Materiali Metallici. Introduzione Processi di lavorazione Corrosione OAP

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1 Materiali Metallici Introduzione Processi di lavorazione Corrosione OAP

2 Legame metallico Il legame metallico è basato su forze elettrostatiche di attrazione tra gli elettroni delocalizzati (elettroni di conduzione) ioni metallici carichi positivamente

3 Reticoli

4 Reticoli

5 Piani di scorrimento Slip plane Slip line

6 Difetti Puntuali: vacanze, interstizi Lineari: dislocazioni Superficiali: bordi di grano

7 Vacanze e Interstizi Vacanza Atomo interstiziale Atomo sostituzionale

8 Tensioni di scorrimento τ = τ max sin( 2πx / a) τ 2πx / a τ = G γ = G x / d τ max 2πx / a = G x / d max τ cr τ cr = τ = G / 2π = max G G τ = G a / 2πd max

9 Dislocazione a spigolo Vettore di Burgers: caratterizza l impatto della dislocazione nel reticolo Nelle dislocazioni a spigolo b linea della dislocazione D.R. Askeland and P.P. Phule, The Science and Engineering of Materials, Brooks/Cole (2003).

10 Dislocazione a vite Nelle dislocazioni a vite b // linea della dislocazione D.R. Askeland and P.P. Phule, The Science and Engineering of Materials, Brooks/Cole (2003).

11 Dislocazioni miste Dislocazioni che hanno una componente a spigolo ed un a vite

12 Scorrimento di una dislocazione a spigolo La rottura di un legame per volta è un processo energeticamente più favorevole rispetto alla rottura di tutti i legami D.R. Askeland and P.P. Phule, The Science and Engineering of Materials, Brooks/Cole (2003).

13 Moto delle dislocazioni William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, An Introduction, John Wiley & Sons, Inc. (2003)

14 Incrudimento Le dislocazioni interagiscono tra loro e si ostacolano negli scorrimenti. Aumento delle proprietà meccaniche della parte post flusso plastico σ UTS σ σ YU σ YL Strain hardening ε f ε

15 Materiali policristallini Differenti grani cristallini sono caratterizzati da diverse orientazioni Le dislocazioni non possono passare i bordi di grano D.R. Askeland and P.P. Phule, The Science and Engineering of Materials, Brooks/Cole (2003).

16 TECNOLOGIE DI PROCESSO

17 TECNOLOGIE DI PROCESSO

18 TECNOLOGIE DI PROCESSO

19 TECNOLOGIE DI PROCESSO TRATTAMENTI TERMICI ANNEALING (RICOTTURA) Consiste nell aumento della temperatura tra un terzo ed un mezzo della temperatura di fusione seguito da un lento e controllato raffreddamento del materiale (ad aria o in forno). Esso viene adoperato per migliorare le proprietà dei materiali che a seguito di lavorazioni meccaniche hanno subito un eccessivo incrudimento ed una perdita di duttilità. QUENCING (TEMPRA) Consiste in un aumento di temperatura negli stessi range dell annealing con un successivo rapido raffreddamento del materiale. Passando rapidamente a temperature molto ridotte, si ha la formazione di strutture metastabili dovute alla sovrassaturazione di uno degli elementi della lega nel metallo base. AGING (INVECCHIAMENTO) Consiste nel trattamento long time di una lega ad una temperatura inferiore alla temperatura di ricottura con la formazione di composti intermetallici (carburi, ossidi) che incrementano le proprietà meccaniche del materiale (carico di snervamento, carico a rottura) senza alterarne il modulo elastico.

20 TECNOLOGIE DI PROCESSO TRATTAMENTI SUPERFICIALI CARBURAZIONE FORMAZIONE DI CARBURI SUPERFICIALI SULLA SUPERFICIE DEL MATERIALE CON SUO CONSEGUENTE INDURIMENTO. NITRURAZIONE FORMAZIONE DI NITRURI A SEGUITO DELLA REAZIONE DEI METALLI IN AZOTO. PASSIVAZIONE CONVERSIONE DI ELEMENTI METALLICI (CROMO,ALLUMINIO, TITANIO) IN OSSIDI O IDROSSIDI MIGLIORANDO LA RISPOSTA ALLA CORROSIONE. LUCIDATURA UTILIZZO DI POLVERI AD ELEVATA DUREZZA PER LA RIMOZIONE DI DIFETTI SUPERFICIALI DOVUTI ALLA LAVORAZIONE MECCANICA. SABBIATURA BOMBARDAMENTO DELLA SUPERFICIE CON PARTICELLE (METALLO, CERAMICA) CHE CONSENTONO LA PULIZIA DELLE SUPERFICI ED UN AUMENTO DELLA DUREZZA SUPERFICIALE IN RELAZIONE ALLA DIMENSIONE DELLE PARTICELLE. LEGHE SUPERFICIALI MODIFICA SUPERFICIALE DELLA COMPOSIZIONE DELLA LEGA PER OTTENERE MODIFICHE DELLE PROPRIETA RISPETTO AL CORE DEL METALLO.

