BIOMATERIALE I COMPONENTE PROTETICE METALICE III

IV

PREFA Cunoa terea i utilizarea metalelor au fost nc din preistorie factori de progres p entru civiliza ia uman . Unul dintre cele mai nobile domenii de utilizare a mate rialelor metalice (al turi de alte materiale) este cel al medicinii, sub form de implante, proteze i alte componente care intr n constitu ia celor mai complicate dispozitive medicale. Metalele au fost utilizate n chirurgia osoas , nc din a dou a jum tate a secolului al XIX-lea. Ulterior, evolu ia utiliz rii metalelor a cun oscut o dezvoltare rapid , al turi de materiale ceramice, polimerice i compozite n cadrul tiin ei care s-a conturat ca domeniu de specialitate i anume TIIN A BIO MATERIALELOR . Procesarea metalelor i aliajelor sub form de componente i dispozi tive protetice constituie un domeniu de vrf al tiin ei i tehnologiei materialelor metalice. Sunt necesare cuno tin e i experien aprofundate n privin a structurii, propriet ilor, producerii i utiliz rii biomaterialelor n concordan cu cele mai n oi tehnologii cunoscute i aplicate pe plan mondial. Ast zi s-au acumulat vaste c uno tin e n domeniul biomaterialelor care, n mare parte, sunt centralizate sub for m de standarde, tabele i cataloage n literatura de specialitate ; aspect care u u reaz munca specialistului n domeniu. Studentul de ast zi, bioinginerul de mine, tr ebuie s cunoasc i s st pneasc tehnologiile avansate de procesare, caracterizare i utilizare a componentelor proteice, pentru a fi partenerul a teptat i solicitat n echipele medico-chirurgicale. In lucrarea de fa , care se adreseaz studen ilor bioingineri de la Facultatea de Bioinginerie Medical din cadrul Universit ii de Medicin i Farmacie Gr. T. Popa Ia i i speciali tilor n domeniul componentelor prot etice sunt acumulate cuno tin ele necesare pentru instruirea n domeniul Biomateri alelor metalice, precum i un volum important de date utile pentru documentarea c elor care se ocup cu cercetarea i utilizarea medical a metalelor i aliajelor bio compatibile. V

n abordarea tematicii propuse autorul a plecat de la principiul corela iei dintre structura i propriet ile materialelor metalice, s-a continuat cu prezentarea pr incipalelor grupe de metale i aliaje biocompatibile i n final sunt abordate tehno logiile de procesare i utilizare medical a unor grupe reprezentative de implante i proteze. De asemenea lucrarea con ine, sub forma tabelat , o serie de date te hnice de specialitate privind compozi ia i propriet ile celor mai utilizate grup e de biomateriale metalice. Salut m efortul depus de autor de a concepe i realiz a o asemenea lucrare de pionierat pe plan na ional n privin a componentelor i dis pozitivelor protetice metalice, care vine i n sprijinul medicilor din domeniul ch irurgiei implantologice. Prof.univ. dr. V. Burlui Rector al Universit ii de Medicin Farmancie Gr. T. Popa, Ia i i VI

NOTA AUTORULUI Lucrarea de fa , la a doua apari ie de acest gen din ar , se adreseaz studen ilo r i speciali tilor care se preg tesc sau lucreaz n domeniul biomedical. n cuprinsu l lucr rii sunt abordate succesiv i gradual probleme privind structura, propriet ile i principalele procedee de procesare i utilizare pentru unele componente pr otetice i implantologice. Con inutul lucr rii este realizat n concordan cu nivelu l de cuno tin e universitar practicat n rile europene cu tradi ie n acest domeniu, corelat fiind cu programele analitice ale Facult ii de Bioinginerie Medical ale U.M.F Gr. T. Popa Ia i. Fiind la a doua apari ie editorial n domeniul biomateriale lor metalice, lucrarea de fa reprezint o mbun t ire esen ial a celei precedente ( editat n anul 2001) prin tematica abordat i mai ales prin nivelul de prezentare a celor mai moderne componente i dispozitive protetice i implantologice. n acest m od lucrarea se nscrie pe linia perfec ion rii i moderniz rii procesului cunoa ter ii n domeniu n corela ie cu stadiul realizat la nivel european i mondial. Mul umes c colegilor i colaboratorilor care m-au sus inut i au contribuit la apari ia ace stei c r i de specialitate biomedical , domeniu de cca zece ani care s-a impus i se afirm continuu att la nivel de nv mnt ct i n clinici, spitale i institu ii de pro cesare a componentelor i dispozitivelor protetice. Autorul VII

CUPRINS CAP.1 INTRODUCERE ................................ ........................... 1 1.1 Definirea i clasificarea biomaterialelor metalice........... 1 1.2 Scurt is toric privind evolu ia utiliz rii metalelor n medicin ........................... ..... ................................ .......................... 2 1.3 Clasific area materialelor metalice utilizate n medicin ................................ . ............................... .......................... 5 CAP. 2 DEFINIREA I CARACTERIZAREA STRUCTURAL A METALELOR I ALIAJELOR...................... 7 2.1 St area metalic . Teoria electronic a metalelor i aliajelor ....................... ......... ................................ ........................... 7 2.2 Stu ctura cristalin i sisteme cristaline metalice .......... 10 2.3 Re ele cristalin e metalice ................................ ............... 12 2.4 Alotropia met alelor................................ ........................ 15 2.5 Formarea structurii materialelor metalice ................... 17 2.5.1 Structura policris talin a materialelor metalice........ 17 2.5.2 Structura de solidificare a mater ialelor metalice....... 19 2.6 Imperfec iunile re elei cristaline .............. .................. ... 30 2.6.1 Defecte punctiforme ............................ .... .................. 31 2.6.2 Defecte liniare ............................... . .......................... 32 2.6.3 Defecte de suprafa ....................... ......... ................. 34 2.6.4 Considera ii practice privind imperfectiuni le re elei cristaline................................ .......................... ...... ........................ 36 2.7 Structuri metalice amorfe................ ................ .............. 37 2.8 Structuri metalice poroase .............. .................. ............ 40 2.8.1 Modul de mpachetare a particulelor n mate rialele pulverulente ................................ .......................... ...... ................... 40 2.8.2 Structura produselor sinterizate ........... ..................... 42 2.9 Structuri metalice compozite ...................... .......... ......... 43 VIII

2.9.1 Compozite cu matrice metalic i inser ia din particule disperse ........... ..................... ................................ ......................... 44 2.9.2 Compozite cu matrice metalic i inser ie din fibre ... 45 2.10 Compozi ia fizico-chimic i natura fazelor din aliajele metalice ........................ ........ ................................ ......................... 47 2.10.1 Fa ze solide n sistemele de aliaje ............................ 47 2.10.2 Constituen i metalografici ................................ ....... 50 CAP. 3 TERMODINAMIC A TRANSFORM RILOR STRUCTURALE N SISTEMELE DE ALIAJE METALICE ...... 52 3.1 Echili brul termodinamic ................................ ............... 52 3.2 Legea fazelor n sistemele de aliaje ............................... 53 3.3 Difuzia n met ale i aliaje................................ ............... 55 3.4 Diagrame de echilibru fazic n sistemele de aliaje ........ 59 3.4.1 Diagrama de echilibru cu solubilitate complet a componentelor ................................ .......... ...................... ............... 60 3.4.2 Diagrame de echilibru cu solubil itate limitat a componen ilor ................................ ................. ............... ................ 63 3.4.2.1 Sisteme de aliaje cu transformare eu tectic ......... 63 3.4.2.2 Sisteme cu transformare peritectic ................. ... 65 3.4.2.3 Sisteme de aliaje cu faze intermediare ................ 66 3.4.3 Importan a practic a diagramelor de echilibru fazic ale sistemelor de aliaje ... ............................. ................................ .. 67 3.4.4 Siste me de aliaje din domeniul biomaterialelor metalice ............................. ... ................................ ......................... 69 3.5 Tratamente termice aplicate materialelor metalice..... 74 3.5.1 Defini ii, parametri i cla sificarea tratamentelor termice................................ ................ ................ ........................... 74 3.5.2 nc lzirea i r cirea materia lelor metalice n timpul tratamentelor termice................................ ... ............................. ..... 75 3.5.3 Tratamente termice aplicate o eluri lor ...................... 77 3.5.3.1 Transformarea austenitei la r cire........ ............... 77 3.5.3.2 Propriet ile constituen ilor rezulta i la descompuner ea austenitei ................................ .......................... 82 3.5 .3.3 Recoacerea o elurilor................................ .......... 85 3.5.3.4 C lirea o elurilor ................................ ................ 87 3.5.3.5 Revenirea o elurilor ................................ ............ 88 3.5.4 Tra tamente termice ale aliajelor neferoase ............... 89 3.5.4.1 Durificarea p rin precipitare i dispersie .............. 89 IX

3.5.4.2 Durificarea martensitic n aliajele neferoase...... 91 CAP. 4 PROPRIET ILE BIOMATERIALELOR METALICE ................................ ..................... ........... ...................... 96 4.1 Propriet i fizico-mecanice ........... ..................... ............ 96 4.1.1 Tensiuni i deforma ii............... ................. ................ 96 4.1.2 Comportarea elastic a materialelor m etalice......... 100 4.1.3 Ecruisajul (durificarea sub efort) .................. .......... 105 4.1.4 Ruperea materialelor metalice ............................. ... 106 4.1.5 Tenacitate, rezilien , duritate ................................ 1 11 4.1.6 Superplasticitatea metalelor................................ .... 115 4 .1.7 Densitatea i porozitatea................................ ......... 116 4.2 Propriet i termice ale metalelor i aliajelor .............. 117 4.2.1 Transform ri fazice n metale i aliaje .................... 117 4.2.2 C ldura specific ..... ........................... .................... 119 4. 2.3 Conductibilitatea te rmic ................................ ....... 122 4.2.4 Dilatarea termic ....... ......................... .................... 124 4.3 Propriet ile electrice al e metalelor i aliajelor .......... 126 4.3.1 Conductibilitatea electric ........ ........................ ...... 126 4.3.2 Efecte termoelectrice n metale ........ ....................... 129 4.3.3 Efecte galvanomagnetice....................... ......... ......... 129 4.3.4 Efecte termomagnetice ............................ .... ............ 130 4.4 Propriet i de suprafa ................................ .............. 131 4.4.1 Energia i tensiunea superficial ...................... ...... 131 4.4.2 Adeziunea ................................ .................... ........... 134 4.4.3 Autopasivarea ................................ ........... .............. 136 4.5 Propriet i de difrac ie i absorb ie a razelor X ......... 137 4.5.1 Difrac ia razelor X ................................ ................ .. 137 4.5.2 Absorb ia razelor X................................ ............... .. 139 4.6 Propriet i de memorie a formei aliaje inteligente ................... ............. ................................ .................... 141 4.6.1 Ef ectul de memorie a formei ................................ ... 142 4.6.2 Natura i mecanismul transform rii martensitice n aliajele metalice...................... .......... ................................ ........... 144 4.6.3 Transform ri m artensitice reversibile ..................... 147 4.6.4 Martensite termoelastice ................................ ......... 149 4.6.5 Morfologia martensitei ... ............................. ........... 150 4.7 Propriet i de coroziune i rezi sten la coroziune a metalelor i aliajelor ................................ ..... ........................... ... 153 X

