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Riassunto scienza e tecnologia dei materiali

Appunti di scienza e tecnologia dei materiali basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Verne dell’università degli Studi del Politecnico di Torino - Polito, facoltà di Ingegneria I, Corso di laurea in ingegneria biomedica. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Scienza e tecnologia dei materiali docente Prof. E. Verne

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Si, Cr, V, Mo, W, Al: (elementi alfogeni) stabilizzatori α sono più solubili nella ferrite che nell’austenite

(cristallizzano come CCC) e favoriscono la formazione di ferrite.

formano

Mn, Ni, Co, Cu (elementi austenitizzanti) stabilizzatori ɣ soluzioni solide complete con

l’austenite poiché’ cristallizzano CFC e hanno parametri reticolari simili si possono ottenere acciai

austenitici a temperatura ambiente, con maggiore facilità di tempra, fino agli autotempranti.

Influenza degli alfogeni e dei gammogeni:

 Innalzano o abbassano la T eutettoidica

 spostano la composizione eutettoidica, aumentando o diminuendo la solubilità del C nel Fe ccc

 in soluzione solida (Ni, Si, Mn, Cr, Mo): ne aumentano la resistenza meccanica, ma ne riducono la

tenacità

 come carburi (V, Mo, Cr, Mn): aumentano la resistenza meccanica, al creep e all’usura

 composti non metallici (ossidi, solfuri, silicati, …): riducono la resistenza a fatica

Gli elementi stabilizzanti dell’austenite (es. Ni, Mn) rimangono in soluzione solida nell’ acciaio perché’

hanno minore tendenza del ferro a formare carburi. Abbassano la temperatura dell’eutettoide quindi

stabilizzano l’austenite.

Gli elementi stabilizzanti della ferrite sono quelli che formano carburi (W,Mo,Ti). Aumentano la

temperatura eutettoidica e riducono il campo della fase austenitica.

Il cromo si ripartisce fra la ferrite e i carburi (forma carburi più facilmente del ferro). La sua distribuzione

dipende dal tenore di carbonio e dalla presenza di altri elementi con maggiore tendenza a dare carburi.

Acciai inossidabili

•Ferritici

•Austenitici

•Martensitici

•Duplex (austinitico-ferritici)

•Indurenti per precipitazione

Acciai inossidabili ferritici

Leghe binarie ferro-cromo (12-13% di cromo). La loro struttura dopo i trattamenti termici rimane ferritica

(CCC). Il cromo (CCC) estende il campo di esistenza della ferrite chiusura del campo dell’austenite.

Acciai inossidabili Martensitici

Leghe ferro-cromo con cromo 12-17% e carbonio 0,15-1%. Ad alta temperatura l’acciaio assume forma

austenitica che si trasforma in martensite durante la tempra a temperatura ambiente. Segue

rinvenimento per eliminare le tensioni interne. Elevata temprabilità.

Acciai inossidabili Austenitici

Leghe ternarie ferro-cromo nichel contenenti 16-25% di cromo e 7-20% nichel. La struttura rimane

austenitica dopo tutti i trattamenti termici fino a temperatura ambiente. La struttura CFC è responsabile

della elevata lavorabilità e formabilità. Migliore resistenza alla corrosione di quelli ferritici e di quelli

martensitici perché’ i carburi possono essere mantenuti in soluzione solida tramite raffreddamento

rapido. Ma se sono necessari trattamenti lenti o saldature nell’intervallo 850-500ºC i carburi possono

precipitare a bordo grano corrosione. Per ovviare a questo inconveniente si tiene basso il tenore di

carbonio (<0,03%). Se la percentuale di carbonio supera lo 0,03 % aumenta il rischio di corrosione a causa

della formazione di carburi tipo Cr23C6, che tendono a precipitare al bordo di grano impoverendo i grani

adiacenti di Cr, e di conseguenza diminuendo la capacità di formare Cr2O3 corrosione localizzata ai

bordi di grano. I POLIMERI

I polimeri sono macromolecole organiche formate da un insieme di molecole di elevate dimensioni e di elevato peso

molecolare. Ciascuna di queste macromolecole è a sua volta formata dalla ripetizione di molte piccole unità strutturali

legate tra di loro con legami covalenti: tali unità sono dette monomeri.

Il numero di monomeri che costituisce una macromolecola (grado di polimerizzazione, n) è determinante per lo stato

fisico, la T di rammollimento, la rigidità del polimero.

I polimeri presentano di solito una certa distribuzione del peso molecolare, maggiore è il peso molecolare migliori

saranno le proprietà fisiche e meccaniche del polimero.

