Biomateriais Aços inoxidáveis

Transcrição

1 Biomateriais Aços inoxidáveis

2 Bibliografia Jef A Helsen, HJ Breme: Metals as Biomaterials J. Wiley, DT Llewellyn: Steels, Metallurgy and Applications, Butterworth Heinemann, BD Ratner et al: Biomaterials Science, 2nd Ed., Elsevier, G Krauss, Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, RWK Honeycombe and HKDH Badeshia: Steels, Microstructure ans Properties, 2nd Ed., Edward Arnold Publishers, Erich Folkhard: Welding Metallurgy of Stainless Steel, Springer Verlag, 1988.

3 Considerações gerais Tipicamente quer-se que as propriedades mecânicas do material sejam idênticas às dos tecidos que substituem compatibilidade biomecânica Os materiais deverão ser biocompatíveis em termos gerais Deve-se considerar os mecanismos de degradação in vivo corrosão desgaste fadiga Deve-se ter em consideração o custo

4 Biomateriais Metálicos Há 3 classes principais de metais utilizados como biomateriais: Aços inoxidáveis Ligas de Co Ligas de Ti

5 Propriedades Mecânicas Material E (GPa) σ yield (MPa) σ b (MPa) 316L SS Co-Cr alloys Ti F Ti F Cortical Bone O aço inoxidável (austenítico) apresenta maior módulo de Young que as ligas de Ti e menor resistência à tracção

6 Módulo de Young e densidade das principais classes de materiais

7 Resistência à fadiga, ductilidade e tenacidade Nas aplicações que exigem elevada resistência à fadiga tem que se utilizar materiais com elevada resistência estática e baixa ductilidade: Ligas de titânio Ligas CoCr Ligas CoNiCr As ligas de menor resistência reservam-se para aplicações que requerem elevada tenacidade à fractura

8 Biofuncionalidade

9 Definição 1. Ligas à base de ferro, contendo Cr, Ni e outros elementos de liga, caracterizadas por uma elevada resistência à corrosão 2. Variedades a. Aços inoxidáveis martensíticos: baseados no sistema Fe-Cr-C (Ni, Mn) b. Aços inoxidáveis austeníticos: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (C, Mo, Mn, etc.) c. Aços inoxidáveis ferríticos: baseados no sistema Fe-Cr (Ni, Mo, etc.) d. Aços inoxidáveis duplex: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (C, Mo, Mn, etc.) e. Aços inoxidáveis endurecidos por precipitação: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (Mo, Cu, Al, Ti, etc.)

10 Designação normalizada e composição

11 Designações normalizadas

12 Aplicações dos aços inoxidáveis

13 Formas alotrópicas do ferro

14 Sistema Fe-Cr: elementos alfagéneos Alfagéneos Elementos de liga Gamagéneos Fase σ: Estrutura cristalográfica complexa Frágil Diminui resistência à corrosão Limite ao teor de Cr ~ 25% Evitar manutenção ~ C Domínio γ fechado Possibilidade de formação de fase σ Cr > 12% Para resistência à corrosão Estrutura cristalográfica da fase σ

15 Sistema Fe-Ni Ni 8% Para que a liga seja austenítica

16 Sistema Fe-Mo O Mo pode ser adicionado em pequena percentagem para melhorar a resistência à corrosão sob tensão

17 Diagrama Fe-Cr-Ni a 1480 e 900 C 900 C 1480 C

18 Constituição dos aços inoxidáveis Diagrama de Schaefler Ni eq =Ni+30*C+0,5*Mn Cr eq =Cr+Mo+1,5*Si+0,5*Nb

19 Solidificação dos aços inoxidáveis Aço inoxidável austenítico 316 L

20 Solidificação dos aços inoxidáveis 1. Os aços inoxidáveis austeníticos solidificam numa região do diagrama em que a solidificação pode variar entre gama e alfa devido a variações locais de composição, segregação ou variações da velocidade de solidificação e arrefecimento 2. As estruturas bifásicas apresentam menor resistência à oxidação e devem ser evitadas 3. As estruturas bifásicas formam-se designadamente em soldadura Aço inoxidável austenítico 316 L 4. Se se formar uma estrutura bifásica o material deve ser tratado por recozimento seguido de arrefecimento rápido (para evitar a sensibilização)