4.7.1 Tipuri i mecanisme de coroziune ........................... 153 4.7.2 Coro ziunea electrochimic ................................ ...... 154 4.7.3 Termodina mica coroziunii electrochimice. Diagrame poten ial-pH........................... ..... ................................ ................. 162 4.7.4 Cinetica coro ziunii electrochimice fenomene de polarizare ................................ .. .............................. .................... 165 4.7.5 Pasivarea electroc himic ................................ ........ 166 4.7.6 Rezisten a la coroziun e ................................ ........... 168 4.7.7 Caracterizarea rezisten ei la coroziune ................... 169 4.7.8 Prevenirea i limitarea coroziunii materialelor metalice ................................ ........................ ........ ....................... 170 4.8 Propriet i de biocompatibilitate cu med iul biologic 172 4.8.1 Considera ii generale................................ ... ........... 172 4.8.2 Biocompatibilitatea definit prin propriet ile de suprafa . ............................... ................................ ............... ...... 173 4.8.3 Stratul electric superficial al biomaterialelor.......... 173 4 .8.4 Mecanismul de pasivare al biomaterialelor metalice ........................ ........ ................................ ....................... 174 4.8.5 Bioc ompatibilitatea definit prin structura electronic a metalelor................... ............. ................................ ................... 175 4.9 Propr iet i de interac iune implant mediu biologic ................................ .. .............................. ........................ 178 4.9.1 Toxicitatea me talelor ................................ .............. 178 4.9.2 Eliberarea de ioni i particule metalice n organism182 4.9.3 Reac ii tisulare................... ............. ........................ 184 4.9.4 Reac ii inflamatorii .......... ...................... ................. 185 4.9.5 Reac ii imunologice. Sensibil itate i alergie ............ 185 4.9.6 Efecte carcinogene ...................... .......... .................. 186 4.9.7 Concluzii............................... . ................................ . 186 CAP.5 TEHNOLOGII DE OB INERE A BIOMATER IALELOR METALICE ................................ ........... 188 5.1 O eluri in oxidabile ................................ ....................... 188 5.1.1 Def ini ii i clasific ri ................................ .............. 188 5.1.2 P rincipii tehnologice de elaborare, turnare i prelucrare......................... ....... ................................ .................... 192 5.2 Titanul i aliaje pe baz de titan ................................ 196 5.2.1 Caracterizare general ................................ ........... 196 5.2.2 Recristalizarea f azic a titanului ............................. 197 XI

5.2.3 Influen a unor elemente de aliere asupra propriet ilor titanului ......... ....................... ................................ ....................... 198 5.2.4 Influen a impurit ilor asupra structurii i propriet ilor titanului .. .............................. ................................ . 200 5.2.5 Alia je pe baz de titan ................................ ............. 200 5.2.6 Comp ozi ii de titan i aliaje pe baz de titan utilizate ca biomateriale ............. ................... ................................ ............ 202 5.2.7 Elab orarea i turnarea titanului i aliajelor sale ..... 207 5.3 Cobaltul i aliajele s ale ................................ ................ 210 5.3.1 Propriet i gener ale ale cobaltului.......................... 210 5.3.2 Aliaje de cobalt pentru u z medical .......................... 211 5.3.3 Principii de elaborare, turnare i prelucrare a aliajelor pe baz de cobalt ................................ ...... ..................... 218 5.4 Metale i aliaje nobile ........................... ..... ................. 218 5.4.1 Caracterizare general ........................ ........ ........... 218 5.4.2 Aurul i aliajele de sale......................... ....... ........... 218 5.4.3 Platina i metale platinice ....................... ......... ....... 221 5.4.4 Argintul i aliajele sale ........................... ..... ........... 222 5.4.5 Aliaje nobile pentru turnare ....................... ......... .... 224 5.4.6 Aliaje nobile maleabile prelucrate prin deformare plast ic ................................ ................................ ........... ............. 225 5.4.7 Aliaje de lipit pentru lucr ri dentare nobile .......... .. 226 5.4.8 Elaborarea, turnarea i prelucrarea metalelor i aliajelor nobile ... ............................. ................................ ............ 228 5.5 Tehnologii de ob inere a materialelor i straturilor metalice poroase ....... ......................... ................................ ......... 231 5.5.1 G eneralita i ................................ ............................ 231 5. 5.2 Ob inerea i caracteristicile pulberilor i fibrelor metalice ................ ................ ................................ ....................... 232 5. 5.3 Tehnologii de ob inere a structurilor metalice poroase ..................... ........... ................................ ................................ .. .. 234 5.5.3.1 Tehnologia de presare a pulberilor i fibrelor metalice........... ..................... ................................ ................... 234 5 .5.3.2 Tehnologia de sinterizare ................................ . 236 5.5.3.3 Tehnologia ob inerii straturilor superficiale poroase din aliaje Co-Cr-Mo ...... .......................... ................... 239 5.5.3.4 Tehnologia ob inerii straturilor poroase din aliaje pe baze de titan ................................ ................................ ........ 239 5.6 Tehnologii de ob inere a comp ozitelor cu matrice metalic ................................ ................... ............. ....................... 239 XII

5.6.1 Tehnologii de ob inere a compozitelor cu particule . 240 5.6.2 Tehnologii de ob inere a compozitelor metalice cu fibre ................................ .. .............................. ............................. 242 CAP. 6 TEHNOLOG II DE PROCESARE A DISPOZITIVELOR I COMPONENTELOR PROTETICE METALICE ............ .................... ................................ .................... 248 6 .1 Tehnologii de procesare a metalelor prin turnare ...... 248 6.1.1 Proiectarea tehnologiei de turnare.......................... 249 6.1.2 Dimensionarea i exec utarea modelului .................. 252 6.1.3 Executarea formelor i a miezurilor ........................ 254 6.1.4 Asamblarea formei de turnare................ ................ . 255 6.1.5 Turnarea metalului (aliajului) lichid n form ....... .. 256 6.1.6 Extragerea piesei metalice din forma de turnare si prelucrarea prim ara a acesteia................................ .................... 256 6.1.7 Tu rnarea de precizie a metalelor i aliajelor........... 257 6.2 Tehnologii de proc esare a metalelor prin deformare plastic ................................ ...... .......................... ........................ 263 6.2.1 Teoria deform rii plastice................................ ....... 263 6.2.2 Procesarea metalelor prin forjare i matri are........ 269 6.2.2.1 Forjarea liber .................... ............ .................. 269 6.2.2.2 Forjarea n matri (matri area) ....... .................. 274 6.2.3 Procesarea tablelor prin deformare plastic ........ ... 278 6.2.3.1 ndoirea tablelor ................................ ............... 278 6.2.3.2 Roluirea tablelor................................ ............... 2 80 6.2.3.3 Ambutisarea tablelor ................................ ........ 280 6. 3 Tratamente termice i termomecanice aplicate principalelor grupe de biomaterial e metalice. ........................... 283 6.3.1 Tratamente termice i termomeca nice ale o elurilor inoxidabile austenitice ................................ ... ............................. . 283 6.3.2 Tratamente termice i termomecanice apl icate aliajelor de titan................................ ....................... ......... ......................... 286 6.3.3 Tratamente termice i termomecanice aplicate de cobalt................................ ............................ .... ........................... 290 6.3.4 Tratamente termice aplicate metalelor i aliajelor pre ioase ................................ ........................ ........ ...................... 295 6.3.4.1 Metalele i aliajele pe baz de aur i argint ....... 295 6.3.4.2 Aliaje de platin ................................ ... ............ 296 XIII

6.4 Tehnologii de modificare asuprafe ei componentelor metalice ................ ................ ................................ ....................... 296 6. 4.1 Structura i compozi ia suprafe ei implantelor metalice ..................... ........... ................................ ....................... 296 6.4.1.1 Influen a structurii suprafe ei implantului ........ 297 6.4.1.2. Influen a com pozi iei suprafe ei implantului .... 302 6.4.2 Tehnologii de legare (lipire) a m etalelor cu ceramica ................................ .......................... ...... ...................... 304 6.4.2.1 Considera ii tehnologice ............. ................... ... 304 6.4.2.2 Glazurarea suprafe elor metalice ........... .......... 306 6.4.2.3 Lipirea ceramicii de metale prin brazare........... 307 6 .4.2.4 Sudarea ceramicii pe metale prin difuzie .......... 311 6.4.3 Tehnologii de acoperire superficial a componentelor protetice metalice .................... ............ ................................ ........ 315 6.4.3.1 Acoperirea co mponentelor protetice metalice cu carbon ................................ ...... .......................... ..................... 315 6.4.3.2 Depunerea straturil or superficiale complexe ..... 316 6.4.3.3 Depunerea straturilor superficiale pr in sinterizare................................ ................................ ................ 317 6.4.3.4 Depunerea de straturi superficiale n jet de plasm .. .............................. ................................ ................ ..... 317 6.4.3.5 Depunerea straturilor superficiale prin procedeul SOLGEL...... .......................... ................................ .................... ..... 318 6.4.4 Sisteme de compozite metal-ceramic utilizate n implantologie .... ............................ ................................ ............... 31 9 6.4.4.1 Compozite titan-hidroxiapatit ......................... 319 6.4.4.2 Co mpozite titan-ceramic cu propriet i speciale ................................ .. .............................. ................... 323 6.4.4.3 Compozite metal-c eramic rezistente la uzare .. 325 6.5 Procesarea principalelor componente i disp ozitive protetice i implantologice metalice. ................................ .. ........ 327 6.5.1 Propriet ile implantologice ale principalelor grupe de materi ale metalice ................................ ................................ . ...... 327 6.5.2 Dispozitive metalice de fixare intern ..................... 332 6.5.3 Clipuri anevrismale ................................ ................ 337 6.5.3.1 Utilizarea medical , principiul constructiv i clasificarea ............ .................... ................................ .............. 337 6.5.3.2 Caracteristici tehnice ale clipurilor anevrismale ............................. ... ................................ ............. 340 XIV

6.5.3.3 Tehnologia de procesare a clipurilor anevrismale ....................... ......... ................................ ............. 341 6.5.4 Proteza de di sc intervertebral ................................ . 343 6.5.4.1 Considera ii an atomo-func ionale ..................... 343 6.5.4.2 Proteza de disc intervertebr al........................... 344 6.5.4.3 Proteze de disc din materiale metalice ............. 345 6.5.4.4 Proteze de disc realizate din combina ii de materiale metalice i nemetalice ................................ .............. 346 6.5.5 Proteze articulare ortopedice ................................ .. 348 6.5.5.1 P roteza articular de old................................ .. 350 6.5.5.2 Proteza a rticular de genunchi .......................... 358 6.5.5.3 Proteza articular de glezn .............................. 361 6.5.5.4 Proteza articular de cot ..... ........................... ... 364 6.5.5.5 Proteza articular de um r .......... ...................... 366 6.5.5.6 Proteze articulare ale falangelor minii....... ...... 367 6.5.6 Proteze cardiovasculare................................ ....... ... 368 6.5.7 Materiale metalice utilizate ca electrozi i componente electronice ................................ ................................ ............. ...... 369 6.5.8 Materiale metalice utilizate n implantologia stomatologic ...... .......................... ................................ .............. 372 6 .5.9 Materiale metalice utilizate pentru proteze dentare. 374 CAP. 7 ANEXE ..... ........................... ................................ ..... 382 BIBLIOGRA FIE..410 XV