21 TECNOLOGIE DI PROCESSO TRATTAMENTI SUPERFICIALI Burattatura

22 I METALLI COME BIOMATERIALI APPLICAZIONI R. Pietrabissa, Protesi ed Organi Artificiali Patron Bologna 1996

23 BIOMATERIALI METALLICI ACCIAI INOSSIDABILI AUSTENITICI MARTENSITICI LEGHE DI COBALTO TITANIO E SUE LEGHE Cr/Co/Mo TITANIO Cr/Co/Mo/Ni LEGHE Ti/Al/Va LEGHE Ti/Ni (SME) LEZIONE VI BIOMATERIAL METALLICI CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI

24 BIOMATERIALI METALLICI Diagrammi di fase

25 GLI ACCIAI DIAGRAMMA FERRO CARBONIO

26 GLI ACCIAI INOSSIDABILI

27 GLI ACCIAI INOSSIDABILI C. Di Bello, Biomateriali, Introduzione allo studio Patron Editore 2004 LEZIONE VI BIOMATERIAL METALLICI CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI

28 CLASSIFICAZIONE

29 CLASSIFICAZIONE

30 GLI ACCIAI PROPRIETA DEGLI ACCIAI ACCIAI TRADIZIONALI ACCIAI PRIVI DI NICHEL ACCIAI AD ELEVATO CONTENUTO DI AZOTO

31 GLI ACCIAI PROPRIETA DEGLI ACCIAI TRATTAMENTI TERMICI ANNEALING: Elongation at fracture (%) Tensile yield Strenght (MPa) QUENCHING Tensile yield Strenght (MPa) Elongation at fracture (%)

32 GLI ACCIAI INCRUDIMENTO: COLD WORKING COMPORTAMENTO A FATICA

33 LEGHE DI COBALTO LEGA CROMO/COBALTO/MOLIBDENO (COLATA FUSIONE) LEGA COBALTO/NICHEL/CROMO/MOLIBDENO (FORGIATURA) Sensibile all incrudimento -> -> lavorazioni a caldo

34 LEGHE DI COBALTO PROPRIETA MECCANICHE Lunga durata senza presentare fenomeni di frattura o fatica del metallo, (stelo delle protesi d anca). Ridotta resistenza all abrasione (0.14 mm/anno) Diminuzione della duttilità per incrudimenti elevati

35 LEGHE DI COBALTO DISPOSITIVI IMPIANTABILI IN LEGHE DI CO PROTESI ORTOPEDICHE: PROTESI D ANCA PROTESI DI GINOCCHIO

36 TITANIO LE SUE LEGHE TITANIO Esistono due forme allotropiche : a-ti : stabile fino a 882 C, con reticolo EC; b-ti : stabile a temperature maggiori di 882 C, con reticolo CCC. LEGGEREZZA(40% in meno dell acciaio) Ti: Densità 4.5 g/cm 3 Acciaio: 7.9 g/cm 3 Co/Ni/Cr/Mo: 8.3 g/cm 3 OTTIME PROPRIETA MECCANICHE REATTIVITA CON L OSSIGENO ED ALTE TEMPERATURE (GRADO DI PUREZZA) ELEVATA BIOCOMPATIBILITA (BIOSTABILI) BUONA RESISTENZA AGLI ACIDI RESISTENZA ALLA CORROSIONE INTERSIZIALE RIDOTTA RESISTENZA PER EROSIONE (NON ADATTO A PROTESI ARTICOLARI)

37 TITANIO LE SUE LEGHE Alcune delle leghe di titanio più diffuse contengono alluminio e vanadio (F135). La presenza di alluminio rende più stabile la forma α dato che aumenta la temperatura di transizione tra le forme α e β. La presenza del vanadio stabilizza, invece, la forma β. Studi di tossicità compiuti sul vanadio hanno portato alla sua sostituzione con il niobio ed all uso di un altra lega Ti5Al2.5Fe. COMPOSIZIONE

38 TITANIO LE SUE LEGHE PROPRIETA MECCANICHE Basso modulo elastico di Ti6Al4Va ( GPa) circa la metà di quello delle leghe di cobalto mentre doppio il modulo delle leghe Ti5Al2.5Fe. La presenza di impurezze (ossigeno) aumenta la resistenza e riduce la duttilità. Effetti significativi delle proprietà meccaniche dovuti alle modalità di processo

39 TITANIO LE SUE LEGHE ESEMPI DI APPLICAZIONI IN CAMPO ORTOPEDICO

40 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE Insieme di fenomeni chimici che comportano la degradazione delle caratteristiche chimicofisiche di un metallo con progressiva riduzione delle sue proprietà meccaniche. Rilascio di ioni metallici da parte del materiale Tossicità biologica OSSIDAZIONE (aria) CORROSIONE (in soluzione acquosa) CHIMICA (interazione con agenti reattivi nell atmosfera) ELETTROLITICA (processi elettrochimici)

