Материаловедение, металлические материалы. Коррозия и защита от нее

Функциональные (эксплуатационные) свойства медицинских изделий, т. е. их способность выполнять надлежащим образом свои функции в лечебно-диагностическом процессе и служить до­статочно долго, в значительной степени определяются свойства­ми тех материалов, из которых они изготовлены. Используемые для переработки в изделия материалы не только приобретают необходимую форму, но часто и новые свойства, необходимые для нормального функционирования изделия. Поэтому весьма важно знать свойства материалов, возможности изменения этих свойств в нужном направлении и методы, при помощи которых материалы перерабатывают в изделия с заданными свойствами.

Наряду с этим материалы для медицинских изделий должны от­вечать некоторым требованиям, обусловленным спецификой их медицинского назначения и применения: 1) быть биологически инерт­ными и нетоксичными по отношению к тканям и средам организ­ма, с которыми они соприкасаются, и не выделять вредных для организма веществ; 2) допускать необходимую обработку в инте­ресах соблюдения правил асептики без изменения своих свойств. и форм; 3) быть коррозионно-стойкими. Эти требования создают дополнительные ограничения в выборе материалов. Так, многие-пластмассы нельзя применять для изготовления шприцев, потому что они деформируются (теряют форму) при высокотемператур­ной стерилизации.

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Каждый материал обладает определенными механическими, хи­мическими и технологическими свойствами. Эти свойства опреде­ляются ГОСТами на материалы в состоянии поставки.

Основные показатели, характеризующие свойства материала и определяющие его выбор для данного изделия, записывают в стандарты и ТУ на эти изделия. Это относится прежде всего к механическим и химическим (антикоррозионным) свойствам, опре­деляющим надежность работы и долговечность изделия.

К механическим свойствам материала относятся прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность и хрупкость.

Прочность—способность материала сопротивляться воздей­ствию внешних сил не разрушаясь. Для большинства материалов прочность оценивают величиной предела прочности при растяжении:

σ_В=P/F кгс/мм²,

где Р — сила, в килограммах (обозначается кгс), при которой об­разец разрушается, кгс; F — площадь поперечного сечения испы­туемого стандартного образца материала, мм².

Показатель прочности и относительного удлинения при растя­жении (см. ниже) широко используют при оценке механических свойств металлов, пластмасс, резины, тканей, нитей и других ма­териалов. Для некоторых материалов (чугун, стекло), имеющих сравнительно низкую прочность на растяжение, применяют пока­затель прочности на сжатие, измеряемый аналогичными показа­телями. Так, прочность пластмасс и стекла на сжатие в 15—20 раз больше, чем на растяжение, и сопоставима с прочностью на рас­тяжение стали (до 100 кгс/см²).

Твердость — способность материала сопротивляться вдав­ливанию в них какого-либо тела. Этот показатель имеет особое значение для металлов. Для металлов существуют также наибо­лее обоснованные методы определения твердости: метод Бриннеля (вдавливание стального шарика) и метод Роквелла (вдавливание конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно НВ иHRC. По Бриннелю определяют твердость сырых (термически не обработанных) металлов, по Роквеллу — твердость закаленных изделий (режущих инструментов).

Мерой твердости по Бриннелю служит величина:

НВ= P/F,

где Р — сила вдавливания стального шарика, кгс; F — площадь поверхности сферического отпечатка, мм².

Между пределом прочности и твердостью по Бриннелю существу­ет устойчивая связь, поэтому по измерению твердости стали в со­стоянии поставки можно судить и об ее прочности.

Для определения единиц твердости по размерам отпечатка ис­пользуют специальные таблицы.

Существует также метод Виккерса, отличающийся от метода Роквелла тем, что испытание производят при малых усилиях и ме­рой твердости служит размер диагонали отпечатка. Так как отпе­чаток сравнительно мал, метод используют для определения твер­дости тонких изделий.

Упругость—способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекра­щения действия этих сил. Высокой упругостью должна обладать сталь для различных пружинящих инструментов (пинцеты, крово­останавливающие зажимы и др.).