Tuttavia un elevato peso molecolare corrisponde anche ad una elevata viscosità, anche a caldo, con conseguente

difficoltà di lavorazione cercare un compromesso.

Polimeri termoplastici

•Costituiti da macromolecole di grandezza limitata, lineari o ramificate, con legami secondari fra le catene.

•Rammolliscono con il calore e solidificano per raffreddamento in modo reversibile, senza alterazioni della struttura.

(es: polietilene)

•Esistono allo stato solido in forma amorfa (vetro organico) oppure in forma semicristallina, che conferisce loro

maggiore resistenza alla temperatura e agli agenti chimici.

•Si lavorano per stampaggio, a temperature più basse rispetto ad altri polimeri, con ritmi di produzione estremamente

elevati.

Elastomeri

•Polimeri lineari in cui si sono introdotti un certo numero di legami a ponte che conferiscono al materiale una

struttura tridimensionale e assicurano proprietà di elasticità molto elevate.

•Questi legami covalenti sono introdotti dopo lo stampaggio del materiale, mediante una reazione chimica chiamata

vulcanizzazione.

Polimeri termoindurenti (reticolati): non fondono ma si decompongono.

•Due categorie: gli elastomeri (gomme) e i termoindurenti ad alto grado di reticolazione (rigidi fragili e resistenti alla

temperatura).

•Legami primari, covalenti anche fra le catene

•Sono lavorabili a caldo solo una volta, prima della reticolazione

•A successivi riscaldamenti si decompongono

•Hanno resistenza meccanica superiore a quella dei termoplastici

Polimeri termoindurenti ad alto grado di reticolazione: il tasso di reticolazione è più elevato rispetto agli elastomeri

con un'energia di coesione molto più elevata tra le catene, che permette di raggiungere una resistenza meccanica e

soprattutto termica superiore ai termoplastici.

La lavorazione dei termoindurenti è molto meno rapida e facile dei termoplastici, poiché lo stampaggio di questo

polimero deve avvenire prima della formazione dei legami tridimensionali che li rende insolubili e infusibili, quindi

difficilmente riciclabili.

LA SINTESI:

- addizione

- policondensazione

Addizione: monomeri insaturi reagiscono fra loro attraverso i tre stadi di reazione (inizio, propagazione, termine) per

dare il polimero.

Iniziatori Aprono il doppio legame e producono i siti di reazione nel monomero. Sono radicali liberi, cationi, anioni,

catalizzatori stereospecifici ecc.…

Struttura e proprietà

Le lunghe catene polimeriche possono assumere differenti conformazioni grazie alla capacità di rotazione attorno ai

legami semplici.

Policondensazione: del tutto simile alla condensazione fra molecole a basso peso molecolare.

Due monomeri reagiscono per dare un legame covalente, di solito eliminando una molecola basso peso molecolare

 

(H2O, HCl…). Reazione difficoltosa procede a stadi e non a catena per la formazione del polimero occorre che vi

sia un urto efficace fra monomeri orientati favorevolmente.

ESEMPIO: Nylon materiale poliammidico proveniente dalla policondensazione di una diammina e di un acido

bicarbossilico. lunghe

•Monomeri con due gruppi reattivi molecole a struttura linearemateriali termoplastici

 

•Monomeri con più di due punti reattivi macromolecole reticolate tridimensionalmente materiali

termoindurenti

Bachelite Termoindurente

Si ottiene per reazione fra fenolo C H OH e formaldeide CH O. La formaldeide forma ponti −CH − fra due molecole di

6 5 2 2

fenolo, producendo catene.

I polimeri possono essere omopolimeri (contenenti un solo tipo di unità ripetitiva) o copolimeri (contenenti due o più

tipi di unità ripetitive). A seconda delle condizioni di reazione e della reattività dei monomeri di partenza, nei

copolimeri possiamo avere strutture diverse: casuale, alternata, a blocchi, a innesto.

A seconda della posizione assunta rispetto alla catena principale da gruppi sostituenti (es.: il metile nel polipropilene)

durante la polimerizzazione, il polimero può essere isotattico, atattico o sindiotattico.

Nei polimeri isotattici i sostituenti identici sono situati dallo stesso lato della catena, nei sindiotattici si alternano da

una parte e dall'altra della catena (possono cristallizzare), mentre negli atattici si ripartiscono in modo casuale

(solitamente non cristallizzano polimeri amorfi).

In genere non si arriva a completa cristallizzazione, e si parla di polimeri semicristallini.

