Materiali metallici Flashcards
(36 cards)
CARATTERISTICHE
sfrutta un legame metallico, ossia la condivisione di elettroni in una nuvola elettronica.
La struttura cristallina può essere:
- CCC;
- CFC;
- esagonale centrato.
PROPRIETA’
- Conduttori elettrici e termici (grazie al legame metallico);
- Comportamento elasto-plastico (non si ha una rottura improvvisa);
- Modulo elastico E elevato;
- Alto punto di snervamento;
- Buona resistenza a fatica (no titanio);
- Elevata duttilità (si può deformare);
- Comportamento viscoelastico (negativo) solo ad alte temperature, non a temperatura ambiente;
- Facile da lavorare;
- Alta radiopacità (si vede tramite TAC e raggi x MA sono necessari
accorgimenti); può essere usato anche come additivo per cemento
osseo in modo tale che sia visibile.
CONTRO
biocompatibilità correlata a problemi di corrosione; dannoso se in quantità elevata nel corpo umano.
APPLICAZIONI
- protesi ortopediche;
- protesi dentali;
- strumenti chirurgici;
- parti di strumentazioni biomedicali.
COMPORTAMENTO DEI MATERIALI METALLICI
I materiali metallici presentano un comportamento elasto-plastico, ossia:
- in una prima fase hanno un comportamento elastico che segue la legge di Hooke ( sigma = E*epsilon);
- dopo una certa tensione di snervamento seguono la legge di Ramberg-Osgood (sigma = H * epsilon^n).
LEGHE METALLICHE
I materiali metallici non vengono mai utilizzati come elementi puri, ma in genere come leghe.
Una lega metallica è la combinazione di un metallo (base) e altri elementi (metallici o non) che serve a migliorare le proprietà
rispetto ai metalli basici, che spesso presentano difetti.
NON esiste una composizione univoca di metallo e di elemento aggiuntivo, ma la percentuale dell’uno o dell’altro può variare in base allo scopo che si ha (a volte nelle leghe sono presenti anche scorie aggiuntive indesiderate ma imprescindibili, dovute al processo).
La lega si ottiene grazie a processi di fusione (ad alte temperature) oppure sinterizzazione (ad alte pressioni, per elementi ceramici aggiuntivi).
Le proprietà (temperatura di fusione/fragilità ecc) dipendono da:
- proprietà degli elementi costitutivi; - dall’energia dei legami;
- dal tipo di cella elementare;
- dalla temperatura a cui si trova la lega.
In particolare, le proprietà delle leghe metalliche sono descritte dal diagramma delle fasi.
Una fase è una porzione del materiale strutturalmente e chimicamente omogenea, quindi si può avere:
- lega a unica fase: soluzioni solide di elementi metallici;
- lega a multifase: miscuglio di fasi metalliche.
SOLUZIONI SOLIDE
Per quanto i reticoli cristallini abbiano struttura periodica policristallina, presentano sempre difetti. A seconda del tipo di materiale che si sta legando, si può parlare di:
- Soluzione solida sostituzionale: se gli atomi dei due elementi sono simili, accade che gli atomi dell’elemento aggiuntivo
sostituiscono quasi perfettamente quelli del metallo base, pur inducendo comunque cambiamenti;
- Soluzione solida interstiziale: se l’atomo dell’elemento aggiuntivo hanno dimensioni molto minori del metallo base, essi si inseriscono negli interstizi del “solvente” ; ciò comporta una deformazione del reticolo, ne consegue fragilità (proporzionale alla quantità di soluto).
DIAGRAMMA DELLE FASI
In generale, un materiale metallico puro ha una precisa temperatura di fusione, al di sotto della quale il materiale si trova allo
stato solido (la temperatura di fusione è una linea retta).
Considerando due materiali A e B, a due diverse temperature di fusione (TfA,TfB), la lega formata dalla loro unione non ha una
specifica temperatura di fusione: esiste una fascia di temperature entro cui la lega inizia a solidificare (formando dei grani α)
fino a che tutta la parte liquida non si è trasformata in grani.
Esistono materiali a memoria di forma: anche se vengono deformati, una volta che si scaldano sono capaci di tornare alla forma iniziale.
In genere si tratta di Nichel in combinazione con altri materiali.