Отношение нагрузки, при которой у образца появляется оста­точное удлинение, к площади его первоначального поперечного се­чения в квадратных миллиметрах, называют пределом упру­гости. Таким образом, предел упругости σ_у измеряют так же, как и предел прочности. Сталь имеет предел упругости около 30 кгс/мм², а свинец, почти не обладающий упругостью,—всего 0,25 кгс/мм².

Вязкость—способность материалов не разрушаться при действии на них ударных нагрузок. Высокой вязкостью наряду с достаточной твердостью обладают медицинские долота и молотки, так как они не должны разрушаться и выкрашиваться при ударе. Характеристикой вязкости служит величина ударной вязко­сти. На образец материала, подвергающегося испытанию на ударную вязкость, с определенной высоты падает груз. Работа из­лома, отнесенная к площади поперечного сечения образца в ме­сте излома, дает значение ударной вязкости. Пластичные мате­риалы обладают высокой ударной вязкостью, хрупкие — низкой.

Пластичность—способность материалов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять из­мененную форму после прекращения действия сил. Одним из наи­более пластичных металлов является свинец. Те материалы, кото­рые под действием внешних сил совсем или почти не изменяют своей формы, но быстро разрушаются, называют хрупкими. Хрупкими являются стекло, чугун, некоторые пластмассы (поли­стирол).

Мерой пластичности может служить относительное удли­нение (δ). Эта величина измеряется в процентах от первона­чальной длины образца при испытании на растяжение.

При нагревании пластичность стекла, металлов и ряда пласт­масс возрастает, а прочность уменьшается. Эти свойства материа­лов используют для придания им нужной формы методами ков­ки прессования, штамповки, прокатки.

Следует отметить, что для ряда материалов существуют понятия

усталости и старения.

Усталость—способность материалов разрушаться от дейст­вия многократно повторяющихся нагрузок, величина которых не достигает предела прочности материала. Чем больше циклов на­грузки выдерживает образец металла, тем он выносливее. Для каждого металла существует предел усталости, определяе­мый числом циклов нагрузки, которое может выдержать образец металла. Ряд неметаллических материалов, таких, как резина, пластмассы, имеет склонность к старению, т. е. к изменению (снижению) прочности с течением времени под влиянием различ­ных факторов внешней среды (солнечная радиация, озон, измене­ние температуры). Способствует старению и стерилизация при высоких температурах. Так, пластмассовые шприцы многоразового пользования по мере увеличения количества циклов стерилизации постепенно теряют прозрачность, а затем материал растрескива­ется и расслаивается.

Химические свойства определяют поведение материала по отно­шению к действию факторов внешней среды: его окисляемость, стойкость к действию различных химических агентов и раствори­телей, в том числе коррозионную стойкость.

Химические свойства определяются химическим составом мате­риала. Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства материалов широко используют при оценке их свойств. Знание химического состава дает возможность судить о ряде свойств материала и его отношении к различным воздей­ствиям. Так, определенный процесс содержания хрома в стали де­лает ее нержавеющей, повышенное содержание серы и фосфора превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению мате­риал. Химическая устойчивость стекла полностью определяется его составом. Химический состав определяет марку матери­ала.

Технологические свойства материалов обусловливают различные технологические приемы их переработки в изделия. Так, многие металлические материалы хорошо штампуются, а другим форма может быть придана лишь путем литья. Материалы, применяемые для получения медицинских изделий, должны допускать обработку одним или несколькими известными экономически оправданными технологическими методами. При этом свойства материала часто претерпевают значительные изменения, особенно если для прида­ния ему нужной формы материал подвергается нагреву, вследст­вие чего размягчается или расплавляется. Часто в результате об­работки литьем и методами пластической деформации (ковка,. штамповка, прессование, прокатка, волочение) изменяется внут­ренняя структура материала и ухудшаются его механические свойства. Для повышения механических качеств изделие подвергают термической обработке, которая, не меняя его формы, придает изделию необходимые механические свойства.

Механические, химические и технологические свойства материалов тесно взаимосвязаны.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Первое определение металла было дано более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: «Металлы — суть светлые тела, которые ковать можно». Металлический блеск и пластичность — свойства, присущие всем металлам. Чистые металлы для производства различных изделий применяют очень редко, так как их трудно получить; в производстве используют различные сплавы.

Металловедение — наука о структуре и свойствах металлов и сплавов — достигла значительных успехов и с ее помощью можно получить сплавы, обладающие заранее заданными свойствами.