La tendenza a cristallizzare è facilitata da gruppi laterali di piccole dimensioni e da catene regolari.

La presenza di cristalliti nei polimeri ne migliora le proprietà meccaniche (resistenza a fatica) e le proprietà termiche

ottimo per applicazioni biomediche.

Proprietà meccaniche dei polimeri

Per i polimeri a comportamento plastico si assume come limite di snervamento il valore massimo della curva

successivo al tratto lineare elastico. La resistenza a trazione corrisponde alla sollecitazione alla quale avviene la

rottura, e può essere più grande o più piccola del limite di snervamento.

Frattura nei polimeri termoplastici micro

Formazione di micro strappi localizzati nelle zono in cui si raggiunge il limite di snervamento cavità piccole e

interconnesse.   

Qui le fibre sono orientate ponti fibrillari che si allungano, si spezzano coalescenza cavità cricca.

Influenza di fattori esterni sulle proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche variano considerevolmente con il variare della temperatura o con il variare della velocità di

applicazione del carico, passando da un comportamento tipico delle gomme ad uno tipico dei materiali fragili.

Il comportamento a fatica è fondamentale se il campo di utilizzo specifico prevede l’applicazione di carichi dinamici:

ad esempio i polimeri utilizzati nel cuore artificiale devono garantire numerosissimi cicli di movimento pulsante senza

degradarsi.

Dal punto di vista termico, allo stato liquido un polimero possiede abbastanza energia per garantire movimenti casuali

di porzioni abbastanza lunghe di catena.

Durante il raffreddamento si raggiunge una temperatura alla quale i moti a lungo raggio cessano (temperatura di

transizione vetrosa, Tg).

I polimeri usati al di sotto della Tg si dimostrano rigidi e fragili come il vetro, quelli usati al di sopra di essa mostrano

un comportamento gommoso.

Entro certi intervalli di temperatura, fra la Tg e l’intervallo di fusione, il comportamento meccanico dei polimeri è

viscoelastico. La variazione del modulo elastico con la temperatura è diversa a seconda della struttura del polimero.

Tg per alcuni polimeri

•Polietilene (PE) -90 °C

•Polistirene (PS) 100 °C

•Polivinilcloruro (PVC) 87 °C

I polimeri lineari amorfi vedono, all’aumentare della temperatura, una diminuzione del modulo netta (di tre ordini di

grandezza in un intervallo di 5-10°C) al passaggio attraverso la Tg; il polimero si trasforma da materiale rigido come il

vetro in un materiale della consistenza del cuoio. Segue una regione a modulo costante dove il comportamento

somiglia sempre più a quello di una gomma: sono possibili movimenti a lungo raggio ma non abbastanza da causare

scorrimento. Questa è la regione di utilizzo per molti biomateriali polimerici. Da una certa temperatura in poi lo

scorrimento diventa importante e il modulo subisce una drastica diminuzione.

I polimeri cristallini mostrano un comportamento analogo, ma la diminuzione del modulo nelle tre regioni è molto

meno spiccata (i cristalliti conferiscono rigidità). Anche in questo caso comunque si arriva a fusione ed è possibile la

risolidificazione in seguito a raffreddamento.

I polimeri reticolati mostrano un comportamento analogo a quello dei polimeri amorfi, anche come ordine di

grandezza nei valori di modulo, ma per essi non sia arriva a scorrimento fusione all’aumentare della temperatura (e il

modulo quindi rimane costante dopo la Tg) a causa della presenza dei legami trasversali, che inibiscono lo scorrimento

fino alla temperatura di degradazione. TECNICHE DI LAVORAZIONE

• Polverizzazione o granulazione

•Aggiunta di eventuali additivi

• Eventuale aggiunta di plastificanti (per termoplastici) o acceleratori di polimerizzazione (per termoindurenti)

• Formatura

Additivi per polimeri

•Rinforzanti: fibre lunghe o corte organiche o inorganiche

- Producono miglioramenti in specifiche proprietà fisiche, meccaniche, termiche, come ad esempio la fibra di

vetro, che essendo più rigida della matrice polimerica, sopporta maggiormente i carichi. 

- Per poter aumentare la resistenza alla trazione di una fibra di vetro bisogna diminuire il suo diametro

preferibile utilizzare moltissime fibre sottili piuttosto che un numero inferiore di fibre grosse.

- L'aumento del numero di fibre per unità di volume del composito ha limita la propagazione di eventuali

fessurazioni attraverso la matrice polimerica.