21 Aços inoxidáveis martensíticos Definição: Condições: Soluções: Variantes: Aços contendo C, Cr e outros elementos, susceptíveis de serem totalmente austenitizados e temperados para martensite A composição tem que ser equilibrada para permitir a austenitização total a ~1050 C As temperaturas M s e M f são superiores à temperatura ambiente Ligas de uso geral: 12%Cr-0.1%C Aumentando o teor em carbono aumenta a dureza, resistência à fadiga, etc. Aumentando os teores em Mo, V e Ni aumenta-se a resistência ao revenido e a tenacidade no estado temperado e revenido AISI410-12%Cr-0.1%C AISI420-12%Cr-0.3%C - utensilagem e cutelaria AISI416-12%Cr-0.1%C - adição de 0.15% de S e Se para melhorar maquinabilidade

22 Aços inoxidáveis martensíticos % Cr 13% : aços martensíticos ( %C - 13%Cr) % Cr > 13% : aços duplex γ + α > α + αʼʼ após têmpera %α cresce com %Cr ( %C - 18%Cr) Características dos aços inoxidáveis martensíticos: Possibilidade de endurecimento por transformação martensítica Elevada temperabilidade Possibilidade de controlar tenacidade/dureza por revenido Excelente resistência mecânica/tenacidade Elevada dureza superficial Elevada resistência ao desgaste Elevada resistência à corrosão Principais aplicações Utensílios médicos

23 Tratamento térmico dos aços inoxidáveis martensíticos Fe-13Cr-0,14C A adição de V e Mo melhora a resistência ao revenido A adição de níquel compensa o efeito alfagéneo do Cr, Mo e V Fe 3 C Cr 7 C 3 Cr 23 C 6 A adição de C aumenta a dureza em geral A adição de C e e V ou Nb aumenta a resistência à abrasão Parâmetro de revenido P=T(20+logt)*10-3, T = Temperatura em C t = tempo em horas

24 Tratamento térmico dos aços inoxidáveis martensíticos T γ = 925 C T γ = 1010 C Zonas de fragilidade no revenido

25 Aplicações dos aços inoxidáveis martensíticos Grade C Mn Si Cr Ni Mo P S Comments/Applications Cutlery, steam and gas turbine blades and buckets, bushings S: machinability. screws, gears etc. 416 Se Se replaces S Dental and surgical instruments, cutlery Enhanced corrosion resistance, high strength. 440A Ball bearings and races, gauge blocks, molds and dies, cutlery 440B As 440A, higher hardness 440C As 440B, higher hardness

26 Aplicações médicas dos aços inoxidáveis martensíticos

27 Aços inoxidáveis austeníticos São ligas FeCrNi(Mo, Co) Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam: Excelente ductilidade Excelente tenacidade Resistência moderada Resistência à fadiga moderada Excelente resistência à corrosão Risco de toxicidade (Ni)? Podem ser endurecidos por deformação a frio Podem ser endurecidos por transformação martensítica (martensite ε) A resistência à corrosão é melhor em ligas integralmente austeníticas (efeito galvânico) A resistência à corrosão diminui com o encruamento e com a precipitação de segundas fases (carbonetos, σ) A precipitação de segundas fases (carbonetos, σ) dá origem a corrosão por picaduras e intergranular

28 Aços inoxidáveis austeníticos Liga Fe-17Cr-4Ni Ms desce abaixo da temperatura ambiente Ligas duplex α + αʼʼ Ligas austeníticas A microestrutura dos aços inoxidáveis resulta de um equilíbrio adequado entre os teores de elementos alfagéneos e gamagéneos Elementos alfagéneos: W, Si, Mo, Cr, V, Al Elementos gamagéneos: N, C, Ni, Co, Cu, Mn