41 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE OSSIDAZIONE E RIDUZIONE Due reazioni complementari: Anodica: Fe Fe ++ +2e - Catodica: In caso di soluzione aerata: ½ O 2 +H 2 O+2e - 2OH - In assenza di ossigeno: 2H + + 2e - H 2 Reazioni della corrosione del ferro : Fe+ ½ O 2 +H 2 0 Fe ++ +2OH - Fe + 2H + Fe ++ + H 2 Reazione anodica e catodica equi-cinetiche (tanti elettroni prodotti dalla reazione anodica tenti ne vengono consumati dalla reazione catodica) Correnti microscopiche (il continuo passaggio di elettroni da anodo a catodo) LEZIONE VI BIOMATERIAL METALLICI CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI

42 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE CONDIZIONI TERMODINAMICHE E c -E a indica il lavoro necessario ad avviare il processo di corrosione E c -E a 0 LAVORO MOTORE E c E a si ha corrosione PH = 0 Ec = 1.23 PH = 7 Ec = 0.80 E c -E a 0 E c E a non si ha corrosione DIPENDENZA DAL PH Il PH condiziona il potenziale elettrochimico della reazione catodica. Tenendo presenti i valori di PH nei diversi siti dell organismo si può sempre verificare la condizione di corrosione per qualsiasi metallo puro (escluso l oro ) CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI

43 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE POTENZIALI ELETTROCHIMICI E c -E a 0 Catodici Reazioni ph=0 ph=7 ph=14 2H e - H ½ O 2 +H 2 0+2e - 2OH Anodici Au Pt Ag Cu Fe(3) Pb Sn Mo Ni Co Fe(2) Cr Zn Mn

44 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE MECCANISMI DI CORROSIONE 1. CORROSIONE GENERALIZZATA (CG) In un metallo, la variazione puntuale istantanea di anodo e catodo determina una corrosione diffusa lungo l intera superficie del metallo. V < 1 μm/anno (leghe di cobalto e acciai) V = 10 μm/anno (leghe di titanio) 2. CORROSIONE BIMETALLICA (CB) Contatto elettrico tra i due metalli Si corrode il meno nobile (E più basso) Velocità di corrosione più alta rispetto a CG Fenomeno favorito da PH acido Effetto di deformazioni plastiche CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI

45 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE MECCANISMI DI CORROSIONE 2. CORROSIONE BIMETALLICA (CB)

46 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE MECCANISMI DI CORROSIONE 3. CORROSIONE INTERSTIZIALE (CI) Nelle fessure presenti tra due parti adiacenti di un impianto (tra vite e placca di osteosintesi) Fessure piccole ( μm) Riduzione catodica dell ossigeno dall interno verso l esterno della fessura Trasporto di ioni negativi (es. cloruri) verso l anodo (nella fessura) con la formazione di acidi che riducono il PH favorendo i meccanismi di corrosione. 4. CORROSIONE PER VAIOLATURA (CV) Un caso particolare di CI con fessure più grandi ( μm) e di forma variabile (ulcere, caverne, crateri). Accoppiato a fenomeni di fatica può determinare la rottura parziale del pezzo. Ridotta zona catodica ed ampia zona anodica. Formazione di cloruri che abbassando il PH favoriscono la corrosione. ACCIAI INOX LEGHE CO LEGHE Ti RESISTENZA ALLA CI decrescente

47 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE MECCANISMI DI CORROSIONE 5. CORROSIONE INTERGRANULARE (CIGa) Tipica degli acciai inossidabili e di leghe con Cr > 12% La precipitazione di carburi di cromo a bordograno dovuta a temperature critiche porta locali riduzioni del cromo. Attivazione di fenomeni di corrosione Effetto delle inclusioni a bordograno. 6. CORROSIONE INTRAGRANULARE (CIGb) Una corrosione CB all interno del grano Nelle leghe multifase, ciascun grano può presentare fasi distinte.

48 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE MECCANISMI DI CORROSIONE 7. CORROSIONE PER EROSIONE (CE) In presenza di un flusso dell elettrolita, esso rimuove i prodotti della corrosione (ossidi). Il film di passività che si forma viene eliminato lasciando una nuova superficie da erodere. Velocità di corrosione elevatissima. In caso di flusso con particelle solide il meccanismo viene amplificato da fenomeni di bombardamento locale. 8. CORROSIONE SOTTOSFORZO (CS) Nel caso di materiali sottoposti a sforzi che favoriscono la formazione di cricche a contatto con agenti, da soli, poco corrosivi. Un esempio particolarmente critico è l accoppiamento tra la corrosione e fenomeni si sollecitazione ciclica (fatica)

49 IL PROBLEMA DELLA CORROSIONE CORROSIONE E FENOMENI DI FATICA CORSO DI BIOMATERIALI SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI