Costruzioni Biomeccaniche

Effetto della corrosione e della temperatura

La temperatura potrebbe avere effetti sulla resistenza a fatica, ma in genere dipende dal materiale:

• Per i metalli si osserva un'influenza solo a T molto alte o molto basse, relativamente lontane dai 37 °C corporei, dunque non è un fattore interessante;
• Per polimeri, la resistenza del materiale potrebbe cambiare nel passaggio dalla temperatura dell'ambiente a quella corporea.

Invece, studiare l'aggressività chimica è fondamentale per le protesi impiantate. Nei metalli, infatti, la corrosione riduce la resistenza a fatica, dunque non può esistere una resistenza illimitata.

La fatica e la corrosione sono due fenomeni estremamente diversi, dal momento che il primo risente del numero di cicli di carico, mentre il secondo il tempo per cui il materiale è a contatto con un ambiente aggressivo. Entrambi avvengono su tempi lunghi se si considerano frequenze normali. Dunque, sono due.

effetti concomitanti e portano ad un effetto sinergico pericolosissimo.

Le norme suggeriscono di effettuare delle prove a fatica in ambienti aggressivi per particolari protesi, soprattutto per quelle che presentano delle modularità, come una protesi d'anca. Uno stelo normale non viene definito modulare, dal momento che si è abituati ad avere stelo e collo come un pezzo unico, ma la modularità è tra stelo e testina femorale. Nelle protesi d'anca modulari, invece, si hanno più pezzi già nello stelo. In questi casi, si possono avere dei fenomeni corrosivi in fessura e per sfregamento. Si studia, dunque, l'effetto della corrosione. In casi normali, un materiale metallico come una lega di acciaio, una di titanio (o meglio il titanio puro) o di CoCr, in ambiente acido va incontro ad una precoce corrosione, la quale ha però l'effetto di formare degli strati superficiali ossidi, i quali hanno una proprietà protettiva.

anti-corrosione per il bulk del materiale stesso: in sostanza, si parla di passivazione delle superfici per deposizione di ossidi prodotti dalla corrosione stessa. Nel caso di carichi ciclici, questi possono rompere continuamente lo strato di ossido superficiale, che dunque non avrebbe il tempo di formarsi al meglio; il liquido corrosivo penetra negli intagli e viene continuamente rinnovato da un'azione di pompaggio ed espulsione, dunque si ha un fenomeno di corrosione che crea un maggior intaglio superficiale, il quale fa nascere delle cricche che portano a rottura per fatica.

Una possibile soluzione può essere quella di fare rivestimenti protettivi o usare materiali inattaccabili da corrosione. In realtà, in presenza di fluidi biologici si hanno pochissimi materiali inattaccabili: solo oro e platino. Dato che questi materiali non possono essere usati per le basse proprietà meccaniche, nella realtà si usano materiali a corrosione molto lenta come titanio.

acciaio inox, Cr-Co. Il grafico rappresenta delle curve di Wohler costruite per lo stesso materiale, ma con condizioni ambientali e frequenza differenti. La curva continua rappresenta le proprietà a fatica del materiale a 42 Hz e testato in aria.

Modificando la frequenza (da 42 a 12 Hz, dunque si è nel tratto di sinistra del grafico precedente, per cui la prova ha una durata maggiore) e l'ambiente (si passa da aria ad acqua e si aumenta il tempo di prova), si osserva una riduzione delle caratteristiche meccaniche a fatica del materiale. Se si modifica ulteriormente l'ambiente, ponendo il materiale in acqua con NaCl (1%), si osserva un'ulteriore diminuzione della resistenza a fatica e la scomparsa dell'asintoto orizzontale.

10.7.2. EFFETTO DEL FRETTING

Il fretting è un particolare tipo di usura che si associa alla fatica ed alla corrosione, il quale si manifesta quando sono in contatto organi metallici aventi deformazioni non congruenti con

pressioni locali elevate. Il fretting è quel fenomeno corrispondente ad uno sfregamento tra due parti che non sono in movimento tra loro per scelta di progetto ma, sebbene si creino pressioni alte (press-fit) per ottenere la stabilità, non si riesce a rendere nullo il movimento, dunque si genera uno sfregamento ad elevate pressioni e micro-sfregamenti. L'estensione del danneggiamento superficiale è molto più grande di quanto faccia pensare l'ordine di grandezza delle distanze di scorrimento: dei contatti che sembrano essere privi di movimenti relativi permettono movimenti relativi dell'ordine dei nanometri quando sono applicati carichi alternati e oscillanti. Tali movimenti sono molto difficili da eliminare e sono molto importanti per collegamenti, come filettature, forzamenti, all'interno delle protesi modulari. Il fretting, dunque, danneggia le superfici, il che si ripercuote sulla vita a fatica del materiale, che si trova ad avere dei difetti.

superficiali accentuati, da cui possono svilupparsi le cricche che portano a fallimento per fatica. In caso di bassi numeri di cicli, l'effetto non ha particolare peso sulla fatica. Fattori di influenza: • Cinematici sfregamento (ampiezza dei micromovimenti, frequenza, numero cicli) • Tensionali intensità pressione contatto, stato di sollecitazione • Materiali proprietà meccaniche, finitura superficiali • Ambiente temperatura, umidità, aggressività Possibili soluzioni: • Configurazioni geometriche che limitino il più possibile le vibrazioni • Aumento dei carichi tra le superfici per bloccare i possibili movimenti • Barriere per limitare l'ingresso di ambienti corrosivi sulle superfici di accoppiamento • Materiali con aumentata durezza superficiale 11610.7.3. ACCORGIMENTI PROGETTUALI PER MIGLIORARE LA RESISTENZA A FATICA In figura a lato sono rappresentate due possibili soluzioni delsistema albero con mozzo. Il grossoproblema di tale accoppiamento sta nel fatto che si ha un brusco cambio di sezione. Il problema, dalpunto di vista di un minore intaglio, può essere arginato in due modidifferenti:

• Si può raccordare l'albero al mozzo (in alto), creando dunque una sezione maggiore dell'albero in corrispondenza del mozzo e raccordando il resto a tale sezione;
• Si può raccordare semplicemente il mozzo all'albero (in basso), che dunque non avrà alcuna modifica della sezione.

