Scienze dei materiali Flashcards
Medicina personalizzata
I biomateriali e le loro applicazioni seguono le esigenze dei pazienti, diversi per stato osseo, età e abitudini: la medicina diventa personalizzata e pronta ad adattarsi ad ogni persona.
L’analisi delle lastre, frontali e laterali, è fondamentale
Per la creazione di protesi su misura si fanno modelli 3D –> perfetta sul paziente/facile per il chirurgo da inserire
Materiali ingegneristici
Metalli ->
FERROSI: ghisa, acciaio (+leghe)
NON FERROSI: alluminio, rame, ottone, bronzo, zinco, magnesio, titanio, argento, stagno, oro, nichel
Non metalli ->
ORGANICI
1)polimeri:
*termoplastici: propilene, polietilene, polistirene, pvc, acrilico, nylon, pet
*termoindurenti: fenolici, epossidica, alchiliche
*elastomeri: gomma, silicone, fluorocarbone, butile
2)altro: pelle, carbonio, legno, carta
INORGANICI
1) ceramiche: aluminia, magnesia, berillia, carburi, nitruri, zirconia
2) vetri: silicati, soda-lime, cristallo
3) altro: mica, calcestruzzo, gesso
i materiali più interessanti per prestazioni meccaniche sono le leghe
l’acciaio inox è più adatto a strumentazione per sala operatoria (materiale sterile)
il titanio è compatibile con test a campi elettromagnetici
i materiali sono tanti ma quelli regolamentati - e quindi effettivamente utilizzati - sono sempre i soliti
Medical grade
Il materiale utilizzato DEVE essere inserito nell’apparato regolamentare che garantisce che sia:
- assorbente-controllato
- inquinato-controllato
- atossico -> nessun innesco reazioni interne
- funzionante
- sterilizzabile -> eliminare la carica batterica attraverso trattamenti che non alterano il materiale
- biocompatibile -> meccanicamente e all’interfaccia
NOTA BENE occorre cautela nella consultazione di tabelle descrittive, perchè ogni materiale è diverso a seconda del trattamento, trasporto, composizione, origine etc
Tipi di sollecitazione
Meccaniche: per via del carico posturale
Chimiche: corrosione in ambiente salino/acido (0,9% NaCl)
Termiche: nonostante l’uomo sia “termostatato”
Elettriche: per via del rilascio ionico
Bulk
Interfaccia -> tra differenti costituenti strutturali
Superficiali -> tra due diverse fasi
Autoindotte
Esterne -> statiche, dinamiche, impulsive
Bassa->deformazione elastica: la struttura atomica non è disturbata
Alta->deformazione plastica: la forma dell’oggetto è modificata in seguito all’applicazione di energia e viene raggiunto un nuovo equilibrio energetico
NOTA la composizione del materiale è alla base del tipo di deformazione
Energia
Il BILANCIO ENERGETICO è essenziale: la protesi deve dissipare l’energia derivante da urti/percosse-> si piega (=dissipa in modo controllato) o si rompe
in MECCANICA = bilancio di forze e momenti
in CHIMICA = bilancio di potenziali chimici
nel momento in cui viene inserito un dispositivo esterno all’interno di un paziente, si ha un’interazione che termina proprio nel momento in cui si raggiunge l’equilibrio (chimico).
NOTA BENE
Nel bulk ho continuità energetica, al contrario della superficie!
Diagramma stress-strain
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Stress_Strain_Ductile_Material.png/800px-Stress_Strain_Ductile_Material.png
la legge di Hooke (regime elastico lineare, σ=εE con σ=P/Ao stress, ε=(L-Lo)/L deformazione, E modulo di Young) dura fino al carico di proporzionalità.
il Modulo di Young è calcolato fino al limite elastico.
nel punto di snervamento ho un’improvvisa e grande deformazione con poco stress: dopo poco ho il massimo stress; infine arriva il punto di frattura.
La tensione di snervamento è funzione della dimensione dei grani: questi sono un’efficace barriera alla deformazione, infatti più sono piccoli più è il bordo, quindi il metallo è più resistente allo snervamento, perchè ho sotto controllo la migrazione delle dislocazioni (che sono locate proprio nei bordi di grano).
Resilienza
resistenza a una deformazione permanente
Durezza
resistenza fino al punto di frattura
Cristalli fondamentali
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fgeabracciali.com%2Fcristalloterapia%2Fsistemi-cristallini%2F&psig=AOvVaw1Imh_KPOZgMUADx-Cro81k&ust=1649169798368000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjRxqFwoTCPDY-7bS-vYCFQAAAAAdAAAAABAD
CUBICO CORPO CENTRATO (CCC) come ferro, cromo, molibdeno atomi tot: 2 #coordinazione: 8 fattore di compattazione: 0,68
CUBICO FACCE CENTRATE (FFC) come rame, alluminio, oro, argento atomi tot: 4 #coordinazione: 12 fattore di compattazione: 0,74
RETTANGOLO ESAGONALE COMPATTO (HCC) come cadmio, magnesio, zinco, titanio atomi tot: 6 #coordinazione: 12 fattore di compattazione: 0,74
Autotensioni
quando si crea una lega viene scombussolata l’energia e di conseguenza si va alla ricerca di un nuovo equilibrio energetico e quindi cambia la forma; nel caso in cui ci siano VINCOLI DIMENSIONALI allora il sistema rimane compresso e si hanno le autotensioni; anche il GRADIENTE DI RAFFREDDAMENTO determina le autotensioni!