DIAGRAMMA DELLE FASI - LEGHE BINARIE EUTECTICHE
Esistono altri casi di leghe, dette leghe binarie eutectiche, caratterizzate da un punto eutectico.
Punto eutectico: punto in corrispondenza del quale non si ha una fascia di temperature, ma una precisa temperatura di fusione (minore delle due temperature di fusione singole).
In corrispondenza di composizioni percentuali del materiale B appena minori o appena maggiori, si ha un sistema con una fase liquida L insieme ai grani α o β.
Superata la temperatura di fusione, al variare delle regioni del grafico si possono ottenere leghe diverse con diverse strutture:
- CASO A: dopo una certa temperatura, si forma un materiale liquido L + grani α e poi solido di tipo α;
- CASO B: dopo una certa temperatura si ha liquido L + α, poi il solido di tipo α e poi solido di tipo α+β;
- CASO C: in una fascia di temperature si trova liquido L + α, poi lega solida α circondato da grani β;
- CASO D: in corrispondenza della temperatura del punto eutectico, si ha il passaggio diretto da liquido a lega solida di
tipo α+β.
Queste curve valgono per processi di raffreddamento molto lenti e al variare dei casi si hanno solidi con proprietà
peptiche diverse: i grani crescono diversamente in base al processo di raffreddamento.
Nel punto eutectico invece si ha la formazione di una struttura precisa data dall’alternanza dei due diversi grani.
DIAGRAMMA DELLE FASI FERRO-CARBONIO
In ordinata si trovano le temperature, fra 400 e 1600°C.
All’origine corrisponde una percentuale di ferro 100%, che poi diminuisce all’aumentare della percentuale di carbonio in ascissa.
Si definiscono 2 regioni:
- Acciaio: una lega con una percentuale di carbonio inferiore C% < 2,1%,
materiale duttile, malleabile, molto facile da lavorare;
- Ghisa: una lega con una percentuale C% > 2,1%,
materiale fragile, non resiste a trazione, può essere forato.
In corrispondenza di C% = 4.3 e T=1147°C si ha un punto eutectico (passaggio diretto da liquido a solido).
La percentuale massima di solubilità del carbonio nel ferro è intorno al 6.67%.
ZONA ACCIAIO
In corrispondenza di C%= 0.02% e T = 1500°C si ha trasformazione peritectica:
- Transizione tra liquido e ferrite δ da cui poi si formano Austenite + liquido e
Austenite.
In corrispondenza di C% = 0.76% e T= 727°C si ha punto eutettidico:
trasformazione da solido a solido: transizione da Austenite a Ferrite α
In base al punto eutettidico si possono distinguere:
- Acciai ipoeutectidi: per C% < 0.76%
- Acciai ipereutectidi: per C% > 0.76%
Nel diagramma ferro carbonio sono rappresentate le varie fasi delle leghe.
Infatti il ferro puro in natura non esiste; il carbonio non si instaura completamente nel reticolo del ferro, per questo abbiamo tre distinte forme allotropiche, ad ognuna delle quali corrisponde una fase:
- Fase α: ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo CCC del ferro α, che producono notevoli distorsioni, per questo la solubilità del carbonio è molto limitata e ha valore massimo 0.02% (a 727°C).
- Fase γ: austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (CFC).
La struttura cristallina del ferro γ favorisce una maggiore solubilità. Esiste solo per una condizione metastabile (temperature alte).
- Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (CCC). Valgono considerazioni analoghe alla ferrite α.
- Fase Fe3C: Cementite. È un composto intermetallico duro e fragile, costituito da ferro e carbonio, in cui la percentuale di quest’ultimo elemento è pari
al 6,69% in massa. Si tratta quindi di un carburo di ferro indicato con il simbolo Fe3C. La struttura cristallina è in grani di solidi intermetallici, è formata quindi da celle tutte uguali fra di loro. Un elemento è presente nel reticolo dell’altro elemento in modo costante e regolare. In particolare, la perlite ha scarse caratteristiche meccaniche.
DIAGRAMMA DI FASE - LEGHE CON TITANIO/ALLUMINIO
Il titanio non viene mai utilizzato da solo, ma spesso addizionato all’alluminio (o con il vanadio).
Si distinguono due tipi di titanio:
- Titanio α: struttura esagonale compatta;
- Titanio β: struttura cubica a corpo centrato.
