devine din ce in ce mai dificila, pana ce in final inceteaza complet, efortul aplicat provocand ruperea materialului metalic. Aceasta inseamna ca dupa un anumit grad de deformare plastica alunecarile pot continua numai daca se aplica un efort din ce in ce mai mare. Aceasta comportare a materialelor metalice este numita ECRUISAJ sau durificarea sub efort si este pusa in evidenta pe curba tensiune-defromatie a unui material metalic (otel), asa cum se constata in fig. 4.6.

Conform celor prezentate anterior, panta comportarii plastice reprezinta modulul de plasticitate sau modulul de ecruisaj. La acelasi grad de deformare efectele ecruisajului asupra proprietatilor sunt mai puternice in materialul cu graunti fini decat in cele cu granulatie groba, in aliaje ce contin atomi straini dizolvati. De asemenea efectele ecruisajului sunt mai pronuntate in metalele cristalizate in retea CFC decat in cele cu retea CVC si HC.

Modificarile structurale la nivelul retelei cristaline si a defectelor acesteia produse de deformarea plastica au consecinte practice foarte importante, provocand schimbari drastice ale proprietatilor mecanice sensibile la structura. In special ecruisajul produce cresterea puternica a caracteristicilor de rezistenta mecanica si o diminuare a plasticitatii materialului metalic. Ca ordin de marime rezistenta mecanica obtinuta prin ecruisaj este pentru majoritatea metalelor de E/100 pentru limita de curgere. Cele mai mari cresteri ale limitei de curgere se obtin la ecruisajul produs prin trefilarea sarmelor.

O caracteristica mecanica corelata cu valorile rezistentei, care de asemenea creste prin ecruisaj, este duritatea. Ecruisajul modifica si proprietatile fizice ale materialelor metalice ca rezistivitatea electrica (care creste), proprietatile magnetice, etc.

Efectele ecruisajului asupra proprietatilor materialelor metalice nu sunt stabile la variatia temperaturii, ele putand fi eliminate la incalzirea materialului la temperaturi ce permit difuzia in cristale; asemenea incalziri se numesc recoaceri de recristalizare.

4.1.4 Ruperea materialelor metalice

Prin rupere se intelege fenomenul de fragmentare al unui corp in doua sau mai multe bucati sub actiunea unor tensiuni interne sau externe. Aspectul metalografic al suprafetelor de rupere pune in evidenta caracterul ruperii care poate fi:

Rupere ductila sau prin deformare plastica continua; este caracteristica metalelor care se ecruiseaza putin (fig. 4.7.a)

Rupere fragila sau prin clivaj se produce fara deformare plastica prealabila si are loc pe suprafetele de separare normale la planele cristalografice de mare densitate atomica (fig.4.7.b) In anumite conditii metalele cu reteaua CVC sau HC se rup in acest mod..

b)

Micrografiile electronice din fig. 4.8. pun in evidenta aspectul suprafetei de rupere prin clivaj (fig.4.8.a) si respectiv ruperea prin deformare plastica (fig.4.8.b).

Ruperea intergranulara sau prin separare intercristalina se deosebeste principial de tipurile precedente care erau ruperi transcristaline (prin interiorul grauntilor).

In cazul ruperii intercristaline grauntii nu se fragmenteaza ci se separa intre ei. Acest tip de ruperi se produce la temperaturi uzuale cand limita de graunte a fost slabita prin precipitari de faze secundare sau prin procese de coroziune (fig.4.9.). In acest din urma caz zonele de la limita de graunte sunt fie fragilizate (de oxizi, hidruri sau nitruri), fie slabite prin modificari chimice sau structurale in cazul coroziunii intercristaline.

Intre tipurile extreme de rupere se situeaza o varietate de moduri de rupere observate in materialele metalice, dintre care cele mai importante practic sunt:

Ruperea cupa-con, ilustrata in figura 4.7.a, se produce in epruvetele de materiale ductile incercate la tractiune. Gatuirea care se formeaza in epruveta, ca efect al ductilitatii metalului, introduce o componenta de rupere fragila in zona A, cand suprafata de rupere este normala pe directia efortului de tractiune, in timp ce in zona C in care ruperea a produs deformare plastica (in mod ductil) suprafata de rupere corespunde planelor situate la 45⁰ fata de efortul de tractiune;

Ruperea la oboseala reprezinta o varietate de rupere fragila (fig.4.10), deci neprecedata de o deformare plastica vizibila. Aceasta rupere se produce in materiale metalice ductile supuse la solicitari alternative de intindere si compresiune.