Сплавы делят на две большие группы: 1) сплавы, основу которых составляет железо, — черные металлы; 2) все остальные сплавы цветные металлы.

Черные металлы

Черные металлы — основные материалы для изготовления изде­лий машиностроения: машин, механизмов, приборов, инструментов. Черные металлы, представляющие собой сплавы железа с угле­родом, подразделяют на стали и чугуны. При содержании углеро­да в сплаве до 2% сплав называют сталью, при большем содер­жании углерода — чугуном. Стали обладают способностью к ков­ке, становясь при нагревании пластичными; чугуны при достиже­нии высокой температуры плавятся и изделия из них можно изго­товлять лишь методом литья. Из чугуна и некоторых других «ли­тейных» сплавов делают базовые детали медицинского оборудо­вания: основания медицинских столов и кресел, крестовины стоек различных приборов и аппаратов. Из стали изготовляют многие медицинские инструменты и детали медицинского оборудования и аппаратуры.

По назначению сталь делят на конструкционную, или машиноподелочную, и инструментальную. Конструкционная сталь содер­жит углерода до 0,5%, а инструментальная—от 0,7% и выше. Из последней производят различного рода инструменты: режущие, из­мерительные, в том числе медицинские. Для изготовления меди­цинских изделий применяют только стали углеродистые ка­чественные, отличающиеся от обычных сталей меньшим со­держанием вредных примесей—серы и фосфора (не более 0,02% серы и 0,03% фосфора). Фосфор придает стали хладноломкость (хрупкость в холодном состоянии), т.е. уменьшает прочность ста­ли, особенно высокоуглеродистой. Сера снижает пластичность ста­ли при обработке в горячем состоянии — создает так называе­мую красноломкость, ухудшая тем самым ее технологические свойства. Отрицательное влияние оказывает сера и на антикорро­зионные свойства стали, что снижает функциональные качества будущих медицинских изделий. Стали содержат также в неболь­шом количестве марганец и кремний (до 0,5—0,6%), однако это не оказывает существенного влияния на свойства стали.

При добавлении к стали других компонентов в значительных количествах получают легированную сталь. Легирование производят с целью придать стали требуемые свойства. Сталь с содержанием легирующих элементов более 10% относят к высо­колегированным сталям, или сталям со специальными свойства­ми. Так, добавка к стали от 13 до 18% хрома резко повышает ее коррозионную устойчивость,—такие стали относят к нержаве­ющим.

Свойства углеродистых сталей зависят от содержания в них уг­лерода. Чем больше процент углерода в стали, тем выше ее проч­ность. Предел прочности стали, содержащей 0,15% углерода, со­ставляет 32—40 кгс/мм², а стали, содержащей 1 % углерода, — до 85—90 кгс/мм², т. е. предел прочности увеличивается более чем вдвое. В связи с этим малоуглеродистые стали применяют для менее ответственных изделий, а более прочные — инструменталь­ные — для изготовления хирургических инструментов, играющих важную роль в процессе оперативного вмешательства. Марки ста­лей 15, 30, 45, содержащих соответственно 0,15, 0,30 и 0,45% уг­лерода, используют для изготовления ручек инструментов, винтов, гаек. Из стали 45 изготовляют некоторые зуботехнические инстру­менты (круглогубцы, плоскогубцы и др.).

Таблица 1. Применение в медицинской технике углеродистых инструменталь­ных сталей

Примечание. Инструментальные стали содержат от0,15 до 8,35% мар­ганца и не более 0,3% кремния.

Для изготовления хирургических инструментов употребляют ка­чественные инструментальные стали марок У7А, У8А, У10А и У12А. В обозначении этих марок цифра означает содержание уг­лерода в десятых долях процента, а буква А отличает качествен­ную сталь от обычной. Области применения сталей разных марок представлены в табл. 1.

Следует отметить, что для изготовления тонколезвийных режу­щих инструментов применяют также низколегированную инстру­ментальную сталь 13Х с содержанием 1,25—1,4% углерода, 0,4— 0,7% хрома, 0,3—0,6% марганца и 0,15—0,35% кремния. Твер­дость инструментов из этой стали наибольшая: HRC 65...67.