Lucrarea 1

OŢELURI INOXIDABILE – STRUCTURĂ ŞI PROPRIETĂŢI

A. Consideraţii teoretice

La mijlocul secolului, din raţiuni economice, oţelurile inoxidabile au fost unele din principalele materiale utilizate la confecţionarea implanturilor chirurgicale, datorită caracteristicilor specifice:

- preţ de cost redus;- greutate specifică relativ mică, comparativ cu cea a aliajelor nobile;- duritate şi rezistenţă mecanică ridicată;- conductivitate termică mai redusă decât a aliajelor neferoase (de zeci de ori mai mică decât

aliajele nobile).Oţelurile inoxidabile sunt aliaje feroase, cu următoarele elementele principale de aliere:

Fe + C + Cr (+ Ni).Oţelurile inoxidabile au încă o utilizare reală ca biomaterialele. Dispozitivele medicale

din oţeluri inoxidabile sunt realizate, de obicei, din 18% Cr, 8% Ni şi 0,08% C, cel mai cunoscut fiind oţelul 316L. Oţelul 316L a fost dezvoltat în anii 1950 prin reducerea conţinutului de C la 0,03%, dobândind efectiv o mai bună rezistenţă la coroziune.

Componentele din oţeluri inoxidabile sunt convenabile doar pentru utilizarea in vivo, având un conţinut slab de impurităţi şi pasivizarea finalizată. Oţelurile inoxidabile nu sunt folosite uşor la implante şi sunt inferioare altor aliaje superioare, deoarece rezistenţa lor la oboseală este mai slabă decât a altor aliaje, nu sunt considerate ca biocompatibile şi sunt mult mai predispuse la eroziune. Proprietăţile mecanice ale oţelurilor inoxidabile au fost imbunătăţite considerabil în ultimul timp, făcându-le o alternativă bună pentru pacienţii între două vârste cu slabe cerinţe fizice aşteptate, slabe speranţe de viaţă şi constrângeri financiare. Câteva mărci de oţeluri inoxidabile utilizate ca materiale biocompatibile sunt indicate în tabelul 1.

Tabelul 1 Oţeluri inoxidabile utilizate ca biomaterialeFe Cr Ni C Mo Observaţii

Austenitice 301 73 16-18 6-8 0,15302 71 17-19 8-10 0,15 (Oţel 18-8)316 64 16-18 10-14 0,08 2-3

316L 64 16-18 10-14 0,03 2-3 (SS chirurgical)330 43 17-20 34-37 0,08 (Rezistent la

cald)Feritice 405 85 12-14 0,08

Martensitice 410 86 11,5-13,5 0,15

a. Oţeluri inoxidabile austenitice: conţin Ni pentru stabilizarea structurii austenitice. Au excelentă ductilitate, deformabilitate şi rezistenţă la coroziune şi de asemenea, rezistenţă mecanică mare obţinută prin durificarea soluţiei solide şi o bună prelucrabilitate la cald (mai bună decât a oţelurilor feritice), precum şi proprietăţi foarte bune, dar sunt scumpe (conţinut ridicat de Ni şi Cr).

b. Oţeluri inoxidabile feritice: conţin peste 30% Cr şi C mai puţin de 0,12%. Au bună rezistenţă, rezistenţă la coroziune şi ductilitate medie. Nu sunt scumpe.

c. Oţeluri inoxidabile martensitice conţin 13 – 17% Cr, 0,1 – 1,0% C. Au duritate bună, rezistenţă mecanică şi rezistenţă la coroziune. Se folosesc pentru instrumentar chirurgical, componente de articulaţii şi valve de inimă.

1

Cele mai convenabile pentru confecţionarea implanturilor chirurgicale sunt oţelurile inoxidabile austenitice, la care proprietăţile mecanice pot fi modificate prin ecruisare şi durificare structurală.

Caracteristicile de exploatare în medii biologice sunt influenţate de elementele de aliere astfel:

Cromul:- creşte rezistenţa la coroziune şi oxidare;- creşte călibilitatea;- creşte rezistenţa la temperaturi ridicate.

Nichelul:- asigură o structură cu granulaţie fină;- creşte rezistenţa la coroziune în mediu salin;- creşte călibilitatea.

Molibdenul:- asigură o structură cu granulaţie fină;- creşte rezistenţa la coroziune în mediu salin;- creşte călibilitatea.