Aspectul microscopic al suprafetei de rupere la oboseala este caracteristic si cuprinde doua zone distincte: Prima zona are un aspect neted si corespunde propagarii fisurii de oboseala de la punctul de origine al acesteia (de obicei o neomogenitate chimica, structurala sau geometrica cu rol de concentrator de tensiuni). A doua zona, cu aspect rugos, corespunde ruperii bruste care s-a produs in momentul cand fisura de oboseala a redus sectiunea eficace a piesei sub valoarea la care putea sa suporte sarcina aplicata.

Ruperea la oboseala este transcristalina cand se produce la temperaturi joase si devine intergranulara cand temperatura este ridicata.

Efortul necesar de rupere este definit ca rezistenta teoretica de rupere a materialului metalic, care este de ordinul 700-1400daN/mm² si este caracteristic pentru materialele perfecte (Whiskers). Aceasta rezistenta teoretica poate fi calculata cu relatia:

unde:

E - modul de elasticitate longitudinal;

g - energia superficiala specifica a materialului metalic;

a₀ - parametrul retelei cristaline.

Relatia de mai sus arata ca materialele de mare rezistenta mecanica trebuie sa aiba valori ridicate pentru modulul Young si pentru energia superficiala si valori scazute pentru distanta interatomica. Considerand valorile tipice pentru metale: a = 3x10^-10 m (~3Å);    g = 1J/m² (10³ ergi/cm²) si E= 100 GPa (10⁴ daN/mm²) , rezulta din ecuatia de mai sus ca rezistenta teoretica de rupere este σ_t =18 GPa sau 1800 daN/mm², deci cca E/6.

Rezistenta de rupere pentru materialele metalice reale este cu cateva ordine de marime mai mica: σ_r= E/1000. In cazul materialelor fragile valoarea scazuta a rezistentei la rupere se explica prin prezenta defectelor interne sau superficiale care actioneaza sub forma de concentratori de tensiuni. In cazul metalelor ductile rezistenta scazuta la rupere se explica prin prezenta defectelor de retea cristalina (mai ales dislocatii), care permit deformarea plastica la eforturi mult mai mici decat cele necesare pentru invingerea fortelor de coeziune.

Esential este ca ruperea materialelor reale se produce secvential si nu simultan, pe intreaga suprafata de rupere, asa incat rezistenta teoretica trebuie depasita numai local, efortul mediu aplicat fiind mult inferior rezistentei teoretice. Majoritatea metalelor si aliajelor sunt materiale ductile, dar in anumite conditii de solicitare ele pot suferi ruperi fragile.

Tipul de rupere care se produce intr-un metal depinde de valorile relative ale rezistentei la forfecare (exprimata prin limita de curgere R_c) si rezistenta coeziva data de fortele de interactiune dintre atomi. Daca rezistenta coeziva este mai mare decat rezistenta la forfecare, materialul se va deforma plastic si ruperea va fi ductila. Dimpotriva daca rezistenta la forfecare este mai mare decat rezistenta coeziva, nu se va produce nici o deformare plastica inaintea ruperii, aceasta rupere va fi fragila.

Tranzitia ductil-fragil este determinata de o serie de factori printre care se mentioneaza: distributia eforturilor, dimensiunile piesei, starea suprafetei, natura si volumul defectelor, prezenta neomogenitatilor chimice sau geometrice ce pot produce efecte de crestare si de concentrare a tensiunilor, care pot determina o rupere fragila intr-un material ductil. Caracterizarea conditiilor de producere a tranzitiei ductil-fragil pentru un anumit material este facuta prin curba temperaturii de tranzitie (fig.4.11.).

Curba inregistreaza in functie de temperatura, variatia energiei consumate pana la rupere, masurata prin incercarea de rezilienta. Energia consumata pana la rupere este o masura a tenacitatii materialului si scaderea brusca a valorii sale indica temperatura de tranzitie de la comportarea ductila a materialului la o comportare fragila. Daca tranzitia ductil-fragil se produce intr-un interval ingust de temperatura, sensibilitatea la crestare a materialului este mai mare.

Din punct de vedere tehnic este important, pentru materialele sensibile la crestare ,ca temperatura de serviciu sa fie suficient de inalta in raport cu temperatura de tranzitie, pentru a fi eliminate riscurile de comportare fragila.

Influenta factorilor metalurgici asupra tranzitiei ductil-fragil poate fi dedusa din ecuatia Cottrell pentru cresterea si propagarea unei fisuri, intr-un material cu diametrul mediu al grauntilor 2d, la aplicarea unui efort egal cu limita de curgere a materialului. Ecuatia Cottrell are forma:

unde:

s_I si B sunt constante din relatia Petch (s_c s_i+B

s_c este limita de curgere;

s_i si B sunt constante dependente de material;

d - diametrul mediu al grauntilor;

G si g sunt modulul de elasticitate transversal si energia superficiala specifica a fisurii;

b este o constanta dependenta de tipul solicitarii ( b =1 pentru incercare la tractiune , b =1/3 pentru incovoie sub soc).

Cand membrul intai al ecuatiei Cottrell este mai mic decat membrul doi comportarea materialului va fi ductila si viceversa. Analiza ecuatiei Cottrell conduce la urmatoarele concluzii:

a) Influenta vitezei de aplicare a sarcinii si a prezentei crestaturilor se manifesta prin trecerea de la solicitarea statica la cea dinamica iar valoarea constantei b scade de la 1 la 1/3;

b) Influenta granulatiei si a compozitiei materialului se manifesta prin valoarea critica a diametrului de graunti sub care materialul va fi ductil si deasupra careia materialul va fi fragil. Astfel durificarea produsa prin finisarea granulatiei mentine tenacitatea materialului, in timp ce celelalte procese de durificare, marind numai valoarea σ_i, micsoreaza tenacitatea. Eliminarea cat mai avansata a impuritatilor gazoase din metale (N, H) micsoreaza termenul σ_i si mareste in consecinta tenacitatea metalelor, mai ales in prezenta unor elemente de aliere ca: V, Ti, Cr, Mo;

c) Influenta tratamentelor termice asupra tranzitiei ductil-fragil se manifesta prin finisarea granulatiei. De asemenea, unele elemente de aliere (Cr, Ni) prezente in oteluri conduc la obtinerea de structuri fine ca si diminuarea altor elemente care favorizeaza structuri grosolane;

d) Influenta ecruisajului se manifesta prin aceea ca la deformarea la rece se deblocheaza unele dislocatii care amelioreaza ductilitatea. De exemplu cromul mareste ductilitatea aliajelor la o deformare plastica la 400⁰C. La grade medii si mari de deformare, ecruisajul are efect negativ, reduce ductilitatea materialului deoarece mareste termenul σ_i din relatia Cottrell;

f) Influenta microstructurii se manifesta prin distanta pe care se propaga o fisura pe un plan de alunecare. Cu cat aceasta distanta este mai mica cu atat este mai redusa fragilitatea, deci ductibilitatea se poate mari nu numai prin finisarea granulatiei matricei aliajului ci si prin cresterea finetii amestecului de faze.

Uzura mecanica este o alta cauza care scoate din uz un material. In general, rezistenta la uzare creste cu duritatea materialului, dar aceasta nu poate fi oricat de mare deoarece afecteaza proprietatile de tenacitate.

Tratamentele termice care conduc la asocieri optime de duritate si tenacitate produc structurile cele mai adecvate in comportarea la uzare.

4.1.5 Tenacitate, rezilienta, duritate

Durata de exploatare a elementelor de constructie metalica depinde de corecta proiectare a acestora si de selectia adecvata a materialelor din care sunt confectionate. O serie de proprietati mecanice, cum sunt caracteristicile de rezistenta ale materialului, intervin direct in calculele de proiectare, dar alte proprietati ca tenacitatea, rezilienta, duritatea, desi nu sunt implicate in aceste calcule, conditioneaza in mare masura fiabilitatea in exploatarea produselor metalice si durata lor de viata, intrucat intervin in procesele de deformare plastica, de rupere si de uzura mecanica ce conduc la scoaterea din uz a acestor produse.

Tenacitatea reprezinta capacitatea materialului de a absorbi energie in procesul de deformare plastica pana in momentul ruperii. In incercarile mecanice tenacitatea se masoara prin aria de sub curba tensiune-deformatie, intrucat aceasta reprezinta lucrul mecanic consumat pana la ruperea materialului (fig.4.12).

Tenacitatea raportata la unitatea de volum reprezinta modulul de tenacitate T al materialului (energia absorbita de unitatea de volum a materialului pana la rupere).

In absenta curbei tensiune-deformatie modulul de tenacitate poate fi determinat cu relatiile simplificate:

care in diagrama tensiune-deformatie reprezinta :

R_p - limita de curgere;

R_u - tensiunea in momentul ruperii;

ε_r - deformatia pana la rupere.

Relatiile de mai sus se aplica materialelor care prezinta o forma parabolica a curbei tensiune-deformatie. Din definitia modulului de tenacitate si din relatiile prezentate se trage concluzia ca materialele cu tenacitate mare trebuie sa aiba o limita de curgere ridicata si o ductilitate mare; materialele fragile au tenacitatea scazuta pentru ca acestea prezinta o deformatie plastica mica inaintea ruperii.

Tenacitatea este puternic afectata de viteza de aplicare a sarcinii. Sub solicitari dinamice de soc se determina tenacitatea dinamica, care este influentata la randul ei de prezenta crestaturilor in materiale.

- Rezilienta sau tenacitatea dinamica consta in incercarea la incovoiere sub soc, pe epruvete crestate in forma de U - simbolizate KCU, sau in forma de V - notata KCV. Incercarea de rezilienta consta in ruperea dintr-o singura lovitura, cu un ciocan pendul, a unei epruvete crestate cu capetele rezemate sau incastrate.

Rezilienta se noteaza cu K si reprezinta energia absorbita in procesul de rupere, care se poate exprima fie prin energia raportata la unitatea de suprafata a epruvetei (daJ/mm² sau Kgf/mm² ) sau direct prin energia absorbita la rupere (daJ sau Kgfm).

Exista mai multe tipuri de epruvete pentru incercarea la rezilienta, acestea sunt standardizate si schematic sunt prezentate in fig. 4.13. Cel mai utilizat aparat pentru determinarea rezilientei este ciocanul Charpy cu o energie disponibila de 10, 15 sau 30daJ(Kgfm).

Notandu-se cu G greutatea ciocanului Charpy, cu W lucrul mecanic consumat in procesul ruperii, cu H si a inaltimea ciocanului inainte de cadere si unghiul facut de el cu verticala, iar cu h si b aceleasi marimi dupa rupere rezulta conform fig.4.14.

W = GH - Gh

H = l (1-cosa

h = l (1 - cosb

W = Gl (cosb - cosa

Rezultatele incercarii de rezilienta depind de tipul eprubetei si deci este necesar sa se precizeze conditiile in care a fost determinata incercarea. Astfel rezilienta determinata pe probe normale Charpy U se noteaza cu KCU_nh; indicele n arata energia disponibila a ciocanului, iar h semnifica adancimea crestarii, de ex. KCU_15/2 = 7daJ/cm².

- Duritatea reprezinta rezistenta materialului la zgarierea cu un corp strain sau la patrunderea acestuia in adancimea sa. Cele mai raspandite pentru metale sunt incercarile de duritate bazate pe rezistenta la penetratie in conditii standardizate. Penetratorul dur, standardizat sub forma de bila din otel calit, con sau piramida de diamant, este presat pe suprafata materialului cu o sarcina anumita, provocand o deformare elastica si apoi plastica. Prin masurarea ariei amprentei lasate de penetrator sau a adancimii de penetratie se atribuie materialului o cifra de duritate pe una din scarile Brinell, Rockwell sau Vickers, conform scalelor din fig.4.15.

Duritatea materialelor metalice creste, la fel cu celelalte caracteristici mecanice de rezistenta, prin aliere, ecruisaj, tratamente termice.

Fig. 4.15 Amplasarea duritatii materialelor si compararea scarilor de duritate

4.1.6 Superplasticitatea metalelor

Proprietatea de superplasticitate reprezinta capacitatea unor aliaje de a se deforma plastic cu grade mari de deformare, sub actiunea unor eforturi mici, fara risc de rupere prematura prin gatuire. Alungirile la rupere manifestate in conditii optime pentru aliajele superplastice sunt de ordinul sutelor sau chiar miilor de procente.

In tabelul 4.2. sunt prezentate unele aliaje care manifesta superplasticitate, precum si alungirile maxime obtinute in aceste materiale.

Superplasticitatea se manifesta la viteze mici de deformare plastica (de ordinul 10^-3/sec.) daca sunt indeplinite doua conditii:

granulatia fina si stabila a grauntilor;

temperatura de deformare este de ordinul 0,5T_top (in grade absolute).

Tabelul 4.2 Exemple de aliaje metalice superplastic

Avantajul utilizarii practice a acestei proprietati il prezinta deformarea sub presiune a aliajelor metalice in forma de table subtiri , asa cum este cazul aliajului Ti6Al4V care se poate deforma usor la presiuni mici de deformare (fig.4.16), la temperatura de 927⁰C, cu o viteza de deformare de 2 ·10^-4 sec.

Un procedeu de obtinere a comportarii superplastice a aliajelor metalice consta in realizarea tratamentelor termo-mecanice de finisare a granulatiei aliajelor bifazice.

Pe aceasta cale se pot obtine alungiri mari, fara gatuire, la otelurile cu continut redus de carbon (0,13-0.15%C), prin laminare in stare austenitica la temperaturi in apropierea punctului A₃ (900⁰C), urmata de racirea in aer. O alta categorie de aliaje cu comportare superplastica obtinuta prin tratamente termo-mecanice, o constituie aliajele din otel inoxidabil din sistemul FeCrNi, cu mici adaosuri de titan. Superplasticitatea se obtine in aceste aliaje prin laminarea la cald la temperaturi de 925-950⁰C, cu o viteza de deformare de 10^-1mm/sec.

Din aliajele superplastice biocompatibile (otelul inoxidabil austenitic si aliaje pe baza de titan) se pot obtine cu usurinta o serie de componente protetice sau instrumentar medical.

4.1.7 Densitatea si porozitatea

Densitatea r a unui material este definita ca raportul dintre masa si volumul sau, conform relatiei:

Un biomaterial metalic ce inlocuieste un volum echivalent de tesut uman poate avea o greutate diferita, ca urmare a diferentei de densitate, si deci in unele cazuri fenomenul poate da complicatii.

In cadrul producerii protezelor metalice, porozitatea in materiale este o caracteristica nedorita deoarece porii concentreaza tensiunile, scazand rezistenta mecanica. In alte cazuri porozitatea este obtinuta intentionat in materiale mai ales porozitatea superficiala care are un rol activ in legarea tesutului viu de proteza.

Gradul de impachetare a particulelor ce constituie un material poate fi caracterizat cantitativ prin densitatea aparenta si marimile conexe ca :volumul specific aparent, densitatea relativa, volumul relativ si porozitatea, asa cum au fost prezentate la punctul 2.8.

Densitatile unor materiale utilizate in domeniul ortopedic sunt prezentate in tabelul 4.3.

Densitatea materialelor metalice este un parametru variabil care este influentat de puritatea metalului, temperatura si modul de prelucrare metalurgica. Metalele prelucrate plastic la cald au densitatea mai ridicata in comparatie cu cele turnate datorita compactitatii mai mari a metalului.

Pentru materialele poroase obtinute prin metalurgia pulberilor porozitatea este un parametru esential care caracterizeaza starea fizica a acestora.

Tabelul 4.3 Densitatile unor biomateriale