Processo di produzione dei metalli
1)Depositi minerali
viene effettuata estrazione, raffinamento e vengono create leghe
2)Preformato
si ottengono fili, barre, fogli, tubi, polveri, attraverso la fase di FABBRICAZIONE (colata, forgiamento, laminazione, produzione in polvere, lavorazione a caldo)
3)Dispositivo preliminare -> dispositivo finale
la SUPERFICIE viene lavorata (copertura porosa, lucidatura, sabbiatura)
4)Mercato
fase a cui si accede solo dopo una attenta pulizia, controllo qualità e packaging
Modelli standardizzati: profilati = travi e palificazioni rotaie = std, per gru, giunzioni barre = profilo tondo, quadro, esagonale etc tondi -> fili -> funi/chiodi/reti tubi/tubazioni lamiere e lamierini
Legame ferro-carbonio, diagramma ferro-carbonio
Il metallo si ricava sotto forma di OSSIDO / CARBONATO
una reazione di riduzione con addizione di C permette di isolarlo ( MeO + CO -> Me + CO2)
ecco perchè è inevitabile avere una percentuale di carbonio; anche per piccole variazioni percentuali ho
caratteristiche molto diverse.
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fdidattica-2000.archived.uniroma2.it%2FFond_Prog_Strutt_mec%2Fdeposito%2F02-Tensione-Compressione-Taglio_V1-6.pdf&psig=AOvVaw39I_PmOz-yts6_uzO6YqFm&ust=1649260224198000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjhxqFwoTCLCgvb-j_fYCFQAAAAAdAAAAABAE
man mano che il tenore di carbonio sale (anche non oltre 1,12%), si ha la frattura per un valore di tensione più bassa (da 30% a 15%) - lo stress è decisamente alto [da 300 a 700MN/m^2].
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/it/thumb/b/be/Diagramma_Ferro-Carbonio.PNG/400px-Diagramma_Ferro-Carbonio.PNG
questo diagramma è all’equilibrio termodinamico, cioè le trasformazioni avvengono come sequenza di stati di equilibrio a prescindere dal tempo; nella realtà siamo fuori equilibrio, perciò è fondamentale considerare la velocità di raffreddamento/riscaldamento
a seconda della temperatura (asse y) la geometria del reticolo subisce delle variazioni
NB il gradiente di raffreddamento determina le autotensioni!
Dalla T più bassa alla più alta abbiamo:
α (BCC) -> γ (FCC) -> δ (BCC) -> fase liquida di Fe + C
Leghe
soluzione solida ottenuta:
- in modo casuale (inquinata) o intenzionale
- di tipo monofasica o polifasica
- attraverso sostituzione o interstizione
- con trattamenti termici (ISO/ANISOTERMO), meccanici (INCRUDIMENTO), termochimici (cementazione, nitrurazione)
ELEMENTI PROIBITI:
zolfo: nocivo e sensibile al calore
fosforo: fonte di fragilità
azoto: facilita l’invecchiamento
idrogeno: causa cricche e fish eye
ossigeno: terribile
Prestazioni meccaniche dei materiali
bisogna tener da conto
CHIMICA degli elementi costitutivi
TRATTAMENTI TERMICI a cui è stato sottoposto
GRADIENTE DI RAFFREDDAMENTO perchè determina il bordo dei grani
PROFILO -> nm = reticolo atomico
-> microm = grani, bordo di grani
Incrudimento
Processo di “assottigliamento” - ad esempio nel laminatoio si passa da 27,5 mm a 2,5 mm - eseguito a bassa temperatura.
La sollecitazione è “di taglio” e induce la SORGENTE DI FRANK READ: le dislocazioni si moltiplicano in piani di scorrimento distanziati.
http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par1.h20.gif
se gli atomi sono disposti in maniera regolare - all’equilibrio - allora le dislocazioni si muovono meglio: il grano di deforma facilmente e ottimizza la condizione energetica = 0 autotensioni MA basse prestazioni meccaniche
in caso contrario - trasformazione veloce fuori equilibrio - le dislocazioni (che invece si muovono lente) non riescono a realizzare il loro processo di migrazione: il grano si impacca = si incrudisce = aumenta la sua rigidità
Acciaio - classificazioni
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fmoodle2.units.it%2Fpluginfile.php%2F293334%2Fmod_folder%2Fcontent%2F0%2Fdiagr.%2520di%2520stato5-dispense.pdf%3Fforcedownload%3D1&psig=AOvVaw33HLvo-p59F842RXwzIj0n&ust=1649262296500000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjhxqFwoTCPit3oqr_fYCFQAAAAAdAAAAABAP
acciaio IPOEUTETTOIDICO C < 0,77%
acciaio EUTETTOIDICO C = 0,77%
acciaio IPEREUTETTOIDICO 0,77% < C < 2,11%
NB c’è un solo punto in cui il passaggio da γ a α è diretto (C = 0,77%, a 723°C); generalmente di lavora a 800° ( si ha α+γ in proporzione variabile a seconda di C%)
Difetti
I difetti trasformano e caratterizzano il materiale: sono indispensabili per conferire proprietà e prestazioni.