IV

CAP.1 INTRODUCERE 1.1 DEFINIREA I CLASIFICAREA BIOMATERIALELOR METALICE Cuvntul biomaterial poate fi definit n doua moduri: - un material sintetic utiliza t pentru nlocuirea unei p r i din corpul uman sau pentru a func iona direct cu un esut viu; - o substan a biologic inert destinat implant rii sau ncorpor rii n sis temele vii. O defini ie mai complet , dat la Conferin a European a Societ ii de Biomateriale, din martie 1986, precizeaz : biomaterialul este o substan (alta de ct medicamentul) sau combina ii de substan e de origine sintetic sau natural care poate fi utilizat pentru o perioad de timp, ca un ntreg sau parte a unui sistem, pentru tratamente, dezvolt ri sau nlocuiri de esut, organ sau func ie a corpului viu. Termenul biometal sau bioaliaj nu are o defini ie proprie, totu i prin ace ste cuvinte trebuie s n elegem materialele metalice utilizate ca biomateriale. Bi ometalele sunt utilizate sub form de dispozitive medicale, implante i proteze, c are la rndul lor se clasific astfel: - DISPOZITIVUL MEDICAL poate fi un instrumen t, aparat, implant, mecanism incluznd anumite componente, p r i sau accesorii i c are este destinat pentru a fi utilizat n diagnoze, n diverse cure, atenuare, trata ment sau pentru prevenirea bolilor la oameni sau la animale; - IMPLANTUL este un dispozitiv medical realizat din unul sau mai multe biomateriale, fiind plasat n corpul uman, total sau par ial, pentru o perioad de timp semnificativ ; - PROTEZ A este un dispozitiv care nlocuie te, n sens fizic, un membru, organ sau esut al c orpului; 1

- ORGANUL ARTIFICIAL este un dispozitiv medical care nlocuie te par ial sau total func ia unui organ al corpului; - ALIAJUL CHIRURGICAL este un material metalic utilizat ca biomaterial; - BIOCOMPOZITUL este un material care rezult din combin a ia a doua sau mai multe biomateriale fiecare avnd propriet ile sale specifice n materialul compozit, acesta din urm posednd propriet i distinctive i mbun t ite. L ucrarea de fa a i propune s trateze numai prima grup de biomateriale cele metali ce care a constituit nceputul utiliz rii implantelor i nc de ine o pondere importa n n protezare i implantologie. Tehnica protez rii s-a dezvoltat n paralel cu studi ul mecanicii i dinamicii esuturilor, domeniu cunoscut sub numele de BIOMECANICA, care se refer la designul i inser ia implantelor n organismul uman. Utilizarea c u succes a unui biomaterial depinde de trei factori principali ca: propriet ile i biocompatibilitatea, starea de s n tate a pacientului i competen a chirurgului care utilizeaz implantul. De exemplu, caracteristicile cerute pentru pl cile de fixare a fracturii de femur sunt: - acceptarea de c tre esutul viu a pl cii met alice; - s fie netoxice i necanceroase; - s fie inerte din punct de vedere chimi c; - rezisten a mecanic corespunz toare; - durata ndelungat la oboseal ; - design ingineresc superior; - densitate i greutate potrivit ; - pre ul acceptabil, rep roductibile i u or de fabricat n serie. 1.2 SCURT ISTORIC PRIVIND EVOLU IA UTILIZ RII METALELOR N MEDICIN Utilizarea metalelor ca biomateriale a nceput n 1860 cnd Dr. J. Lister a pus bazele tehnicii chirurgiei aseptice. Primele dispozitive metalice sub forma de srme i c uie executate din o el, aur, argint, platina, etc. s-au utilizat limitat la ncepu t datorit apari iei infec iilor 2

dup realizarea implantului. Implanturile moderne s-au dezvoltat mai ales n domeni ul repar rii oaselor i articula iilor. nainte de 1900 englezul Lane a realizat pl cu ele din o el pentru fixare a fracturilor osoase (fig.1.1.), care au fost apo i perfec ionate de c tre Sherman din Pittsburgh (fig.1.2.) folosind o elul aliat cu vanadiu pentru mbun t irea rezisten ei i a ductibilit ii. Fig.1.1 Primul model de plac din o el pentru fixarea facturilor (Lane) Fig.1.2. Modelul Sherman de plac pentru fixarea facturilor Ulterior aliajele pe baz de Co-Cr (numite Stellite) au fost primele materiale inerte pentru implantur i, realizate de Zierold n 1924. Curnd dup aceea au fost utilizate o elurile inoxid abile 18-8 (18% Cr, 8% Ni) i 18-8s Mo (ntre 2 i 4% Mo n compozi ie), care au rezis ten mecanice i la coroziune ridicat . Apoi un alt o el inoxidabil, numit Vitalli um (19% Cr, 9% Ni), a fost introdus n practica medical . Dup Lister, alte materia le au fost promovate ca implanturi metalice, dup ce n prealabil li s-au verificat propriet ile. Tratamentul fracturii de femur a fost nceput n 1926, cnd HeyGroves a utilizat primele uruburi. Apoi Smith-Petersen (1931) a realizat primele cuie cu cap ramificat cu ajutorul c rora a asigurat fixarea capului femural, folosind o el inoxidabil. n 1939 a nceput folosirea cupelor acetabulare din o el inoxidabil (Vitallium) i din alte materiale nemetalice, n protezarea capului femural, ap rnd noi suprafe e n tratarea articula iilor. Anul 1958 reprezint data de referin n per spectiva istoric a osteosintezei i a artoplastiei, cnd o firm elve ian introducea un set de instrumente i implanturi n osteosinteza modern , al turi de noi tehnic i de aplicare. Materialul metalic utilizat pentru implanturi a fost o elul inoxi dabil Cr-Ni- Mo. 3

n acela i an s-a realizat pentru prima dat o protezare de old integral metalic , f r cimentare, avnd tija diafazar din aliaj Ti-4Al2Sn i capul femural din aliaj p e baz de cobalt: Co- Cr- Mo. Datorit progresului numeroaselor discipline tiin if ice avnd la baza tiin a Materialelor i Biomecanica, s-au definit i criteriile de baz pentru includerea materialelor biocompatibile n cadrul unor standarde interna ionale. Cele mai importante realiz ri n domeniul dezvolt rii cronologice a impla nturilor metalice sunt prezentate i n tabelul 1.1. Tabelul 1.1 Cronologia apari i ei i utiliz rii biomaterialelor metalice Anul Sfr itul secolului al XVIII-lea - nceputul secolului al XIX-lea Autorul Materialul utilizat Diferite dispozitive metalice pentru fixarea fracturilor: srm e i cuie din o el, Au, Ag i Pt. 1860-1870 1886 1893-1912 1909 1912 1924 1926 1926 1931 1936 1938 1939 1946 1947 J.LISTER H. AUSMAN W. A. LANE A. LAMBOTTE W.D. SHERMAN A.A. ZIEROLD M. Z. LARGE E..W.HEY-GROVES M. N. SMITH PETERSEN C.S. VENABLE W.G. STUCK P. WILES J. C. BURC H H. .CARNEY J. JUDET R. JUDET J. COTTON Dezvoltarea tehnicilor chirurgicale ase ptice Placi pe baz de Ni i o el pentru f racturi uruburi i placi din o el pentru fixarea fracturilor Placi din alama, Al, Ag i Cu Placi din o el cu vanadiu, primul aliaj cu util iz ri exclusiv medicale Apare aliajul CoCr Mo - Stellit material mai bun dect Cu, In, Au, Ag, aliaje Al i o eluri. Se utilizeaz o elul inoxidabil 18 -8s Mo (2-4%Mo) cu rezisten a ridic at la coroziune. Folosirea uruburilor n fractura femurului. Prima fixare femural a oldului f cut din o el inoxidabil i apoi din aliajul Vitallium. Utilizarea o e lului inoxidabil Vitallium (descoperit n 1929) cu 19% Cr-9%Ni. Prima nlocuire tota l de old Utilizarea tantalului n medicina. Primele proteze biomecanice de old Uti lizarea Ti i a aliajelor sale. 4

1.3 CLASIFICAREA MATERIALELOR METALICE UTILIZATE N MEDICIN Biomaterialele metalice se clasific , din punct de vedere al compozi iei chimice i al structurii fizice, n trei grupe principale: metale tehnic pure, aliaje meta lice i compozite cu matrice metalic (CMM). y Metalele sunt utilizate n domeniul m edical, n mod curent, ca implante chirurgicale, ca materiale dentare i n construc ia diverselor aparate i dispozitive medicale. Exist peste 30 de elemente metalic e utilizate n medicin sub form de: - implante i proteze ortopedice i stomatologic e: Al, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, V, W, Zr, etc. - aliaje dentare p re ioase i semipre ioase cu: Ag, Au, Cu, Ga, In, Ir, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, Zn, etc - aliaje dentare nepre ioase cu: Al, B, Be, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, W y Aliajele utilizate ca implante chirurgicale n ortopedie i stomatologi e, se mpart n: - o eluri inoxidabile austenitice constituie grupa aliajelor pe baz de Fe, cu con inut ridicat de crom i nichel sunt utilizate n stare laminat ; - a liaje pe baz de cobalt, numite i aliaje CoCr, caracterizate prin con inut ridica t de crom (25 30%), molibden (5 7%) i alte metale ca nichel, mangan zirconiu i s taniu sunt utilizate att n stare deformat plastic ct i turnate; - aliaje pe baz de titan, cu 70 90% Ti, pot con in elemente ca Al, V, Nb, Ta, Mn, Zr i Sn. Aceste m ateriale sunt utilizate ca aliaje binare: Ti30Nb, Ti30Ta, TiMn, TiAl, TiNi (alia j cu memorarea formei nitinol),sau ternare ca:TiAlV,TiAlZr, etc. Aliajele men ion ate la aceast subgrup pot fi integrate n diverse dispozitive medicale utilizate n neurochirurgie, ortopedie, cardiologie, chirurgia maxilofacial , otologic i visc eral . Cele mai utilizate aliaje sunt cele pe baz de cobalt crom (cca. 70%), urm ate de aliajele cu titan; ultimele au excelente propriet i biocompatibile. y Ali ajele dentare utilizate pentru restaur ri dentare sub form de: 5

srme pentru corectarea danturii; dantur metalic din aliaje dentare; aliaje pentru lipirea (brazarea) lucr rilor dentare. Exist peste 1000 aliaje dentare, care du p compozi ia chimic se clasific n 4 subgrupe: - aliaje pre ioase cu con inut de A u, Pt, Ag, Cu i elemente platinice; - aliaje semipre ioase cu con inut sc zut de aur, dar pe baz de paladiu ( Ag, Au, Pt, Cu); - aliaje nepre ioase din grupa o el inoxidabil, CoCr, NiCr; - aliaje pe baz de titan. y Materiale compozite cu ma trice metalic CMM, din care fac parte: amalgamele dentare cu matrice de mercur i galiu; materialele metalo-ceramice, componentele protetice acoperite cu diverse straturi ceramice, etc. Straturile superficiale depuse pe implante le confer ac estora propriet i speciale ca: rezisten a la coroziune, aspect estetic, duritate i faciliteaz dezvoltarea i ancorarea esutului viu din zona implantului, etc. metalice); coroane i pun i de leg tur (aliaje conven ionale); por elan lipit pe aliaje meta lice (compozite ceramo6

CAP. 2 DEFINIREA I CARACTERIZAREA STRUCTURAL A METALELOR I ALIAJELOR 2.1 STAREA METALIC . TEORIA ELECTRONIC A METALELOR I ALIAJELOR Metalul este definit ca fiind un element chimic cu luciu caracteristic, opac, bu n conductor de c ldur i electricitate , maleabil i ductil. Atomii metalelor pier d u or electroni, formnd ioni pozitivi, iar oxizii i hidroxizii lor sunt bazici. Proprietatea specific st rii metalice este coeficientul de temperatur al rezisti vit tii electrice, care este pozitiv, adic rezistivitatea electric cre te cu tem peratura, spre deosebire de nemetale la care acest coeficient este negativ. Teor ia modern a st rii metalice porne te de la ideea ca distribu ia electronilor est e diferit de cea a atomilor liberi, la care electroni sunt repartiza i pe nivele i subnivele de energie, pe orbite bine determinate. La metalele solide numai ni velele energetice mai apropiate de nucleu sunt distincte, n timp ce nivelele i su bnivelele exterioare se contopesc n benzi energetice care con in nivele cu energi i foarte apropiate. Aceste nivele energetice nu apar in atomilor individuali ci n tregului agregat atomic. n acest fel, electronii stratului exterior electroni de valen a apar in ntregului ansamblu atomic formnd un gaz sau nor electronic, n care sunt scufunda i ionii pozitivi (atomii f r electroni de valen ), a a cum se cons tat n fig. 2.1. n esen a, teoria electronic a metalelor consider materialul metali c (metal sau aliaj) ca fiind constituit din ioni pozitivi printre care circul el ectronii de valen a sub forma unui gaz de electroni liberi. 7

Formarea n metale i aliaje a unor leg turi interatomice metalice, bazate pe exist en a gazului de electroni liberi, este o consecin a a structurii electronice a a tomilor metalici, care se ionizeaz u or elibernd electroni exteriori slab lega i, afla i de Fig. 2.1 Schema concep iei regul n substraturile cuantice - s. moderne asupra st rii metalice Caracterul nesaturat al leg turii interatomice din metal e conduce la o densitate a electronilor ntre atomi mult mai sc zut dect cea permis de principiul excluderii a lui Pauli. Aceasta permite electronilor de valen a d in metale s se deplaseze aproape liber de la un punct la altul, f r o cre tere s emnificativ a energiei lor, ceea ce explic valorile mari ale conductibilit ii el ectrice i termice specifice metalelor. Pe de alt parte densitatea mai redus a sa rcinii electrice negative n leg tura metalic , face ca aceast leg tura s fie nedi rec ionat i slab , ceea ce d posibilitatea cristalelor metalice s se deformeze f r rupere (deformare plastic ). Leg tura interatomic este prezent nu numai n meta le, ci i n cristalele de solu ie solid cu solvent metalic care alc tuiesc majorit atea sistemelor de aliaje, proprietate care asigur aliajelor caracteristici tipi c metalice. Coeziunea cristalelor i propriet ile derivate din ea (elasticitate, dilatare termic , punct de topire) sunt asigurate de for ele de leg tur interato mic , care pot fi de atrac ie sau de respingere dintre atomi, a a cum rezult din figura 2.2. re Fig. 2.2 Varia ia energiei poten iale de atrac ie i de respingere cu distan a de separare interatomic 8

La apropierea atomilor, ntre ei apar for e de respingere dac spinii electronilor sunt paraleli, sau for e de atrac ie dac spinii sunt antiparaleli. n acest din ur m caz energia poten ial are un minim la distan a de separare de echilibru re. Di n graficul prezentat n figura 2.2 se constat c ambele for e cresc odat cu mic ora rea distan ei dintre atomi. Totu i exist o diferen ntre modul de varia ie al celo r doua for e cu distan a, diferen concretizat prin valori mai mari ale for ei de respingere la distan e mici i valori mai mari ale for ei de atrac ie la distan e mai mari. Datorit for ei rezultante atomii vor ocupa unii fa de al ii pozi ii bine determinate. n acest fel fiecare atom este atras de c tre to i atomii imedia t vecini prin intermediul electronilor liberi care circul printre ei. Rezult pri n urmare, pentru fiecare atom, o tendin de a se nconjura de un num r ct mai mare d e atomi vecini. Se ajunge astfel la o aranjare ordonat a atomilor n spa iu, cu fo rmarea unor figuri geometrice spa iale, numite re ele cristaline. Energia de coe ziune Ec a cristalului metalic, dedus din modelul Wigner Seitz, are expresia: 3 E c ! V0 E 0 V1 5 n care: 3/5 E0 = energia cinetic medie a electronilor liberi V0 = energia poten i al a electronului n cmpul ionului pozitiv V1 = primul poten ial de ionizare Energi a de coeziune se m soar experimental prin c ldura latent de sublimare, adic de t recere a metalului din stare solid n stare gazoas (tabelul 2.1). Energia (E cores punz toare distan ei interatomice de echilibru re, (figura 2.2), reprezint n cazu l cristalelor metalice, lucrul mecanic necesar pentru a transforma metalul ntr-un gaz de ioni pozitivi. Energia de coeziune poate fi calculat i cu ajutorul rela iei empirice: Ec 0,025 Tev , unde Tev este temperatura de evaporare a metalului n grade Kelvin. Energia de coeziune, caracteriznd stabilitatea corpurilor cristali ne, poate fi definit i ca diferen a dintre energia unui atom liber i energia ace luia i atom cnd face parte dintr-un cristal. 9

Tabelul 2.1 Energia de coeziune a unor metale exprimat prin c ldura de sublimare Metalul Argint Aluminiu Aur Crom Fier Magneziu Molibden Nichel Titan Vanadiu C ldura de sublimare [kJ/mol] 280,6 320,0 380,1 403,2 399,8 147,0 596,4 413,7 469, 1 512,0 2.2 STUCTURA CRISTALIN I SISTEME CRISTALINE METALICE Metalele i aliajele sunt corpuri solide cristaline. Ele difer de solidele amorfe , n care atomii sunt dispu i dezordonat, prin faptul c distribu ia este ordonat p rezentnd o periodicitate n cele trei direc ii spa iale la o distan mare. Fiecare c ristal metalic este format dintr-un aranjament regulat de ioni pozitivi, care po t fi asimila i cu ni te sfere tangente, aranjamentul de ioni poate fi divizat n p aralelipipede elementare n contact i egale ntre ele. Laturile paralelipipedelor fo rmeaz un sistem de drepte paralele n trei direc ii necoplanare (ortogonale sau nu ). Ansamblul acestor paralelipipede sau celule elementare formeaz re eaua crista lin ale c rei noduri sunt punctele de intersec ie ale laturilor paralelipipedelo r (figura 2.3). Un sistem cristalin este definit prin parametrii celulei element are, adic prin laturile i unghiurile paralelipipedului elementar. n func ie de va loarea unghiurilor E, F, K i de rela iile ntre parametri re elei a, b, c, re elel e cristaline se mpart n apte sisteme cristaline (cubic, tetragonal, ortorombic, ro mboidal, hexagonal, 10

monoclinic i triclinic), din care pentru metale sunt caracteristice doua: cubic i hexagonal, ale c ror parametri sunt prezenta i n tabelul 2.2 . ntr-un cristal me talic centrele de oscila ie ale ionilor coincid cu nodurile re elei cristaline, dar ionii pot fi plasa i i n afara nodurilor, n pozi ii precise n raport cu acestea . Dup densitatea de umplere cu atomi a celulei elementare, re elele cristaline p ot fi: - simple (primitive), cu un singur atom n celula elementar , atomii fiind plasa i n colturile celulei (ex. CVC); - compuse, cu mai mul i atomi n celula elem entar , care sunt amplasa i n centrul celulei sau n centrele fe elor (ex. CFC). Fig.2.3 Celule elementare 11

Tabelul 2.2 Sisteme cristaline metalice Sistemul cristalin Cubic cu volum centra t - CVC Cubic cu fe e centrate CFC Hexagonal compact - HC Parametrii re elei a=b =c E=F=K=90o idem a=b{c E=F=90o K=120o Metale Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, FeE Cu, Ag, Au, Ca, Sr, Al, Tl, La, Ce, Pb, Th, U, Ni, Rh, Ir , Pt, FeK Be, Mg, Zn,Cd, Sc, Y, Ti, Hf, Co, Os Un punct al re elei din interiorul celulei i apar ine complet celulei, un punct de pe centrul fe ei f este comun la dou celule, iar un punct din col ul celulei c este comun la opt celule astfel num rul de atomi al unei celule elementare est e dat de rela ia: ! i

2

c 8 2.3 RE ELE CRISTALINE METALICE Ansamblul spa ial al celulelor elementare, n care exist o aranjare ordonat a atom ilor, constituie re eaua cristalina. Compactitatea unei re ele cristaline se car acterizeaz prin doi parametri: num rul de coordina ie C i gradul de compactitate , care se definesc astfel: - num rul de coordina ie reprezint num rul de vecini care nconjoar un atom al cristalului la distan minim de acesta; 12

- gradul de compactitate reprezint , conform modelului sferelor rigide, raportul dintre volumul efectiv ocupat de atomii celulei elementare i volumul celulei. S pa iile libere dintre atomi n contact reprezint intersti iile re elei cristaline, care sunt importante la alierea metalelor, cnd atomii unor elemente de aliere se a az n intersti iile metalului de baz . Metalele cristalizeaz ntr-un num r limita t de re ele cristaline care sunt prezentate n continuare. Re ea cubic cu volum ce ntrat - CVC n aceast re ea cristalizeaz cincisprezece metale printre care cele ma i utilizate sunt: V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, FeE. Majoritatea metalelor din aceast gr up sunt caracterizate prin rezisten mecanic ridicat i plasticitate moderat . Fig .2.4 Celula elementar cubic Conform rela iei de mai sus, cu volum centrat celula elementar a re elei con ine doi atomi determina i astfel: N = 1 + 8 8 = 2 atomi . Utiliznd modelul de sfere rigide pentru redarea amplasa-mentului atomilor n meta l, se observ din fig.2.4. ca n celula elementar CVC tangen a atomilor are loc dup diagonala spa ial a cubului. n baza unor rela ii geometrice simple se ob ine cor ela ia dintre raza atomic r i parametrul re elei a, i anume: 4r ! a 3 , de unde rezult c unui atom i revine un spa iu egal cu 6,16.r3. Num rul de coordina ie al acestei re ele este 8(C8), ceea ce se poate observa considernd atomul central sau un atom echivalent din col urile cubului. Gradul de compactitate se calculeaz i nnd seama de raz atomic i de faptul c celula unitar con ine doi atomi: 3 a 4 4 ! T 3 ! 0,68 100 , N ! 2 T 3 3 a 8 3 y deci 68% 13

Re ea cristalin cubic cu fe e centrate - CFC Metalele care cristalizeaz n aceast re ea (fig. 2.5) se caracterizeaz prin ductilitate i maleabilitate ridicate, pri ntre cele mai uzuale sunt: Cu, Au, Ag, Al, Ni, FeK, etc. Conform rela iei men io nate mai sus celula Fig.2.5 Celula elementar elementar a re elei con ine cubic c u fe e centrate patru atomi. Caracteristicile principale ale re elei cubice cu f e e centrate sunt: - corela ia dintre raza atomic i parametrul re elei este: 4r ! a 2 ; - spa iul ce revine unui atom n celula elementar este egal cu 5,66.r3; num rul de coordina ie este 12 (C 12); - gradul de compactitate, calculat innd se ama de expresia razei atomice i de faptul c celula elementar con ine patru atomi , este: a 2 4 4 ! 4 T 3 ! 3 a 3 y 2 6 Re ea cristalin hexagonal compact - HC Aceast re ea cuprinde unele metale de mar e utilitate practic cum sunt: Be, Mg, In, Ti, Co. Metalele cristalizate n acest s istem se caracterizeaz prin plasticitate redus , dar sunt excelente elemente de aliere, cu influen a hot rtoare asupra caracteristicilor metalului de baz . Parti cularit ile geometrice i structurale pentru aceast re ea sunt: Fig. 2.6 Celula e lementar - corela ia dintre raza atomic hexagonal compact i parametrul re elei e ste: r=a 2; y ! 0,74 deci 74% 14 100 ,