- Per ottenere migliore azione di rinforzo è necessario assicurare un buon legame tra la matrice e la fibra di

vetro applicazione alla superficie degli agenti di accoppiamento (aggraffanti come silani ed anidride

maleica).

•Cariche inerti: polveri inorganiche o organiche (anche di scarto) fino all’80%

- Additivi in forma solida.

- Servono soprattutto ad aumentare la massa del prodotto e conseguentemente diminuirne il prezzo

- Usi generali: carbonato di calcio, silice, allumina, talco, caolino, ZnO, BaSO4,..

- Ritardanti di fiamma: bicarbonato di ammonio, ossido di antimonio, triossido di arsenico

- Conducibilità elettrica: Ag, Cu, Al, grafite

- Resistenza all’abrasione: allumina, silice

- Resistenza all’impatto: gomme

Metodi di lavorazione

STAMPAGGIO

Il polimero alla viscosità opportuna, alimenta uno stampo di cui, per compressione e raffreddamento, assume la forma

desiderata. Lo stampaggio può essere di quattro tipi:

•a compressione per ottenere manufatti con caratteristiche meccaniche omogenee (come per oggetti di forma

complessa)

•per stratificazione per realizzare prodotti anche di grandi dimensioni, come gli scafi da barca;

•a iniezione, riscaldamento che porta il materiale allo stato viscoso, la pasta viene forzata oltre la bocca di iniezione

nello stampo dove è raffreddato attivamente. Esempio contenitori, calzature, ruote dentate.

•rotazionale, usato per manufatti come serbatoi, fusti, contenitori larghi e cavi.

SOFFIATURA

Il polimero a viscosità opportuna viene sottoposto a soffiaggio con aria o vapore in modo da assumere la forma dello

stampo.

CALANDRATURA

Consiste nel distendere e comprimere con una macchina, costituita da cilindri riscaldati, il polimero riscaldato e reso

plastico, ottenendo fogli dello spessore desiderato.

ESTRUSIONE

Consiste nella trasformazione in continuo di materiale plastico riscaldato e spinto da una vite senza fine, attraverso un

ugello che dà al materiale la sagoma richiesta e che per raffreddamento assume la sua forma stabile. È il

procedimento più diffuso nella lavorazione delle materie plastiche.

LEGHE DI ALLUMINIO

Le leghe a base di alluminio hanno acquisito particolare importanza in molti settori tecnologici per una

serie di specifiche proprietà:

• Bassa densità (2,7 g/cm3)

• Ottima conducibilità termica

• Elevate duttilità e malleabilità

• Buona resistenza alla corrosione (strato protettivo naturale di ossido, allumina)

• Elevata riflettività

Processo di produzione dell’alluminio

La materia prima di partenza è la bauxite Al O .3H O. Mentre la bauxite è di facile estrazione, il processo

2 3 2

per isolarne il contenuto in alluminio è alquanto complesso e viene completato in due fasi successive:

1.la prima chimica (processo chimico) che permette la produzione di allumina (Al O );

2 3

2.l'altra elettrolitica (processo elettrolitico) in cui l'allumina viene ridotta a metallo.

1) Il processo chimico

•Preventiva frantumazione ed essiccazione della bauxite in modo da ridurla in appositi mulini fino ad

ottenere la cosiddetta "farina di bauxite".

•Miscelazione della “farina di bauxite” con una soluzione concentrata di soda caustica (idrossido di sodio

NaOH) in ragione di 300 kg di farina di bauxite per metro cubo di soluzione di soda caustica.

•La pasta così ottenuta, accumulata in un'autoclave chiamato "digestore", viene arricchita ulteriormente

di soda caustica in soluzione e, quindi, portata nelle opportune condizioni di reazione (temperatura 180¸

200°C e pressione 150¸ 200 MPa).

In tali condizioni la soda caustica scioglie l’ossido di alluminio dalla bauxite formando alluminato sodico.

Al O ×H O + 2NaOH Na OAl O + 2H O + RESIDUI

2 3 2 2 2 3 2

La silice (SiO ) presente nella bauxite forma un silicato doppio di alluminio e sodio che è insolubile come

2

pure l’ossido ferrico (Fe O ) e l’ossido di titanio (TiO ) che pertanto si raccolgono come residui (chiamati

2 3 2

fanghi rossi) sul fondo dell’autoclave. Essendo insolubili, tali residui si possono eliminare per

sedimentazione e filtrazione.

Una volta eliminati i fanghi rossi la soluzione di alluminato di sodio è, invece, pompata dal "digestore" in

apposite vasche di precipitazione (dette "decompositori") per circa 100 h, dove subisce l'aggiunta di

triidrato di allumina in polvere, estremamente pura, con funzione di innesco germinativo.