29 Gama de composição dos aços inoxidáveis austeníticos Definição: Aços contendo Ni, Cr e outros elementos de liga, com estrutura metaestável integralmente austenitíca à temperatura ambiente Condições: A composição tem que ser equilibrada para permitir a austenitização total a ~1050 C e suprimir a transformação martensítica no arrefecimento A temperatura M s deve ser inferior à temperatura ambiente Soluções: Ligas de uso geral: 18%Cr (resistência à corrosão) e > 8%Ni Aumentando o teor em Ni e Mo aumenta a resistência à corrosão em meio salino Teores de C e N mínimos para evitar a corrosão por picaduras Ni equiv = %Ni+30%C+0.5%Mn Diagrama de Schaefler Cr equiv = %Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb M s = %C-30.4%Mn-17.7%Ni-12.1%Cr-.7.5%Mo

30 Propriedades dos aços inoxidáveis austeníticos 1. Ductilidade muito elevada graças à estrutura CFC 2. Possibilidade de aumentar a resistência à tracção por deformação plástica a frio: coeficiente de encruamento elevado 3. Elevada tenacidade 4. Ausência de transição dúctil-frágil: tenacidade e ductilidade a baixa temperatura: aplicações criogénicas 5. Elevada resistência à corrosão seca (oxidação) ao ar e a temperaturas moderadas: utilização em mobiliáario, maquinaria, etc. 6. Possibilidade de passivação 7. Resistência à corrosão em soluções salinas 8. Resistência média

31 Corrosão dos aços inoxidáveis A corrosão dos aços inoxidáveis pode ocorrer pelos seguintes mecanismos: 1. Corrosão geral 2. Corrosão por picaduras 3. Corrosão em fissuras 4. Corrosão sob tensão 5. Corrosão sob tensão por sulfuretos 6. Corrosão intergranular 7. Corrosão galvânica 8. Corrosão de contacto

32 Resistência à corrosão em meio salino dos materiais metálicos Potencial de corrosão de vários metais e ligas em água do mar (agitada), temperatura entre 10 e 25 C, medido em relação ao eléctrodo standard de calomelano. Os rectângulos a preto indicam o comportamento em meio não arejado. Os aços inoxidáveis do tipo 316L são os mais adequados para aplicação em implantes. Podem ser melhorados por adição de Mo

33 Passivação dos aços inoxidáveis

34 Corrosão por picaduras e em fissuras Corrosão localizada, perforante, em geral em soluções com Cl - e diferentes grade oxigenação

35 Precipitação intergranular nos aços inox

36 Cinética de precipitação

37 Sensibilização dos aços inoxidáveis austeníticos

38 Mecanismo de corrosão intergranular: sensibilização

39 Corrosão intergranular severa num aço inox austenítico

40 Falha em serviço por corrosão intergranular Falha em serviço de um implante femural em liga liga de cobalto-crómio exibindo traços de corrosão intergranular intensa com fractura e corrosão por picaduras. A análise por microscopia mostra intensa precipitação de carbonetos intergranulares que está na origem deste fenómeno

41 Influência do encruamento O encruamento provoca um aumento de dureza e da resistência ao desgaste e à fadiga, em particular por induzir uma transformação da austenite em martensite ε A resistência à corrosão é negativamente afectada O facto de diminuir a resistência à corrosão por acarretar aumento do risco de reacção alérgica ao Ni

42 Aços inoxidáveis aplicáveis em bioimplantes

43 Aços inoxidáveis aplicáveis em utensílios médicos

44 Artigos médicos em aço inox: ferramentas e acessórios

45 Artigos médicos em aço inox: equipamento e mobiliário

46 Artigos médicos em aço inox: osteointegração