- num rul de coordina ie este 12 (C12); - raportul axial ntre n ltimea prismei hex agonale c i latura hexagonului bazal a este: c/a =1,633/3 - num rul de atomi n ce lula elementar N, a a cum rezult din fig.2.6, este 6 (trei atomi n pozi ii intern e, un atom n centrul fe ei bazale i doi atomi n colturile prismei hexagonale): N=1 2x1 6+2x12+3=6 - gradul de compactitate, calculat innd seama de expresia razei atom ice i de cei sase atomi ai celulei elementare, este: 4T a 3 2 2 3 6 ! a 6 2 8 3a 3 ! T 3 2 ! 0,74 100 , deci 74%

Se constat c gradul de compactitate este la fel ca i n cazul re elei CFC, lucru e xplicabil avnd n vedere c cele doua re ele au acela i num r de coordina ie (C12). De i au aceea i compactitate, ntre metalele cristalizate n re eaua CFC, respectiv HC, exist o mare diferen a de comportare la solicit ri mecanice legate de cele d oua re ele. Astfel, n timp ce la re eaua CFC exist patru serii de straturi atomic e cu mpachetare compact (normale la cele patru diagonale ale cubului), n re eaua H C exist doar o singura serie de straturi atomice cu mpachetare compact (stratul b azal al prismei). Aceast particularitate cristalografic explic plasticitatea red us a metalelor din re eaua HC. Parametrul re elei i tipul re elei cristaline se determin prin tehnici de difrac ie (cu raze X sau electronic). Pentru majoritate a metalelor de interes tehnic razele ionilor se afl ntr-o gam strns de valori cupr ins ntre 1,2 -1,45 . 2.4 ALOTROPIA METALELOR Examinarea structurii cristaline a metalelor scoate n eviden faptul c ele se pot prezenta, n stare solid cristalizata, n mai multe 15

tipuri de re ele. Acest fenomen se nume te alotropie sau polimorfism; diversele forme alotropice ale aceluia i metal sunt stabile n intervale de temperatur bine determinate. Majoritatea metalelor care prezint transform ri alotropice apar in grupelor secundare ale sistemului periodic ca metale de tranzi ie, lantanide, ac tinide: Ti, Zr, Ag, W, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, La, Ce, Th, U, etc. n tabelul 2.3. sun t prezentate st rile alotropice i intervalele de temperatur pentru o serie de me tale de important tehnic . Tabel 2.3 Variet ile alotropice ale unor metale i int ervalele de stabilitate termic Aliajele metalelor care prezint transform ri alotropice sunt susceptibile la tra tamente termice mai variate datorita posibilit ii de a p stra la temperaturi rel ativ joase, printr-o r cire rapid , starea alotropic de temperatur nalta sau con inutul de elemente de aliere existent n starea alotropic de temperatur nalta. ntr-o asemenea stare aliajul este din punct de vedere al constitu iei fazice, n afar d e echilibru i poate prezenta propriet i interesante n practic . Astfel la c lirea o elurilor densitatea variaz cu cca. 5% prin transformarea fierului K cu re eau a CFC n fier E cu re eaua CVC. n cazul staniului transformarea F n staniu E se face cu o cre tere de volum de 26%, ceea ce provoac f rmi area staniului cenu iu. 16

ntre formele alotropice diferite ale aceluia i metal exist diferen e de dimensiun i ale intersti iilor re elei, ceea ce are drept consecin o capacitate diferita a le celor doua forme alotropi e de a c dizolva atomi str ini intersti iali. Astfe l dimensiunea relativ mare a intersti iilor octoedrice din re eaua CFC a fierulu i K permite dizolvarea carbonului n propor ie mai mare dect a fierului E caracteri zat prin intersti ii mai numeroase, dar mai mici. 2.5 FORMAREA STRUCTURII MATERIALELOR METALICE 2.5.1 Structura policristalin a materialelor metalice Orice produs metalic se ob ine, ca regula generala, prin solidificarea unei topituri. La trecerea din star ea lichid n starea solid , procesul aranj rii ordonate a atomilor ncepe n diferite puncte ale topiturii, care se r ce te n jurul unor germeni (centri) de cristaliza re (fig.2.7.a). Fiecare forma ie solid va prezenta o aranjare ordonat a atomilor , conform re elei spa iale specifice metalului respectiv, dar orientarea re elel or diverselor forma ii va fi ntmpl toare (fig.2.7.b). a) b) c) d) Fig. 2.7 Formarea structurii policristaline 17

Fig. 2.8 Scheletul unui policristal dendritic Fig. 2.9 Structura metalic alcatuit din graun i poliedrici Fiecare forma ie cristalin cre te n jurul germenului, pn cnd cristalele ncep s se in comodeze reciproc n cre tere (fig.2.7.c). n continuare cre terea se produce pe dir ec iile libere pn la consumarea ultimelor cantit i de metal lichid. Se vor ob ine n final cristale de form exterioar neregulat , poliedrice (fig. 2.7.d) avnd m rim ea de ordinul zecimilor sau sutimilor de milimetri. Uneori cristalele pot fi ob inute i la dimensiuni mai mari, astfel nct pot fi u or observate cu ochiul liber nt r-o zon de rupere a metalului. Aceste cristale de form neregulat i de m rimi dif erite se numesc gr un i cristalini sau cristalite. Rezulta c structura unui meta l nu este alc tuit dintr-un singur cristal de dimensiuni mari (monocristal), ci dintr-un num r mare de cristale, fapt pentru care ea se nume te structur policri stalina. Cristalele metalice (de metal pur sau solu ie solid ) sunt cristale alo triomorfe ale c ror form exterioar nu prezint caractere geometrice definite, cor elabile cu structura aranjamentului ordonat din re eaua cristalina. n forma lor d e utilizare metalele i aliajele sunt materiale policristaline, adic agregate com pacte de cristale microscopice n contact. Aceste policristale au forme oarecare, impuse de constrngerile exterioare care au loc n cursul solidific rii sau n procese le de prelucrare la cald (deformare plastic , tratamente termice, etc.). Forma o bi nuita a cristalelor materialului metalic policristalin este dendrita, n 18

materialele turnate (fig.2.8.) i forma de poliedre neregulate n materialele defor mate la cald (fig.2.9.). Forma dendritic sau arborescent a cristalelor metalice solidificate din topitur este o consecin a caracterului nedirec ionat al leg tur ii interatomice de tip metalic. Forma dendritic a cristalelor metalice rezultat la solidificare se transform n procesul de deformare plastic la cald sau la renc l zire (recoacere), n poliedre neregulate a a cum se prezint n fig.2.9. Pentru a- i mic ora energia superficial un material policristalin tinde s - i reduc aria lim itei de gr unte, lucru posibil cnd metalul este men inut la temperatur ridicat , prin deplas ri ale atomilor din re eaua cristalin prin procese de difuzie. Tendi n a de reducere a ariei limitei de gr unte determin o serie de caracteristici al e structuri metalelor cum ar fi: globulizarea, cre terea gr un ilor la recoacere , schimbarea formei dendritice n forme poliedrice, etc. 2.5.2 Structura de solidificare a materialelor metalice Structura de solidificar e prezint importan practic pentru trei categorii de aplica ii tehnice ale proces ului de cristalizare: - producerea lingourilor metalice destinate prelucr rii pr in deformare plastic ; - producerea pieselor turnate metalice; - producerea de p iese metalice prin alte procedee ca: sudare, lipire, sinterizare, topire zonal , etc. Procesul de solidificare exercita o influen decisiv asupra structurii i ca lit ii materialului metalic turnat, prin aspectele fizice prezentate n continuare . 2.5.2.1 Mecanismul solidific rii Formarea cristalelor la solidificare este rez ultatul a doua procese elementare : a) formarea n topitur a germenilor de cristal izare; b) cre terea germenilor forma i. Deoarece mersul solidific rii este deter minat de vitezele cu care se desf oar na terea germenilor i cre terea lor, param etrii de baz ai 19

cristaliz rii sunt : viteza de apari ie a germenilor cristalini numit i viteza d e germinare i viteza de cre tere a acestor germeni. Procesul de germinare poate avea loc n condi ii de topitur omogen (metal pur) i eterogen (n prezen a unor incl uziuni preexistente n topitura). Formarea germenilor prin germinare omogen presup une existen a unei subr ciri (T a topiturii sub temperatur de solidificare Ts. Cn d topitura este subr cita sub Ts, n diverse puncte ale lichidului apar simultan g ermeni de cristalizare. Stabilitatea unui germene cristalin este determinat de d oi factori: - modificarea energiei libere F la tranzi ia lichid-solid; - apari i a unei energii superficiale n suprafa a de separare interfazic dintre germene i t opitura. Lund n considerare ambii factori la formarea din topitur a unui embrion s feric de raz r, energia liber a sistemului se modific cu ( F: (F= - 4/3Tr3(Fv +4Tr2W, unde: (Fv-reprezint modificarea energiei libere pe unitatea de volum la cristalizare; W - energia superficial la formarea unit ii de suprafa . Fig.2.10 Varia ia energiei libere la formarea germenilor de faza nou Reprezentarea grafic a ecua iei de mai sus este dat n figura 2.10. de unde rezult a c sunt stabile i vor cre te numai particulele de faz solid pentru care r u rc deoarece cre terea acestor particule este nso ita de mic orarea energiei libere R aza critic rezulta din prima derivat a rela iei de mai sus este : rc=2W/ Fv Rezu lta astfel c o cre tere a razei critice la germinare este nso ita de mic orarea e nergiei libere specifice i de cre terea tensiunii superficiale W. Dar 20

n procesul de cristalizare sunt necesare structuri cu granula ie fin pentru a ob ine propriet i superioare n metalul solidificat, i deci trebuie mic orat tensiune a superficiala, lucru ce se poate realiza prin introducerea n topitur a unor impu rit i solubile n cantit i mici (de ordinul zecimilor sau sutimilor de procente). Aceste elemente fiind superficial active se concentreaz prin adsorb ie pe supraf e ele de separare dintre faza solid i lichid , mic ornd tensiunea superficial pe de o parte i constituind ns i ele germeni de cristalizare, pe de alta parte. O as tfel de germinare se nume te eterogen cnd germenii cristalini se formeaz pe supra fe e preexistente n topitura. Cantitatea de particule insolubile active n procesul de germinare eterogen poate fi crescut prin introducerea unor adaosuri insolubi le sau care formeaz cu componen ii topiturii compu ii greu fuzibili. Asemenea su bstan e se numesc modificatori i permit reglarea procesului de cristalizare i fi nisarea gr un ilor din piesele turnate. Cre terea germenilor cristalini se produ ce ca rezultat al trecerii atomilor din lichidul subr cit n nucleele cristaline p roduse la germinare. Cre terea ncepe mai nti prin formarea n topitur a unor mici gru p ri de atomi de grosime monoatomic , numite germeni bidimensionali, stabile din punct de vedere termodinamic. Cre terea cristalelor continua prin formarea de n oi germeni bidimensionali i dezvoltarea lor n structuri atomice. Formarea germeni lor bidimensionali necesita subr ciri relativ mari, n multe cazuri ns cre terea cr istalelor se face la subr ciri mici, n condi ii n care germenii bidimensionali nu se pot forma. Acest mecanism, mai convenabil din punct de vedere energetic, se r ealizeaz prin intermediul disloca iilor elicoidale care se formeaz n trepte pe su prafa a cristalului ini ial. 2.5.2.2 Cinetica procesului de solidificare Mersul solidific rii este determinat de viteza de germinare n i de capacitatea de cre t ere a germenilor c. Experimental i teoretic s-a demonstrat c volumul v al materi alului solidificat variaz cu timpul dup o curb reprezentat cu linie continua n fi g.2.11. M rimea vitezei de solidificare dv/dX este determinat de num rul efectiv de atomi care trec n unitatea de timp n faz solid . Viteza de solidificare atinge valoarea maxim cnd topitura s-a solidificat 50%. 21