Spre exemplu, aliajul BioDur CCM Plus, din clasa superioară a înalt aliatelor cu carbon, fabricat prin metalurgia pulberilor, combină câteva atribute care ajută la producerea unei durate mai mari de viaţă a componentelor de articulaţii. Aliajul prezintă omogenitate chimică şi microstructură cu carburi foarte fine şi distribuite uniform, care dau materialului proprietăţi superioare la uzare când e în contact cu polietilena de înaltă desitate moleculară sau când lucrează cu material identic într-o articulaţie metal – metal. De asemenea, prezintă rezistenţă ridicată şi rezistenţă la coroziune în astfel de aplicaţii.

Dintre oţelurile austenitice, oţelul inoxidabil AISI 316 aliat cu molibden, este al doilea ca importanţă, după AISI 304. Molibdenul îi dă proprietăţi de rezistenţă la coroziune mai bune decât oţelului AISI 304 şi, în particular, rezistenţă ridicată la coroziune prin cavitaţie şi pitting în medii de cloruri.

Oţelul inoxidabil AISI 316L este versiunea oţelului AISI 316 cu conţinut mai scăzut de carbon şi este imun la sensibilizare (precipitări de carburi la limită de grăunţi). Totuşi, este foarte utilizat la componentele pentru sudare.

Structura austenitică îi oferă o tenacitate excelentă, chiar la temperaturi criogenice.Comparativ cu oţelurile austenitice Cr-Ni, oţelul inoxidabil AISI 316L are o rezistenţă

ridicată la fluaj, rezistenţa la rupere şi rezistenţă la tracţiune la temperaturi înalte.Proprietăţile principale sunt specificate în ASTM A240/A240M pentru produsele

laminate (plăci, table şi sârme). Proprietăţi similare, dar nu neaparat identice sunt specificate în standarde de referinţă pentru alte produse ca tuburi şi bare.

Oţelurile inoxidabile folosite în mod frecvent la fabricarea implantelor chirurgicale sunt oţeluri austenitice la care conţinutul de carbon se limitează la valori mai mici de 0,03% (de exemplu AISI 316L) pentru îmbunătăţirea rezistenţei la coroziune in vivo.

O caracteristică specifică acestor oţeluri o constituie elaborarea foarte îngrijită pentru reducerea conţinutului de incluziuni sau impurităţi (sulfuri, oxizi, silicaţi), care pot predispune oţelul la coroziune prin pitting la interfaţa metal – incluziune.

Mărimea de grăunte recomandată pentru oţelul AISI 316L este de 6 (conform SR ISO 5832-1: 1999 ) sau mai mică şi trebuie să fie relativ uniformă, ceea ce impune controlul strict al solidificării, al prelucrării la rece, al ciclurilor de normalizare şi recristalizare.

2

Proprietăţile mecanice ale acestor oţeluri pot fi îmbunătăţite prin deformare plastică la rece (un grad de deformare de 30% conduce la creşterea până aproape de dublu a rezistenţei la rupere comparativ cu starea recoaptă). Această prelucrare permite obţinerea unor implante cu proprietăţi mecanice mai ridicate prin utilizarea semifabricatelor texturate, la care alungirea grăunţilor corespunde cu direcţia solicitării maxime (la şuruburi sau tije).

Compoziţia chimică a oţelului inoxidabil AISI 316L se prezintă în tabelul 2.

Tabelul 2 Compoziţia chimică a oţelului inoxidabil AISI 316L

În tabelul 3 se prezintă proprietăţile mecanice ale oţelului inoxidabil AISI 316L.

Tabelul 3 Proprietăţi mecanice ale oţelulului inoxidabil AISI 316L

Rezistenţa la tracţiune min., MPa

Limita reală de curgere 0,2% min.,

MPa

Alungirea min., % pe 50 mm

DuritateaRockwell B max.,

HRBBrinell max., HB

485 170 40 95 217

Proprietăţile fizice ale oţelului inoxidabil AISI 316L sunt prezentate în tabelul 4.