Vantaggi:
Importante dal punto di vista biomedicale perché favorisce l’osteointegrazione e a livello di corrosione non crea, come l’acciaio, ruggine ma crea una superficie esterna ben adesa protettiva che riduce le interazioni con l’esterno senza disperdere nulla.
Svantaggi:
Hanno un costo elevato perché è difficile da lavorare ad alte temperature e c’è un alto rischio di grippaggio, ossia tende a
saldarsi con le punte degli strumenti –> si risolve con sinterizzazione (MA deve essere eseguita in camera chiusa).
Sono molto sensibili alle concentrazioni di tensione in corrispondenza del taglio.
Non hanno un limite di fatica, ossia una tensione che riescono a sopportare anche in infiniti cicli, mentre invece l’acciaio ce l’ha
(resiste a vita infinita).
LEGHE PER APPLICAZIONI BIOMEDICALI
- acciaio inossidabile: formato da Ferro + altri materiali. Con cobalto diventa resistente a corrosione (problema: particelle si disperdono e protesi è meno resistente). Applicazioni: protesi, dispositivi chirurgici, dispositivi osteosintesi;
- superleghe, leghe di cobalto: : formato da Cromo + altri materiali –> Lega di cromo-cobalto. Applicazioni: impianti;
- titanio: leghe titanio-alluminio. Applicazioni ortopediche.
PROCESSI TECNOLOGICI DI LAVORAZIONE
In genere un pezzo viene prodotto utilizzando una serie di processi produttivi diversi.
Esistono 4 tipi di lavorazione
1. Processo di stampaggio a caldo: si cola materiale fuso e si fa raffreddare;
2. Processo di stampa a freddo: il materiale di partenza è solido e lo si deforma;
3. Sinterizzazione: permette di avere un materiale, a partire da un semilavorato, con varie tipi di forma in tempi brevi;
4. Lavorazioni tensili: diversi scopi, diverse tirature ma legati a un costo elevato.
STAMPAGGIO A CALDO
Si usa per una produzione non troppo ampia perché si utilizzano attrezzature che permettono di realizzare il pezzo un numero limitato di volte prima di essere buttati.
Ulteriori problemi:
- geometria dei materiali che posso utilizzare: poiché si ha una solidificazione da un materiale liquido, è difficile realizzare certi tipi di forma;
- la finitura non è massima perché presenta numerose imprecisioni e non garantisce sicurezza in caso di applicazioni dinamiche;
- è possibile utilizzare polimeri termoplastici ma non termoindurenti;
- si producono molti scarti.
Abbiamo diversi tipi:
- colata in sabbia;
- fusione per gravità;
- fusione sotto pressione.
IN GENERALE:
- maggiore è la numerosità dei pezzi e minore è il numero di scarti, maggiore è il costo; il numero di scarti è legato a
quanto si è stringenti sulla variabilità di dimensioni;
- nel momento in cui si migliora la finitura a valle del processo (lucidatura a specchio) diminuisce la rugosità –> pezzo
migliore ma a costo elevato;
- NB: nei giovani vengono messe protesi + rugose per migliorare l’integrazione della protesi con l’osso.
COLATA IN SABBIA
Questo metodo consiste nel compattare la sabbia, inserire una struttura con la forma
desiderata che appunto crea lo stampo in cui poi si insinuerà il metallo fuso, attraverso un canale.
Rischi: bordi non ben definiti, zone vuote interne (che creano cricche), materiale si
raffredda troppo presto e non permette il passaggio in tutto lo stampo
–> problema: qualità del prodotto finito.
Possibili soluzioni: più canali in cui inserire il metallo fuso, macarozza: zona aggiuntiva che si va a riempire quando tutto il resto è pieno e quindi è una verifica.
Tuttavia, spesso in base a come si solidifica (prima esterno e poi interno) è possibile che rimanga comunque una zona vuota
interna –> la sezione resistente è minore di quella che è stata progettata.
Il costo è variabile a seconda dei materiali che vengono colati, ma di per sé lo stampo non è molto costoso (sabbia).
FUSIONE PER GRAVITA’
Il funzionamento è simile a quello in sabbia: si cola materiale fuso all’interno dello stampo che viene ruotato e si riempie per gravità; tuttavia, in questo caso lo stampo non è in sabbia ma in materiali (metallici) che rendono migliore la finitura.