Din curba de varia ie a vitezei de solidificare i a volumului de material solidi ficat se constat c procesul nu ncepe imediat ci dup trecerea unui timp X0 numit p erioada de incubare, durata transform rii fiind M rimea cristalelor care se form eaz la solidificare Fig. 2.11 Varia ia volumului de depinde de raportul n/c; cu material solidificat V i a vitezei de ct viteza de germinare n este mai mare i vi teza de solidificare dv/dX cu timpul X. cre tere c este mai mic , cu att vor fi m ai mici gr un i care se ob in, deci cu att va fi mai mare num rul lor. Num rul de gr un i N n unitatea de volum este egal cu: n N ! a c 3/ 4 X 1-X 0. ; a- constant adimensional . O metod frecvent folosit pentru ob inerea unor gr un i fini consta n cre terea vi tezei de r cire care conduce la cre terea vitezei de germinare. Ob inerea unor g r un i mici se poate realiza, a a cum s-a mai ar tat, prin utilizarea modificato rilor, adic a unei substan e introduse n topitura care ac ioneaz ca drept cataliz ator ai germin rii. 2.5.2.3 Forma cristalelor ob inute la solidificare Cristalel e care cresc liber i dezvolta liber formele exterioare, caracterizate prin cea m ai mic energie superficial dat de rela ia care satisface starea de echilibru a c ristalelor: 7 iSi = minim, unde : i - tensiunea superficial a fe ei cristalului Si - suprafa a fe ei cristaline. 22

Rela ia de mai sus este cunoscut sub numele de legea Curie Wolff i arat c viteza de cre tere a unui cristal este anizotropa, cristalul crescnd cu cea mai mare vi tez de-a lungul direc iei perpendiculare pe fa a cu cea mai mare tensiune superf icial (planul cu cea mai mic densitate n atomi). Solidificarea se produce de regu l n afara condi iilor de echilibru, cnd interfa a lichid-solid nu este perfect net ed ci con ine o serie de denivel ri care se formeaz ca urmare a modului de cre t ere a fazei solide. Intr-o astfel de interfa a vrful denivel rii se afl ntr-un lic hid subr cit mai puternic dect masa de lichid din vecin tatea interfe ei. Vrful de nivel rii cre te cu o vitez mult mai mare dect deplasarea interfe ei n condi ii de subr cire. Se dezvolta n acest fel pe interfa a solid-lichid ramuri cristaline f oarte lungi numite axe principale . Acest proces se produce i la interfe ele din tre axele principale i topitura; ca urmare denivel rile de pe axa principala-top itur vor cre te foarte repede formnd o alta familie de axe numite secundare. n mod asem n tor din axele secundare se vor dezvolta axe ter iare i a a mai departe. Se formeaz astfel un schelet arborescent numit dendrit (fig.2.12). Fig. 2.12 Cre terea dendritic Cre terea unei dendrite are loc pn la ntlnirea ei cu dendritele vecine, moment n car e cre terea axelor primare se opre te, solidificarea continua prin formarea rami fica iilor de ordin superior pn cn tot d spa iul dintre ramifica ii se umple cu me tal solid. Ca urmare aspectul dendritic dispare i ntreaga masa solidificat este f ormat dintr-un conglomerat de gr un i cristalini poliedrici, fiecare dendrita tr ansformndu-se ntr-un gr unte cristalin (fig.2.13). 23

Gr un ii cristalini variaz ca forma, m rime i orientare; fe ele lor nu sunt fe e cristalite regulate deoarece fiecare gr unte este mpiedicat Fig. 2.13 Structura poliedric a unui metal al c rui graun i au crescut prin meca nismul dendritic n cre terea sa de gr un ii vecini. n structura gr un ilor se pot forma i pune n eviden a dendrite libere datorita contrac iei de volum a metalului la solidificare. 2.5.2.4 Microstructura i macrostructura metalelor turnate Stru ctura de solidificare este determinat de compozi ia chimic a topiturii i de vite za de solidificare. Microstructura se refer la forma i m rimea gr un ilor i mode lul de asociere a fazelor constitutive. Macrostructura se caracterizeaz prin var ia ia caracteristicilor microstructurale n volumul materialului. Tipul obi nuit d e macrostructur (fig. 2.14) cuprinde trei zone distincte: I crusta sau zona exte rioar a metalului solidificat cu cristale echiaxe mici; II zona cristalelor colu mnare; III zona central cu cristale echiaxe mari. Crusta sau zona exterioar se f ormeaz prin germinare eterogen pe peretele formei de turnare , a a cum se poate constat i din fig. 2.14. Cristalizarea la grade mari de subr cire a topiturii, a a cum se produce la contactul lichidului cu peretele formei, produce o vitez ma re de germinare a cristalelor din topitura, ceea ce asigur n zona cre terii o gra nula ie foarte fin . 24

II I I III I a) b) Fig.2.14 Formarea zonelor cristaline la solidificarea metalului, n corela ie cu r egimul termic a) formarea macrostructurii la solidificarea metalului lichid (I-z ona cristalelor echiaxe; II-zona cristalelor columnare; III- zona central cu cri stale echiaxe mari) b) formarea zonelor cristaline n func ie de regimul tehnic de r cire Cristalele dendritice din aceasta zon au orientare cristalin ntmpl toare f iind provenite dintr-un mare num r de germeni diferi i. n zona II, dintr-un num r de gr un i cu orientare ntmpl toare prezen i n crusta, i continua cre terea doar u n num r redus care are axul dendritei n direc ia fluxului termic, deci pe direc i a perpendicular peretelui formei. Datorita mic or rii gradului de subr cire a to piturii din zona II, viteza de cre tere a acestor cristale se m re te i dendrite le se dezvolta rapid n direc ia axului lor principal, c p tnd o form columnar , ca re d materialului solidificat o pronun at anizotropie a propriet ilor, aceasta f iind util n anumite aplica ii speciale. Zona III se formeaz printr-o noua germina re n lichidul care are grad mic de subr cire n zona central a lingoului; dezvoltar ea cristalelor din zona central opre te cre terea cristalelor columnare. Gradien tul termic fiind foarte mic, dezvoltarea cristalelor se face relativ uniform n to ate direc iile, rezultnd gr un i echiac i. n zona central subr cirea necesar pentr u germinare este de natur constitu ional , produs de impurit ile acumulate n acea sta zon i de fragmentele de dendrite rupte din ramurile cristalelor datorita cur en ilor de convec ie din lichid. 25

ntinderea relativ a zonei columnare i a zonei centrale depinde de caracteristicil e aliajului i de regimul de r cire. Lungimea dendritelor este determinat de inte rvalul de solidificare a aliajului: Ts = (TlichidusTsolidus) i de gradientul ter mic mediu Gm n zona bifazic constituita din dendrite n cre tere i lichidul interde ndritic. L! Tlichidus Tsolidus Gm Exist i al i factori lega i de condi iile de turnare care ac ioneaz n sensul l rg irii zonei cristalelor echiaxe i anume: - supranc lzirea mic a topiturii; - turna rea n forme de amestec n locul cohilelor; - amestecarea topiturii prin vibra ii me canice sau ultrasonice cu fragmentarea dendritelor i disiparea c ldurii n masa de metal. n majoritatea cazurilor se urm re te ob inerea unei granula ii fine n meta lul turnat, lucru care se realizeaz practic prin turnarea n cohile, care asigur u n grad mare de subr cire i prin introducerea de modificatori n topitur . 2.5.2.5 Tensiunile reziduale Tensiunile reziduale sunt prezente n piesele turnate datorit a diferen elor de masivitate a sec iunii lor. Pe parcursul solidific rii por iun ile cu sec iune mare din pies se afl nc n stare lichid , n timp ce por iunile cu se c iune sub ire sunt solidificate i r cite. Cnd se solidific i por iunile masive c ontrac ia lor solicit la ntindere sau comprimare por iunile solidificate anterior . Por iunile sub iri ale piesei aflate la temperatur mai sc zut nu se pot deform a plastic i ac iunea provocat de contrac ia por iunilor groase se men ine sub fo rma de tensiuni interne sau tensiuni reziduale n material. Cnd aceste tensiuni sun t mari ele pot provoca ruperea piesei la jonc iunea ntre dou por iuni de sec iune diferit . 2.5.2.6 Porozitatea Porozitatea este un aspect fizic important al mic ro i macrostructurii materialelor metalice turnate determinat de prezen a discon tinuit ilor sau golurilor. Asemenea defecte pot s apar ca efect al mic or rii de volum care nso e te solidificarea, sau ca efect al 26

degaj rii gazelor dizolvate n topitur ori ca efect combinat al ambelor cauze. Toa te metalele cu structur cristalin compact (CVC, CFC i HC) se contract la solidif icare. Contrac ia total la turnare este egal cu diferen a de volum ntre lichidul la temperatura de turnare (Tl) i materialul solidificat la temperatura camerei ( Ts). a) b) c) Fig.2.15 Componentele contrac iei la turnare a metalelor i aliajelor cu formarea retasurii: a) tipuri de contrac ie, I - contrac ia la r cirea topiturii, II - c ontrac ia la solidificare, III - contrac ia la r cirea materialului solidificat; b) formarea cavit ii de retasur nchis ; c) formarea cavit ii de retasur dispersa t Contrac ia total (fig. 2.15) cuprinde contrac ia lichidului pn la temperatura d e nceput de solidificare (I), contrac ia n intervalul de solidificare (II) i contr ac ia solidului de la temperatura de sfr it de solidificare (III) pn la temperatur a ambiant . Cea mai mare parte a contrac iei de turnare apare sub forma cavit ii de retasur . Apari ia i formarea cavit ii de retasur este determinat de caracte rul concav al frontului de cristalizare izoterm. La rndul sau concavitatea este d eterminat de cantit ile relative de c ldur eliminate n direc ia verticala, respec tiv n direc iile orizontale (fig. 2.15.a). Dac solidificarea se produce nu numai la baza i la pere ii formei ci i la suprafa a superioar liber a topiturii se for meaz o retasur nchis (fig.2.15.b). Lichidul din zonele de solidificare r mne izola t de restul masei de lichid i apar cavit i nchise sub form de porozit i (fig.2.15 .c). Rezulta concluzia important c orice por iune de topitur c reia i se ntrerupe alimentarea cu lichid n timpul solidific rii, 27