1) Lineari: dislocazione
l’incremento di S supera quello di H
2) Puntuali: interstiziali, puntuali
l’incremento di H supera (molto) quello di S
in prossimità dei bordi di grani o dei gradini ho le “vacanze reticolari”: alte percentuali sono conseguenza di
- rapido raffreddamento
- deformazioni plastiche/a freddo
- bombardamento ad alte energie
le vacanze sono mobili e favoriscono la diffusione allo stato solido
SCHOTTKY vacanze accoppiate
FRENKEL vacanze + interstiziali
I difetti modificano il tenore energetico
posso moltiplicarle con trattamenti quali l’incrudimento
oppure bloccarne la creazione attraverso affinamento del grano, alligazione, precipitazione
stima del modulo di Young
le interazioni atomiche decadono a 2r, mentre il picco di forza dovuto allo stretching dei legami è 0,25r
il valore di tensione massimo TEORICO è una funzione del modulo di young (E): 2σ = (E 0,25 r )/r –> σ = E/8
tuttavia è un’approssimazione eccessiva dal momento che bisogna considerare i difetti del materiale: infatti E è ALMENO 100 VOLTE INFERIORE A QUELLO TEORICO
Movimenti degli atomi nel reticolo ospite
1) interscambio atomico: riequilibrio energetico locale
2) diffusione solida: lenta e favorita dalle alte temperature; segue le leggi di Fick (Flusso = -D dc/dx ; dc/dt = d^2/dx^2 (D dc/dx) )
fa accumulare le impurezze dei grani verso il loro bordo, rendendo quest’ultimo sede di tensioni locali
http://www.chimdocet.it/solido/file7a.htm
nota:
G = H - T*S
H=Ed energia necessaria alla creazione di un difetto
se aumento i difetti aumenta l’entropia S, perciò l’energia libera G totale diminuisce
Dislocazione
Un intero “piano” si insinua nel reticolo; si origina stress (=energia), che è nocivo se non sono in grado di controllarlo ma al tempo stesso utile se so sfruttarlo.
A livello dello SLIP PLANE ho discontinuità energetica -> perchè ho maggiore densità energetica.
La struttura cerca di riadattarsi allargandosi: dove si insinua il cuneo ci sarà compressione, nella parte sottostante tensione; tuttavia non sarà possibile andare oltre il bordo di grano
dislocazione a spigolo (edge): http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par2.htm
se non c’è alcun difetto la dislocazione scorre fino al bordo di grano
se c’è difetto puntuale entra in gioco il “climb”
vettore b parallelo a direzione di slip ovvero perpendicolare a quella di dislocazione
dislocazione a vite (screw):
http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par2.ht
vettore b perpendicolare a direzione di slip ovvero parallela a quella di dislocazione
RICORDA: le dislocazioni si accumuleranno ai bordi di grano e lungo le interfacce di discontinuità energetica -> seguono l’evoluzione termica del reticolo
Trattamenti anisotermici
vengono applicati per ottenere migliori prestazioni meccaniche sfruttando:
- trasformazioni di fase
- variazione della dimensione dei reticoli
- presenza di ATOMI INTERSTIZIALI (se non ci sono allora non cambiano le sue proprietà)
- sollecitazioni interne (direttamente proporzionali alla severità di raffreddamento)
- raffreddamento fuori equilibrio -> strutture metastabili: MARTENSITE (struttura aghiforme molto compatta)
Trattare un materiale termicamente influenza il suo comportamento magnetico!
Tempra
trattamento anisotermico che consiste nel riscaldare e successivamente raffreddare, più o meno dolcemente, a seconda dell’elemento che raffredda (acqua più severa dell’olio)
Bonifica
Trattamento anisotermico costituito da una tempra a cui segue un rinvenimento (=ulteriore riscaldamento fatto per normalizzare la struttura interna, ma sotto la temperatura critica)
Saldatura
è un tipo di operazione che DISTURBA il materiale, perchè viene scaldato e poi raffreddato e quindi squilibrato nella sua struttura
questo vale sia unendo due pezzi direttamente, sia usando un secondo materiale saldante; è più difficile quanti più sono i leganti
https://decapaggio-passivazione.it/wp-content/uploads/2015/04/Metallurgia-della-Saldatura-schema.jpg
OTTIMA TECNICA: flusso di elettroni
Cementazione - dell’acciaio
la superficie viene arricchita (ad es con carbonio)
mi rimane la struttura tenace ma posso avere così una superficie più dura
si effettua attraverso una doppia tempra, di diversa profondità
NITRAZIONE: arricchimento superficiale di azoto -> sottile ma molto duro
Durezza
resistenza opposta dal materiale alla sua deformazione permanente da parte di un altro corpo
Rockwell: penetratore conico
Vickers: penetratore piramidale