Permane comunque il rischio di zone vuote interne e il problema che non è possibile realizzare ogni tipo di forma (sottosquadri
che non rendono possibile l’estrazione del pezzo): in particolare se si vuole realizzare pezzi con un angolo retto è difficile
l’estrazione.
Il costo è più elevato per via del materiale che viene utilizzato per lo stampo (100-150 mila euro), per questo è necessario
garantire una più vasta produzione.
Problema: se ad esempio si vogliono realizzare protesi d’anca con questo stampo, bisogna tener conto delle diverse misure che deve avere (o stampo adattabile o diversi stampi che alzano il costo totale).
Al di là di queste considerazioni, lo stampo ha comunque vita finita.
FUSIONE SOTTO PRESSIONE
In questo caso c’è anche un sistema che comprime il materiale all’interno dello stampo, quindi la finitura è migliore.
Pro: questo metodo produce pochi scarti.
Tuttavia il sistema che pompa il materiale aumenta il costo del metodo quindi bisogna garantire una produzione molto elevata.
STAMPAGGIO A FREDDO
Il materiale viene in parte riscaldato (non in tutti i casi), ma non fino al punto di liquefazione, permettendo di ottenere materiali con una finitura molto migliore.
Abbiamo diversi tipi:
- rullo caldo/freddo;
- estrusione;
- trafilatura;
- imbutitura;
- forgiatura.
In generale, il pezzo finale ha un diametro/spessore minore di quello di partenza e si ottengono pezzi con buone caratteristiche meccaniche ma con forme molto limitate.
RULLO CALDO/FREDDO
Si comprime il materiale all’interno di un rullo, a temperature più o meno elevate; esempio: alluminio.
ESTRUSIONE
Il materiale, spesso un cilindro con un certo diametro, viene scaldato (senza fonderlo) e poi spinto per pressione all’interno di una matrice (ad esempio un buco con diametro minore) finché non esce un cilindro a diametro minore.
Il problema maggiore è legato alla matrice, che non riesce a soddisfare tutte le esigenze di forma e nel tempo si rovina poiché è sottoposta a continui stress meccanici e termici.
TRAFILATURA
In questo caso non si scalda il materiale, ma si applica una forza di trazione e si sfrutta la deformazione plastica del materiale (non più le proprietà termiche del materiale).
Nel momento in cui si toglie il carico applicato, il materiale ha un ritorno elastico e si vede che ha caratteristiche meccaniche migliori nel momento in cui si va a riapplicare un nuovo carico.
–> Si parla di processo di incrudimento: si aumenta la tensione di snervamento sfruttando il ritorno elastico che si ha dopo deformazione plastica MA si è più vicini a tensione di rottura.
Si ottengono caratteristiche meccaniche migliori rispetto all’estrusione, è un tipo di lavorazione molto flessibile anche se non si
possono ottenere molte forme. Questo spiega il costo piuttosto elevato.
Esempi: fili di Kishner che vengono inseriti attorno a una protesi nel momento in cui si è fratturata per non disperdere i frammenti; anima in metallo del catetere, abbastanza flessibile da seguire il percorso e visibile ai raggi x.
IMBUTITURA
Viene spinto il materiale contro uno stampo (in negativo) e forzato ad assumere la forma desiderata, sfruttando la deformazione del materiale.
In questo caso si deve realizzare uno stampo che tiene conto del ritorno elastico che avrà il materiale una volta tolto il carico
Pro: buona finitura.
Contro: lo stampo deve essere oliato e non devono essere presenti squadrature.
FORGIATURA
Il materiale viene in parte riscaldato e battuto finché non prende la forma desiderata.
MACCHINE UTENSILI
Una macchina utensile consente di realizzare molteplici forme, con lo svantaggio di creare un pezzo alla volta –> sono quindi utili per la realizzazione di diversi prototipi.
Possono funzionare autonomamente o grazie a un operatore.
Le principali macchine utensili sfruttano il movimento relativo di un pezzo (utensile o materiale) rispetto all’altro.
Tipi:
- tornitura (macchina: tornio);
- fresatura.
La combinazione di più assi in movimento (torni o frese) viene detto centro di lavoro; costo più elevato anche perché il processo è automatizzato, ossia controllato da un programma.