La soluzione originale di Wöhler per gli assali dei treni è quella in alto e risulta la migliore per la resistenza a fatica: infatti, in entrambi i casi la superficie interessata dal fretting è quella di collegamento tra albero e mozzo, ma nel primo caso si osserva un diametro maggiore dell'albero, il che comporta degli sforzi derivanti da carichi a flessione molto minori (inversamente proporzionale al diametro cubo), dunque si.

Osserva sempre una fretting corrosion, ma in una zona a basso sforzo.

INFLUENZA DELLE LAVORAZIONI

10.8.1. EFFETTO DI TRATTAMENTI TERMICI, LAVORAZIONI MECCANICHE E TENSIONI RESIDUE

I trattamenti superficiali sono molto importanti perché l'innesco del processo di fatica avviene spesso sulla superficie del pezzo, nei punti di tensione massima di trazione. Tutti i trattamenti che inducono uno stato di sforzo residuo di compressione in superficie hanno effetto benefico in termini di resistenza a fatica. Infatti, una volta applicato lo sforzo ciclico mediamente a trazione, questo va a sommarsi alla compressione residua sulla superficie, dunque sulla superficie si sviluppa uno sforzo a trazione minore, dunque meno pericoloso.

PRINCIPALI TRATTAMENTI

• Trattamenti meccanici: lavorazioni che inducono, per deformazione plastica, uno stato di tensione residua di compressione sulla superficie del pezzo lavorato
• Trattamenti di rivestimento: applicati per risolvere problemi di corrosione

di usura e per ragioni estetiche. La cromatura e la nichelatura sono i più diffusi, ma creano uno sforzo residuo di trazione. La zincatura non ha effetti sulla fatica, ma può influire sulla resistenza all'usura. Alcuni trattamenti termici, come la tempra, consistono nel raffreddamento rapido di un materiale dopo averlo portato ad alta temperatura. Questo crea uno stato superficiale di compressione. Alcuni trattamenti termici e lavorazioni meccaniche, come l'asportazione di materiale, la saldatura e la rettifica, possono indurre tensioni di trazione che si sommano alle tensioni di esercizio. Per questo motivo, spesso si esegue la ricottura o l'annealing al termine della lavorazione alle macchine utensili. Questo processo consiste nell'aumentare lievemente la temperatura del pezzo tramite un forno, in modo da permettere la riorganizzazione dei grani senza danneggiare la forma del dispositivo.

Consente l'eliminazione di tutti gli sforzi residui introdotti mediante lavorazioni precedenti.

10.8.2. TRATTAMENTI MECCANICI

I trattamenti meccanici sono lavorazioni che inducono, per deformazione plastica, uno stato di tensione residua di compressione sulla superficie del pezzo lavorato. Dal momento che si parla di sforzi residui, allora si avranno necessariamente delle zone interne in cui si sviluppano delle tensioni di trazione residue. Gli strati interni, sebbene siano precaricati a trazione, sono meno pericolosi, dal momento che si applicano dei momenti flettenti o torcenti nella maggior parte dei casi, dunque le zone interne delle travi sono quelle che risentono di uno sforzo minore.

Nel diagramma si nota la distribuzione degli sforzi al termine della lavorazione superficiale. La linea rossa rappresenta la superficie. Le zone in cui gli sforzi residui sono a compressione sono concentrate nella parte sub-superficiale, mentre nel core del pezzo si hanno delle trazioni, con la stessa area sottesa.

effetti di compressione e rimangono nella zona elastica. In questo modo si ottiene una distribuzione uniforme dello spessore della pizza, con una sezione maggiore rispetto al panetto iniziale. Per comprendere meglio il processo a livello fisico, possiamo utilizzare una metafora: immaginiamo di voler stendere un panetto di impasto per fare una pizza utilizzando un mattarello. Se applichiamo una forza relativamente bassa con il mattarello sul panetto, otterremo delle deformazioni che però verranno completamente recuperate una volta che il carico viene rimosso, poiché siamo nel campo elastico. Per ottenere una pizza rotonda e sottile, partendo da uno spessore più elevato, è necessario applicare una forza di compressione maggiore per deformare plasticamente l'impasto. La giusta compressione esercitata dal mattarello permette di stendere la pasta della pizza, causando un allungamento degli strati superficiali a causa dell'effetto Poisson, che entrano nella zona plastica. Al contrario, gli strati sottostanti, poiché il carico proviene dall'alto, non subiscono gli effetti della compressione e rimangono nella zona elastica. In questo modo si ottiene una distribuzione uniforme dello spessore della pizza, con una sezione maggiore rispetto al panetto iniziale.

stessi sforzi, dunque si allungano ma rima