formeaz o cavitate nchis (o porozitate) n momentul n care se solidific . Dificult i le de alimentare cu lichid a canalelor interdendritice conduc la apari ia unor g oluri de contrac ie de dimensiuni microscopice care constituie microporozitatea. Dimensiunile tipice ale porilor sunt ntre 5 i 10 m n zona cristalelor columnare i de aproximativ 25 m n zona cristalelor echiaxe. Gazele care se degaj la solidifi care formeaz sufluri n materialul turnat. Originea degaj rii de gaze de la solidi ficare o reprezint fie anumite reac ii chimice n topitura metalic , fie sc derea drastic a solubilit ii gazelor n metalul solid. Gazele rejectate din topitur se a cumuleaz n lichidul din fa a frontului de solidificare pn ce ating o concentra ie suficient pentru a provoc germinarea de bule. Comportarea ulterioar a bulelor de pinde de viteza de deplasare a frontului de cristalizare, astfel: - dac frontul de solidificare se deplaseaz rapid bulele de gaz sunt nchise n materialul solid su b form de sufluri sferice; - dac frontul de cristalizare se deplaseaz mai lent n acela i timp cu cre terea bulelor, prin difuzia gazelor din topitura, bulele dau na tere la sufluri cilindrice cu axul perpendicular pe frontul de solidificare; - dac viteza de deplasare a frontului de cristalizare este mai mic dect viteza d e difuzie a gazelor din topitur , bulele de gaz cresc suficient pentru a se desp rinde i a se ridic la suprafa a liber a topiturii unde se elimin n atmosfer . Mic roporozitatea poate fi redus prin turnare sub presiune sau prin degazare n vid, u ltimul procedeu este frecvent utilizat la turnarea metalului lichid n lingouri sa u piese. n structura pieselor turnate se g sesc anumite cantit i de incluziuni ne metalice sub form de particule de oxizi, sulfuri, silica i, etc. Propriet ile de utilizare a materialelor metalice sunt afectate negativ de prezen a incluziunil or, care constituie ntreruperi n continuitatea masei metalice. Incluziunile pot fi de origine exogen (resturi de materiale refractate, particule de zgura) sau de origine endogen (ca urmare a reac iilor chimice rezultate din procesul de elabor are: oxizi, sulfuri, etc.). n procesul de solidificare se produc neuniformit i n d istribu ia elementelor chimice numite segrega ii. La interfa a solid - lichid de form dendritic elementele de aliere sau impurit ile cu coeficient de distribu i e subunitar sunt rejectate n lichid. Transportul de mas 28

longitudinal este de lung distanta, care d na tere macrosegrega iei n direc ia de avans a frontului. Transportul de mas lateral este un transport de scurt distan , care d na tere unei microsegrega ii la nivel de cristal. n tabelul 2.4. este p rezentat gradul de segregare a unor elemente n o eluri aliate. Tabelul 2.4 Segreg a ia elementelor de aliere n o el Material Ni n o elul 40 Mo CN 15 Ni n aliajul FeN i 10 Cr n o el de rulmen i Distan a de la peretele lingotierei, n mm 43 -147 13-10 2 13 -127 Gradul de segregare, (GS) 1,6 1,9 1,32 1,38 3,8 4,2 2.5.2.7 Influen a structurii de solidificare asupra propriet ilor mecanice a mat erialelor metalice Structura de solidificare sau structura primar influen eaz pr opriet ile de utilizare a materialelor metalice indiferent de prelucr rile ulter ioare. Metalul turnat poate fi utilizat n urm toarele st ri: - n stare brut turnat ; - tratat termic dup turnare; - deformat plastic dup turnare; - deformat i tra tat termic. Principalii parametri ai structurii primare care influen eaz proprie t ile mecanice ale materialelor metalice sunt: porozitatea, distan a interdendri tic , prezen a fazelor secundare, m rimea de gr unte. - Porozitatea influen eaz negativ propriet ile mecanice pe doua c i: porii ac ioneaz ca ni te concentrator i de tensiuni, precum i prin reducerea sec iunii efective a piesei metalice. Inf luen a porozit ii este maxim n cazul pieselor turnate utilizate ca atare. Aceast influen se reduce prin efectuarea unei deform ri plastice, cnd porii se sudeaz pa r ial sau total. 29

Mic orarea distan ei ntre ramurile dendritelor m re te ductilitatea i rezisten la rupere la trac iune, efectul fiind datorat unei omogeniz ri mai bune pe seama r educerii microsegrega iilor. - Prezen a fazelor secundare n aliaje (compu i inter metalici i solu ii solide secundare) m resc susceptibilitatea la tratamente term ice i contribuie la mbun t irea tuturor propriet ilor mecanice. - M rimea gr unte lui cristalin influen eaz rezisten a mecanic a metalelor, n sensul c aceasta cre te cu gradul de finisare a gr un ilor conform rela iei: ! 0

unde: d diametrul mediu al gr un ilor; - limita de curgere; o i K constante de m aterial. 2.6 IMPERFEC IUNILE RE ELEI CRISTALINE Un material metalic n stare de lingou, semifabricat sau pies con ine n volumul sau numeroase abateri de la ordinea perfecta a atomilor n re eaua cristalina. Aceste abateri de la aranjamentul ordonat al atomilor constituie imperfec iuni sau def ecte care provoac modific ri esen iale ale unor propriet i ale metalului. Astfel se estimeaz c rezisten a la rupere a unui monocristal metalic ideal este de 100 pn la 1000 de ori mai mare dect n materialul real. Ca propor ie, n volumul material ului cristalin, imperfec iunile de re ea reprezint o mic frac iune. De exemplu, chiar n metalele puternic deformate propor ia atomilor afla i n afara pozi iilor d e echilibru este mai mic de 1 la 1000, deci predominant r mne aranjamentul ordona t care caracterizeaz re eaua cristalina. Cu toate acestea, influen a exercitat d e imperfec iunile de re ea asupra unor propriet i importante, cum sunt propriet ile mecanice de rezisten i de plasticitate ale metalelor, este considerabil . Ca urmare, propriet ile metalelor i aliajelor pot fi mp r ite n dou categorii: d 30

- propriet i independente sau pu in dependente de structura de fond determinat d e natura metalului sau aliajului; nefiind afectate de prezen a i cantitatea impe rfec iunilor de re ea. Printre acestea se num r : cteva propriet i mecanice (cons tante elastice, densitatea), termice (temperatura de topire, c ldura specific , conductibilitatea termic , dilatarea), electrice i optice. - propriet i dependen te de structur , care i schimb valoarea n limite largi n func ie de natura i canti tatea imperfec iunilor de re ea introduse n diversele faze ale procesului de prel ucrare. Propriet ile sensibile la structur includ propriet i mecanice de reziste n i plasticitate, ca i unele propriet i magnetice i electrice. De remarcat este faptul c propriet ile care stau la baza utiliz rii materialelor metalice sunt pr opriet ile mecanice sensibile la structur . Pe lng imperfec iuni, re eaua cristal in poate prezenta i distorsiuni elastice sau tensiuni interne. Din aceasta cauz parametrii re elei se abat n zonele tensionate de la valorile ideale cu diferen e n plus sau n minus cu valori de cca. 1%. Printre propriet ile metalelor i aliajel or puternic afectate de prezen a tensiunilor interne se num r rezistivitatea ele ctric i susceptibilitatea la coroziune. Defectele re elelor cristaline pot fi di n punct de vedere geometric: punctiforme, liniare i de suprafa . 2.6.1 Defecte p unctiforme Acest tip de defecte apare n celula cristalin sub trei forme, a a cum se prezint schematic n fig. 2.16: - vacan e sau pozi ii neocupate n nodurile re el ei; - atomi intersti iali stranii p trun i printre atomii ordona i ai re elei; atomi de substitu ie stranii care nlocuiesc atomii proprii din nodurile re elei cristaline. Vacan ele pot fi create prin r cirea rapid a metalului din starea li chid , n timpul deform rii plastice i prin expunere la sarcini ciclice a material ului metalic. Existen a vacan elor n cristale face posibil autodifuzia atomilor l a temperaturi joase. De asemenea difuzia atomilor n stare solid ar fi imposibil f r prezen a n re ea a vacan elor. Atomii de substitu ie ct i cei de intersti ie po t provoca deranjamente ale re elei cristaline, manifestate prin deformarea geome tric a acesteia i cre terea gradului de compactitate al re elei. 31

Fig. 2.16 Tipuri de defecte punctiforme 2.6.2 Defecte liniare Defectele liniare constau din anomalii de dispunere a unor plane cristaline, ele sunt denumite dis loca ii. Se disting dou tipuri mai importante de disloca ii: disloca ia pan i di sloca ia elicoidal . Disloca ia pan const dintr-un ir de atomi, fiecare atom al irului avnd un num r de vecini deficitar (un vecin n minus) fa de num rul normal d in structura cristalin perfect . O asemenea disloca ie este indicat n fig. 2.17 p rin simbolul B; linia de disloca ie fiind perpendicular pe planul figurii. Fig 2.17 Sec iune ntr-o re ea cubic simpl care con ine o disloca ie pan B. Disloc a ia pan poate fi considerat drept limita a unui semiplan atomic suplimentar exi stent n por iunea superioar a cristalului. n fig. 2.18 linia de disloca ie MN prez entat n perspectiv ntr-un cristal, indic prezen a irului atomic cu num r incorect de vecini, care se extinde ntr-o regiune cilindric cu axa DD i raza de 3 4 diametr e atomice. 32

Fig. 2.18 Sec iune ntr-o re ea cubic simpl care con ine o disloca ie pan Fig. 2.19 Reprezentarea unui cristal care con ine o disloca ie elicoidal AA Zona disloca iei este o regiune de dezordine atomic , n care sferele atomice se a fl n stare de compresie (n partea superioar a planului xy) i n stare de dilatare sa u ntindere (n por iunea de sub planul xy al disloca iei). Vectorul de alunecare b numit vector Burgers este con inut n planul de alunecare xy care este n acest caz perpendicular pe linia de disloca ie, aspect ce caracterizeaz disloca ia tip pan . Disloca ia elicoidal (fig.2.19) rezult printr-o forfecare a cristalului n plan vertical, linia de disloca ie AA delimiteaz zona planului de forfecare, n care sa produs deja alunecarea fa de zona nedeformat a cristalului. Deplasarea m surat prin vectorul Burgers b , este n acest caz paralel cu linia de disloca ie. Plane le cristaline, care naintea forfec rii erau orizontale, au form unei suprafe e el icoidale care se nf oar n jurul liniei de disloca ie AA. Se remarc faptul c o dislo ca ie elicoidal fiind paralel cu vectorul Burgers este de regul rectilinie. Disl oca ia pan fiind perpendicular pe vectorul Burgers poate lua o alta direc ie n pl anul normal la acest vector. n cristalele reale disloca iile sunt mixte, fiecare segment al disloca iei avnd o component tip pan i o component de tip elicoidal. C onturul unei disloca ii mixte are o form spa ial complex , acesta este tipul cel mai general de disloca ii. O linie de disloca ie nu se poate opri dect la inters ec ia cu suprafa a limitei de gr unte, cu suprafa a liber a cristalului sau la i ntersec ia cu o alta disloca ie sau la o ntlnire cu un alt atom str in. 33