Tabelul 4 Proprietăţi fizice ale oţelulului inoxidabil AISI 316L

Densitatea, kg/m3

Modulul de elasticitate,

GPa

Coeficientul de conductivitate termică,

µm/m/°C

Conductivitatea termică, W/m·K

Căldura specifică 0-100°C, J/kgK

Rezistivitatea electric, nΩ·m

0-100, °C

0-315, °C

0-538, °C

la 100 °C

la 500 °C

8000 193 15,9 16,2 17,5 16,3 21,5 500 740

B. Rezultate experimentale

Scopul lucrării: Stabilirea structurii şi proprietăţilor oţelurilor inoxidabile austenitice după diferite operaţii tehnologice

Aparatură utilizată: - Microscop optic metalografic Olympus BX51M

Parametri de performanţă ai microscopului sunt:- Mărirea: 3x5...100x10;- Tensiunea nominală de alimentare prin transformator: 12 V- Sistem de iluminare: bec cu halogen precentrat 100 W- Sistem de obiective: cap revolver cu 5 obiective- Vizualizare: sistem trinocular, reglare dioptrii, 10x- Platină: piese până la 500 g- Accesorii vizualizare: sistem adaptare cameră foto digitală

C Mn Si P S Cr Mo Ni NMin - - - - - 16,0 2,00 10,0 -Max 0,03 2,0 0,75 0,045 0,03 18,0 3,00 14,0 0,10

3

Figura 2 Microscopul optic metalografic Olympus BX51M

Materiale utilizate (tabelul 5):

Tabelul 5 Materiale utilizate şi compoziţia lor chimică

MaterialCompoziţia chimică, %

C max.

Si max.

Mn max.

P max.

S max.

Ni Cr MoAlte

elemente

304 0,08 1,00 2,00 0,045 0,030 8,00-10,5018,00-20,00

304L 0,030 1,00 2,00 0,045 0,030 9,00-13,0018,00-20,00

309S 0,08 1,00 2,00 0,045 0,03012,00-15,00

22,00-24,00

316 0,08 1,00 2,00 0,045 0,03010,00-14,00

16,00-18,00

2,00-3,00

316L 0,030 1,00 2,00 0,045 0,03012,00-15,00

16,00-18,00

2,00-3,00

316LN 0,030 1,00 2,00 0,045 0,03010,50-14,50

16,50-18,50

2,00-3,00

N 0,12-0,22

317 0,08 1,00 2,00 0,045 0,03011,00-15,00

18,00-20,00

3,00-4,00

317L 0,030 1,00 2,00 0,045 0,03011,00-15,00

18,00-20,00

3,00-4,00

321 0,08 1,00 2,00 0,040 0,020 9,00-13,0017,00-19,00

Ti≥5×C%

Rezultate experimentale:1. Se reprezintă şi se interpretează structura unor oţeluri inoxidabile austenitice în stare:

- de livrare;- deformată plastic la rece prin tragere (MB);- sudată (cus + ZIT);- recoaptă (MB + cus + ZIT).

Aparatul utilizat pentru vizualizarea microstructurilor este microscopul optic metalografic Olympus BX51M din dotarea Laborotorului de încercări CIDUCOS – UPT (figura 4).

4

Examinarea microscopică se execută în lumină reflectată cu microscopul optic la măriri de 50...1000x şi cu ajutorul camerei foto digitale se captează imaginea pe monitorul calculatorului, după care se salvează.

La examinarea microscopică se determină următoarele:- structurile şi constituenţii metalografici; - mărimea grăuntelui real;- eventuale defecte.

Pentru cazuri speciale, mărirea la examinare poate fi extinsă peste aceste valori (de exemplu, 1000x...2500x).

Se recomandă ca proba metalografică să aibă o suprafaţă de cercetat de minimum 1 cm2. Obişnuit, probele metalografice au dimensiunile 15x15x10 mm. Aceste dimensiuni nu sunt obligatorii, depind şi de dimensiunile materialului cercetat (sârme, table subţiri).

La executarea analizei metalografice probele cuprind toate zonele de interes.

2. Se determină structura îmbinării sudate pentru diferite variante de oţeluri inoxidabile:a) 316 cu electrod de oţel carbon cu 0,1% C (presupunem diluţia de 25%);b) Oţel carbon cu 0,1% C cu oţel 304 folosind electrod de 309 (presupunem

diluţia 40%)Diluţia - % de MB din topitură (cusătură)

Nichel Echivalent = %Ni + 30%C + 0,5%Mn Crom Echivalent = %Cr + %Mo + 1,5%Si + 0,5%Nb

În figura 5 se prezintă schema evaluării diluţiei dintr-o îmbinare sudată, iar în figura 6 se prezintă diagrama Schafler utilizată pentru determinarea structurilor îmbinărilor sudate.

Evaluarea diluţiei

Figura 5 Schema evaluării diluţiei dintr-o îmbinare sudată

5

s

s

s

S

S

S

Aria secţiunii de MB topit (aria zonei haşurate)

Aria totală a secţiunii metalului depus

Diluţia

Figura 6 Diagrama Schaeffler

6