Nel contenitore, costantemente agitato e gradualmente raffreddato, avviene la reazione di idrolisi:

l’alluminato di sodio si decompone portando alla formazione allumina idrata (Al O × H O):

2 3 2

Na OAl O + Al O × 3H O 2Al O × H O + 2NaOH

2 2 3 2 3 2 2 3 2

Al O × H O Al O + H O

2 3 2 2 3 2

L’allumina idrata, dopo filtrazione e lavaggio viene calcinata in forni rotativi a 1100¸ 1200°C, e si ottiene

così allumina a di elevata purezza (99.5¸ 99.6%) in forma di polvere bianca molto fine e inerte.

2) Il processo elettrolitico

Il processo prevede l'ottenimento dell'alluminio attraverso l'elettrolisi (o la riduzione) dell'allumina (a-

Al2O3), intendendo con ciò la sua dissoluzione in alluminio e ossigeno.

Il processo si svolge in celle costituite da vasche rettangolari di grandi dimensioni, su cui è disposta una

suola di grafite che funziona da catodo (essendo collegata al polo negativo di un generatore di corrente

continua). Queste celle contengono un elettrolita fuso (mistura di criolite) dove vengono immerse barre

rettangolari di grafite che funzionano da anodo.

L’allumina è posta in un bagno elettrolitico di criolite. La corrente elettrica scompone l’allumina in

ossigeno e alluminio fuso.

L'alluminio si deposita al catodo (ossia sul fondo della vasca), mentre l'ossigeno che si libera all'anodo.

In modo schematico e riassuntivo si può dire che durante l'elettrolisi si verifica quanto segue:

2Al O + 3C 4 Al + 3 CO

2 3 2

L'alluminio che si ottiene fuso sul fondo della vasca viene periodicamente prelevato (ogni 24 h circa)

mediante un sistema di aspirazione a vuoto che consente il prelievo senza inopportuni rimescolamenti.

L'alluminio prodotto dalle celle elettrolitiche ha un titolo attorno al 99.6%: le principali impurezze sono

costituite da Fe e Si. Sempre per via elettrolitica è possibile una successiva raffinazione che può

aumentare la purezza fino al 99.99% e oltre.

Il metallo fuso prelevato dalle celle può essere inviato a forni di attesa, alla fabbricazione di leghe o colato

in pani.

Rafforzamento per precipitazione

Age-hardening: processo di indurimento per invecchiamento, dovuto alla lenta formazione di particelle

intermetalliche di CuAl finemente disperse.

2

Precipitation hardening: processo di indurimento per riscaldamento, protratto per alcune ore a circa 175°,

perché in tal modo si accresce la velocità di diffusione del Cu in eccesso.

Per avere buone proprietà meccanica è necessario che si arresti il moto delle dislocazioni con un rapido

raffreddamento (tempra) seguito da un riscaldamento a temperatura intermedia (rinvenimento).

TITANIO E LEGHE A BASE DI TITANIO

Il Titanio (peso atomico 47,9), situato nel IV gruppo della tavola periodica degli elementi, è un metallo

duro di color argento con una bassa densità (= 4,54 g/cm3) e amagnetico. Possiede elevata resistenza

meccanica ed elevata resistenza alla corrosione. É il nono elemento più diffuso allo stato naturale

all'interno della crosta terrestre. Principalmente il titanio si trova in pietre ignee, dove esso forma il

componente acido di magmi basici e il componente basico di magmi acidi.

Nel primo caso sono presenti titanati, i più importanti dei quali sono l’ilmenite (FeTi03) e perovskite

(CaTi03). Nel secondo caso sono formati da ossidi di titanio.

Esistono anche forme intermedie come alcuni silicati, nei quali il titanio è presente soprattutto come un

elemento basico, ma anche in sostituzione del silicio. I minerali di titanio più importanti sono anatase

(TiO ); il menite (FeTiO ), rutilo (TiO ) e leucoxene [CaTi(SiO ) O].

2 3 2 4

Produzione

Un trattamento del minerale con cloro e coke (800-1000°C) produce la formazione di tetracloruro di

titanio (carboclorazione): 

3TiO + 4C + 6Cl 3TiCl + 2CO + 2CO

2 2 4 2

TiCl4 per reazione con magnesio (processo Kroll) o con sodio (processo Hunter), e formazione dei relativi

cloruri, produce titanio metallico spugnoso: 

TiCl +2Mg Ti + 2MgCl

4 2

TiCl +4Na Ti + 4NaCl

4

Tramite successivi processi di fusione il titanio metallico viene purificato.