ntr-un cristal nedeformat liniile de disloca ie sunt legate ntre ele n puncte numit e noduri de disloca ie, alc tuind o re ea tridimensional numita re ea Frank. Lun gimea medie a unui segment de disloca ie din re eaua Frank este cuprinsa ntre 102 10-4 cm. Densitatea disloca iilor, exprimate ca lungime total a disloca iilor d in unitatea de volum a materialului sau ca num r de disloca ii ce intersecteaz u nitatea de suprafa a, variaz ntre 105-106/cm2 n metalele recoapte. O alt exprimare mai sugestiv arat c densitatea disloca iilor ntr-un metal recopt este de 1km/cm3 i atinge n metalele deformate la rece valoarea de 107 km/cm3. Se admite c disloc a iile se formeaz la solidificarea metalului pe baza dispari iei excesului de va can e existent n lichid. Disloca iile se multiplic mai ales prin deformare plasti c , fenomenul fiind nso it de o m rire a energiei libere. Energia acumulat ntr-o d isloca ie este propor ional cu lungimea ei. Aceasta energie acumulat n unitatea d e lungime numita i tensiune liniar a disloca iei este aproximativ egal cu Gb2 (G - modulul de elasticitate transversal al materialului, b este vectorul Burgers al disloca iei), ceea ce conduce la o valoare de cca. 3 eV pe lungimea de disloc a ie, cuprins ntre dou plane cristaline. Viteza de deplasare a disloca iilor n cur sul deform rii plastice a metalelor este de ordinul 0,1 mm/secund . n deplasarea lor, disloca iile pot juca rol de surse de vacan e ct i rol de zone de anihilare a vacan elor, contribuind la stabilirea echilibrului termic al vacan elor. 2.6.3 Defecte de suprafa Principalele defecte de suprafa n metale sunt: limitele de gr unte, limitele de subgr unte, structura de blocuri mozaic i defectele de mpachet are. - Limitele de gr unte reprezint suprafe ele de separare ntre gr un ii crista lini din metal. Tranzi ia de la un gr unte la altul se face printr-o zon cu gros ime de cteva diametre atomice, numit limit de gr unte. n aceasta zon aranjamentul atomic nu corespunde cu cel al cristalelor vecine, ci este un aranjament de tran zi ie (fig.2.20), cu un grad pronun at de dezordine, n care este prezent o re ea complicat de disloca ii i vacan e. Limitele de gr unte au o reactivitate chimic sporit din cauza concentr rii de defecte de re ea i de impurit i. Aceasta poate fi 34

observat prin microscopie optic pe o proba atacat cu un reactiv chimic corespunz tor. Energia superficial a limitei de gr unte este superioar celei corespunz to are altor defecte; de exemplu n cupru ea are valoarea de 500 ergi/cm2. Datorit su rplusului de Fig.2.20 Structura energie i a concentra iei sporite de limitei de gr unte atomi stranii, limitele de gr unte constituie sediul de ini iere a trans form rilor n stare solid din metale. - Suprafe ele interfazice reprezint limitele de separare ntre gr un ii din faze diferite. Structura acestor suprafe e este ma i complexa dect a limitei de gr un i dintr-un material monofazic, pentru ca inter fa a reprezint o tranzi ie ntre gr un i cu re ea cristalin diferit . Exista dou t ipuri de interfe e: a) interfe e necoerente, la care nu exista nici o continuita te ntre re elele cristaline ale celor doua faze i care nu se deplaseaz u or n cazu l deform rii plastice; b) interfe e coerente la care fazele vecine sunt nrudite c a structur cristalin , ceea ce permite ca anumite plane cristaline, cu aranjamen tul atomic comun ambelor re ele, s serveasc drept interfa continu ntre fazele vec ine. - Limitele de subgr unte sunt limite ntre gr un ii a c ror diferen e de orie ntare cristalografic este foarte mic , a a cum este cazul disloca iei tip pan . Subgr un ii apar de obicei n cursul cre terii cristalelor. Poligonizarea, care se produce la recoacerea de temperatura joas a metalelor deformate plastic, const n distribuirea disloca iilor i gruparea lor n pere i de tip limit de subgr unte, c a urmare gr untele se divizeaz n mai mul i subgr un i u or dezorienta i ntre ei. Structura de blocuri mozaic Regularitatea re elei cristaline nu se men ine n tot volumul unui gr unte cristalin. Gr untele se compune din juxtapunerea unei mult itudini de mici blocuri cu structur cristalin perfect avnd dimensiuni de cca. 100 0 ori mai mari dect celula elementar . - Defectele de mpachetare marcheaz planul d e separare ntre dou por iuni cristaline identice ntre care s-a produs o alterare a succesiunii normale a structurii atomice compacte. Aceste defecte apar 35

n cristalele cu re ea de maxim compactitate (HC i CFC) n cursul cristaliz rii la v iteze de solidificare suficient de mari, a a cum se ntmpl n practic . n cursul defor m rii plastice se produc defecte de mpachetare delimitate de disloca ii par iale. Energia superficial a defectelor de mpachetare este mic , cca 10 erg/cm2 la cupr u i de 100 200 erg/cm2 la aluminiu. - Limitele de macl reprezint limita de separa re ntre cristal i macl i consta dintr-un strat monoatomic, care apar ine n comun c ristalelor i maclei, aceasta limita poate fi considerat ca o interfa a coerent nt r-un material monofazic. Macla reprezint o por iune dintrun cristal cu alta orie ntare cristalin dect restul cristalului. O caracterizare rezumativ a imperfec iun ilor din cristalele reale este prezentat n tabelul 2.5. Tabelul 2.5 Imperfec iuni n cristale Descriere - Limita dintre doua cristale intr-un material policristali; Limita de subgr unte - Limita dintre doua por iuni adiacente Defecte perfecte n acela i cr istal care se deosebesc plane printr-o mic diferen a de orientare; Defect de mpac hetare - Limita dintre doua por iuni de cristal care au succesiunea straturilor schimbat Disloca ie pan - irul de atomi cu care se termin n interiorul cristalulu i un plan cristalin Defecte incomplet (semiplan); Disloca ie elicoidal - irul de atomi n jurul c ruia un plan liniare cristalin normal se desf oar n form de spira l . Vacan - Atom absent intr-un punct al re elei. Defecte Atom intersti ial - At om suplimentar n pozi ie intersti i -al ; punctiforme Defect complex - Atom depla sat n pozi ie intersti ial i (defect Frenkel) vacan a asociat pe care o creeaz . Tip Denumire Limita de gr unte 2.6.4 Considera ii practice privind imperfec iunile re elei cristaline Dintre im perfec iunile existente n re elele cristaline metalice prezentate, cele mai impor tante influen e asupra comport rii materialelor metalice o au disloca iile, astf el: 36

- prezen a unei disloca ii ntr-un cristal provoac deformarea elastic a re elei cr istaline n vecin tatea disloca iei; re eaua cu disloca ii are o energie intern ma i mare dect f r disloca ii; metalele i aliajele aflate n apropierea st rii de echi libru au densitatea disloca iilor mai mic ; - disloca iile se pot deplasa cu u u rin a prin cristale producnd deformarea plastic a acestora; - n calea disloca iilo r n mi care pot apare obstacole care produc blocarea lor. Orice defect al re elei cristaline sau neomogenitate constituie piedici n calea mi c rii disloca iilor c a: atomi stranii, precipitatele microscopice, limitele gr un ilor. O consecin a directa a bloc rii disloca iilor o constituie mic orarea plasticit ii materialul ui (ecruisarea materialelor metalice). - disloca iile se pot multiplica; s-a dov edit experimental ca n procesul de deformare a metalelor densitatea disloca iilor cre te foarte mult. Astfel, n timp ce n metalele recoapte densitatea disloca iilo r este de cca. 106/ cm2, n metalele deformate plastic densitatea acestora cre te pn la 1012 / cm2. 2.7 STRUCTURI METALICE AMORFE Aliajele amorfe numite i sticle metalice, constituie o categorie de materiale no i care mbin propriet ile caracteristice metalelor (maleabilitate, conductibilitat e electric i termic ), cu propriet ile caracteristice sticlelor (duritate i rezi sten la coroziune ridicat ). Spre deosebire de materialele metalice obi nuite po licristaline, sticlele metalice sunt materiale amorfe la fel ca i lichidele, cu o distribu ie aproape ntmpl toare a atomilor. De i ordinea de lung distan a, speci fic cristalinit ii, este absent n sticlele metalice, o ordine la scurt distan de natur topologic i chimic este prezent . Absen a cristalinit ii n aliajele metalic e amorfe conduce la o asociere de propriet i mecanice : ductilitate i duritate, nentlnite n materialele metalice cristaline. Astfel, aliajele fierului produse sub form amorf au rezisten a de rupere la trac iune de cca. 350 da N/mm2 i duritatea Vickers de aproximativ 1000 da N/mm2; dep ind cele mai mari valori ob inute n o eluri. n pofida acestei durit i extreme, 37

aliajele metalice amorfe sunt materiale tenace i nu fragile, ruperea lor fiind p recedat de deform ri plastice considerabile. Structura omogen a metalelor amorfe le confer rezisten la coroziune comparabil n unele cazuri cu a platinei i rezist en la oboseal nentlnit la aliajele cristaline. Aliajele metalice amorfe reprezint constituen i care nu posed o structur cristalin cu ordine de lung distanta. n ace st sens termenul de amorf nu nseamn o lips complet de structura, ci o structur ca racterizat printr-un tip de ordine a particulelor constitutive manifestat numai la scurt distan (distan considerat ca num r de raze atomice). Ordinea de scurt d istan este caracteristic tuturor formelor de agregate (lichide, solide amorfe, s olide cristaline), cu excep ia st rii gazoase. Starea amorf specific materialelo r metalice este caracterizat prin lips de cristalinitate sau de ordine la lung d istan , a a nct cristalinitatea define te automat, prin contrast, i starea amorf a stfel: atomii ntr-un cristal sunt aranja i ntr-un model care se repet n trei dimens iuni pe tot cuprinsul cristalului. n figura 2.21. se indic modul cum este generat starea amorf (sau starea lichid ), caracterizat prin prezen a ordinii la scurt distan (2.21.b) n absen a ordinii de lung distan specific cristalelor (fig.2.21.a ). a) b) Fig.2.21 Definirea st rii al a) structura cristalin ei elementare pe distan e de ordine la lung distan e. 38 cristaline i a st rii amorfe pe o structur bidimension cu ordine la lung distan ob inut prin transla ia celul egale cu parametrii re elei; b) structura amorf lipsit ob inut prin deplas ri ntmpl toare ale celulei elementar

Punerea n eviden a a structurii amorfe n compara ie cu structura cristalin se poat e face prin difrac ie cu raze X sau prin microscopie electronic . Este cunoscut faptul c pe m sur ce dimensiunea cristalelor ntr-un material policristalin se mic oreaz , maximele de intensitate din imaginile de difrac ie (liniile de difrac i e), devin din ce n ce mai late, n final imaginea apropiindu-se de cea a unui solid amorf, a a cum rezult din fig.2.22. Problema de baz n ceea ce prive te omogenita tea structural a aliajelor amorfe este dac aceste materiale con in sau nu defect e punctiforme de tipul vacan elor. Studii comparative efectuate prin metoda anih il rii pozitronilor n aliajele cristaline i amorfe au ar tat c defectele la scar atomic de tipul vacan elor lipsesc n aliajele metalice amorfe, chiar i n cele defo rmate plastic, de unde se pot concretiza urm toarele aspecte: - n aliajele metali ce amorfe nu sunt prezente defecte de tipul vacan elor ; - deformarea plastic nu introduce n aliajele amorfe defecte de tipul vacan elor sau alte defecte localiz ate la scar atomic . Chiar dac s-ar forma asemenea defecte, ele sunt extrem de i nstabile i se anihileaz rapid. a) b) Fig.2.22 Imagini comparative de dispersie a radia iilor x n func ie de tipul de o rdine din structura materialului: a) imagine de difrac ie n cristale (ordine la l ung distan ); b) imagine de difractie n materiale amorfe (ordine de scurt d