Il titanio puro contiene ancora tracce di altri elementi; ciò è dovuto alla forte affinità del metallo con i gas

atmosferici (O2, N2, H2) e per questo viene sempre lavorato in atmosfera inerte o sotto vuoto spinto.

L’aumento del contenuto di ossigeno, azoto e idrogeno aumenta la resistenza e diminuisce la durezza;

mentre l’ossigeno è l’unico elemento che viene aggiunto deliberatamente per dare resistenza maggiore,

gli altri elementi insieme con ferro e carbonio sono introdotti durante la produzione come impurità.

L’aumento della grandezza dei grani diminuisce la resistenza a trazione e il limite di snervamento, ma

aumenta l'elongazione e la contrazione d'area a frattura.

Le leghe di titanio attualmente più usate in campo biomedico sono:

• ASTM F67 (Titanio semi-puro: 98,9 - 99,6 % titanio)

• ASTM F136 (Ti-6Al-4V)

• Timetal® 367 (Ti-6Al-7Nb)

Solo la seconda e la terza hanno vaste applicazioni in campo ortopedico. La prima viene più comunemente

utilizzata in impianti dentali, oppure come rivestimento, a causa delle inferiori proprietà meccaniche.

Le leghe di titanio sono adatte per applicazioni ortopediche che vedono l’applicazione di grossi carichi,

perché uniscono proprietà quali l’elevata resistenza meccanica e alla corrosione con una buona

biocompatibilità e un modulo elastico relativamente basso (più vicino comunque a quello dell’osso

rispetto ad altre leghe).

ASTM F67

Poiché il titanio cosiddetto "commercialmente puro" contiene comunque delle impurità, è stata creata

dall’ASTM (American Society for Testing and Materials) una classificazione in 4 gruppi detti

rispettivamente grado 1, grado 2, grado 3 e grado 4.

Per ciascuno di tali gruppi è stato definito il contenuto massimo di azoto, carbonio, idrogeno, ossigeno e

ferro nonché i valori minimi di alcune caratteristiche meccaniche.

 Grado 1: titanio commercialmente puro con basso contenuto di ossigeno. Questa qualità ha

basso carico di rottura ed alta duttilità, viene utilizzato per il profondo stampaggio ed è adatto

alla deformazione a freddo.

 Grado 2: titanio commercialmente puro con un più alto contenuto di ossigeno ed una maggior

resistenza rispetto al grado 1. È il titanio commercialmente puro più largamente usato e offre il

miglior compromesso di resistenza, saldabilità e formabilità.

 Grado 3: titanio commercialmente puro con contenuto di ossigeno ancora maggiore del grado 1

e 2 (maggior resistenza e minor duttilità); inoltre è ben saldabile. Viene utilizzato per la

costruzione di recipienti in pressione.

 Grado 4: titanio commercialmente puro con le caratteristiche di resistenza più elevate. Viene

utilizzato per organi di trasmissione e nell'industria aeronautica.

Il carico di snervamento varia da 170 MPa per lo 0,18% di ossigeno (grado 1) a 485 MPa per lo 0,4% (grado

4). Il limite di fatica varia da 88,2 MPa (107 cicli) per lo 0,085 % di ossigeno (un po’ più puro del grado 1) a

216 MPa (107 cicli) per lo 0,27 % di ossigeno (un po’ più puro del grado 2).

Il titanio puro presenta una transizione di fase a circa 882°C da titanio α (esagonale compatto, EC) a

titanio β (cubico a corpo centrato, CCC). L’aggiunta di Al e V nella lega F136 ha lo scopo di ottenere una

lega α-β grazie all’effetto stabilizzante della forma α da parte dell’Al e della forma β da parte del V. Lo

scopo principale dell'aggiunta di elementi in lega al titanio è di migliorare le sue proprietà meccaniche.

Poiché la struttura cubica del titanio β contiene meno piani di scorrimento della forma esagonale α, il

titanio β è meno facilmente deformabile. Leghe a base di cobalto

Quelle usate più diffusamente in campo ortopedico sono:

• Stellite 21 (ASTM F75), lega Co-Cr-Mo da getto.

• Stellite 25 (ASTM F90) lega Co-Cr-W-Ni lavorata.

• Lega Co-Cr-Mo lavorata (ASTM F799)

• Lega multifase MP35N (ASTM F562)

Il cobalto puro è, in condizioni di equilibrio, cubico a facce centrate (CFC) sopra i 419°C e esagonale

compatto (EC) al di sotto. Questa trasformazione interessa anche le leghe Co-Cr.

La trasformazione allo stato solido avviene secondo un meccanismo di tipo martensitico.

Tuttavia la stabilità della forma CFC è tale da impedire parzialmente questa trasformazione, mentre

lavorazioni meccaniche ed elementi di lega possono facilitarla.

Solitamente a temperatura ambiente sono presenti entrambe le fasi.

Le leghe Co-Cr sono rinforzate con metalli refrattari quali il molibdeno ed il tungsteno, e dal carbonio che

forma carburi (indurenti).

Il carburo di maggioranza, come negli acciai inox, è il carburo di cromo (principalmente Cr C , ma anche

23 6

Cr C ), ma può anche essere presente il carburo di molibdeno (Mo C).

7 3 6

La presenza dei carburi è positiva se questi sono dispersi finemente nella struttura, così da formare un

sistema quasi omogeneo; per contro, se formano agglomerati o sono presenti in quantità troppo elevata

riducono la vita a fatica.

L'alligazione con il nichel aumenta la stabilità della fase CFC ed aumenta la duttilità della lega.

Questi fatti permettono di spiegare perché la lega Co-Cr-Mo (Stellite 21) è fusibile e non lavorabile

(carburi troppo duri), mentre quella Co-Cr-Ni-W (Stellite 25) risulta lavorabile (più duttile).

Stellite 21 (ASTM 75), lega Co-Cr-Mo da getto

Composizione:

28 Cr – 5,5Mo - 0,25 C – 1Fe - Ni 2,5 – Si 2 - Mn 1 - Co resto

Elevata resistenza alla corrosione in ambiente ricco di cloruri (si passiva per formazione di Cr2O3).

Viene prodotta per fusione a 1350-1450°C, e colata in stampi ceramici della forma desiderata (steli

femorali, impianti dentali...) e di dimensioni molto vicine a quelle finali.

Per rendere più fluido il fuso si varia la % di Ni (0,5-2,5).

Utilizzata per le coppe delle giunzioni d’anca circa 60 anni fa, è la più comune lega utilizzata per l’intera

protesi d’anca. LAVORAZIONE DEI METALLI

Formatura

 Forgiatura: lavorazione attraverso deformazione meccanica (a caldo).

 Laminazione: deformazione plastica, a caldo o a freddo, di un materiale mediante pressione

esercitata dai cilindri di laminazione macchina per ottenere pezzi di forma appropriata.

 Estrusione: una barra di metallo è forzata a passare attraverso l’orifizio di uno stampo tramite

l’applicazione di una forza mediante un pistone.

 Trafilatura: si sottopone il pezzo ad una forza di trazione all’uscita di uno stampo avente

un’anima conica. Riduzione sezione trasversale e aumento della lunghezza.

Fusione

 Fusione in sabbia: viene usata sabbia come materiale da stampo.

 Pressofusione: il metallo liquido è forzato ad entrare in uno stampo metallo a velocità alta per

effetto di una pressione.

 Microfusione: un modello di cera viene usato per preparare lo stampo fatto con un impasto

fluido che indurisce.

 Fusione continua: colata continua in seguito all’estrazione.

Metallurgia delle polveri: compattazione del metallo ridotto in polvere e successivo trattamento termico.

Per metalli a bassa duttilità ed alto punto di fusione.

Saldatura: unione di due parti metalliche attraverso fenomeni di diffusione ad alta temperatura.

MATERIALI CERAMICI

Proprietà meccaniche dei materiali ceramici: teoria della frattura fragile

Resistenza dei materiali ceramici

 I materiali ceramici sono fragili

 Si rompono in modo catastrofico a temperatura ambiente e possono non rompersi in modo catastrofico ad

alta temperatura

 Possono rompersi in seguito all’applicazione di un carico statico dopo un certo intervallo di tempo: fatica

statica

 Elevata resistenza all’usura e all’erosione (sollecitazione a compressione)

Influenza delle porosità

 Modulo elastico diminuisce all’aumentare della porosità

 La resistenza a flessione è variabile e dipende dalla porosità

Meccanismi di deformazione-CERAMICI IONICI

•Le direzioni e i piani di scorrimento sono vincolati dalle cariche: due ioni con lo stesso segno

non possono venire in contatto

•Il movimento delle dislocazioni è possibile ma difficile perché lo scorrimento può avvenire nei

piani che non hanno la massima densità atomica

•Numero limitato di sistemi di scorrimento strutture cristalline a bassa simmetria

Meccanismi di deformazione-CERAMICI COVALENTI

•Il moto delle dislocazioni è difficile perché il legame covalente è un legame fortemente direzionale

•Alcuni sistemi di scorrimento diventano attivi solo ad alte temperature (>0.5 Tfus)

Meccanismi di deformazione-VETRI

•Il movimento delle dislocazioni è difficile in una struttura cristallina disordinata come quella dei vetri

•I vetri possono deformarsi per flusso viscoso, la loro viscosità è molto alta a T ambiente.

MATERIALI CERAMICI- Proprietà meccaniche

Teoria di Griffithpresenza di pori o cricche molto piccole sulla superficie o all’interno del materiale.

I difetti, infatti, agiscono come concentratori di tensioni in prossimità del loro apice. L’entità dell’amplificazione della

tensione dipende dall’orientazione, dalla geometria e dalle dimensioni del difetto.

-Anche nei materiali duttili una cricca determina una concentrazione di tensioni, ma questa viene assorbita dalla

deformazione plastica (es. arrotondamento degli apici della cricca).

-Nei materiali ceramici questo non può avvenire: il moto delle dislocazioni non è apprezzabile a temperatura

ambiente.

Ci sono tre modi secondo i quali un carico può agire su una cricca, influenzando in modo diverso l’apertura delle

superfici della cricca: apertura, scorrimento, lacerazione.

La resistenza del materiale ceramico è data dalla combinazione di un parametro caratteristico del materiale (la

tenacità a frattura) e di una variabile (la dimensione del difetto critico).

Difetti nei ceramici

–Porosità dovuta a sinterizzazione incompleta

–Difetti causati da contatto, abrasione, impatto, lavorazioni meccaniche

–Corrosione

Esempi di difetti: preparazione delle polveri

•Inclusioni di tipo organico che possono contaminare le polveri ceramiche

•Durante la sinterizzazione vengono bruciate lasciando dei vuoti

•Formazione di difetti di dimensione corrispondente a diversi grani.

Esempi di difetti: diversa espansione termica tensioni

•Inclusioni inorganiche con coefficiente di dilatazione termica diversa dal ceramico residue al

raffreddamento.

•Stress termici dovuti a un’espansione termica anisotropa del ceramico possono generare cricche ai bordi di grano.

•Gli stress termici possono portare a frattura.

Esempi di difetti: contatto

•Le tensioni da contatto sono sufficienti a nucleare delle cricche. Queste propagano in un anello intorno alla zona di

contatto e nel ceramico con la caratteristica geometria a cono.

Frattura ad alta temperatura

•Molti ceramici contengono una fase vetrosa per ridurre la porosità.

•Il vetro può essere soggetto a creep ad alta temperatura (T> Tg), con conseguenze sul comportamento a frattura ed a

fatica. MATERIALI CERAMICI

Definizioni:

Materiale inorganico, ottenuto da materie prime minerali, foggiato a freddo e consolidato in modo irreversibile

mediante cottura (sinterizzazione).

Materiale inorganico non metallico ottenuto da paste preformate, impastate con acqua e cotte a temperatura

inferiore alla temperatura di fusione.

Classificazione sulla base della microstruttura:

 A pasta porosa: grani separati da un numero di pori e interstizi.

 A pasta compatta: i vuoti sono in buona parte riempiti da una fase vetrose in seguito alla parziale fusione

subita durante la cottura.

ARGILLA (Keramos)

La parola "ceramica" deriva dal greco "keramos", che significa "argilla", costituente base della maggior parte dei

materiali ceramici tradizionali.

L'argilla naturale è composta da:

•Alluminosilicati idrati

•Ossidi e idrossidi di Fe, K, Al, Si, Ti, …

•Carbonati di Ca, Mg, Fe, Ti, ...

Le argille sono:

-abbondanti e poco costose.

-idroplastiche: se mescolate con acqua esse formano una massa plastica facilmente lavorabile, perché l’acqua si

interpone fra gli strati di lamelle e forma un film sottile attorno alle particelle di argilla.

La PLASTICITÀ è causata dalla struttura lamellare dei minerali argillosi e dai legami superficiali che si instaurano tra i

vari strati di particelle, nei quali penetra l’acqua che, creando dei "cuscini", permette agli strati di slittare gli uni sugli

altri. Composizione di una porcellana 50% argilla+ 25%quarzo (materiale riempitivo) +25% feldspato (fondente).


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5 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria biomedica
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher davidedest di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Scienza e tecnologia dei materiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Verne Enrica.

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