89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

110
Prognozowanie właściwości
mechanicznych
i korozyjnych drutów dla
ortoPedii
Joanna Przondziono 1 *, Witold Walke 2
1Katedra Modelowania Procesów i inżynierii Medycznej,
PolitechniKa ŚląsKa w Katowicach
2instytut Materiałów inżyniersKich i BioMedycznych, Poli-
techniKa ŚląsKa w Gliwicach
mailto:joanna.Przondziono@Polsl.Pl
[Inżynieria Biomateriałów, 89-91, (2009), 110-112]
Wprowadzenie
Wśród wielu właściwości, którymi powinny charakteryzować
się druty i wyroby z drutu stosowane na implanty ortopedyczne,
wymienić należy przede wszystkim odpowiedni
dla danego zastosowania zespół właściwości mechanicznych
oraz wysoką odporność na korozję elektrochemiczną
w środowisku tkanek i płynów fizjologicznych [1]. Właściwości
te uzależnione są m. in. od składu chemicznego materiału,
jego czystości metalurgicznej, parametrów procesu
wytwarzania.
Istotny wpływ na dobór optymalnych parametrów procesu
wytwarzania drutu mają prawidłowe charakterystyki technologicznej
plastyczności materiału. Od nich zależy zarówno
uzyskanie struktury podatnej do procesu ciągnienia, jak i
otrzymanie wyrobu charakteryzującego się wymaganymi
właściwościami użytkowymi (m. in. właściwościami mechanicznymi
i odpornością na korozję). Odkształceniu
plastycznemu towarzyszy zjawisko umocnienia odkształceniowego,
które związane jest ze wzrostem naprężenia
uplastyczniającego σp [2]. Poprawne ustalenie parametrów
przeróbki plastycznej oraz uzyskanie odpowiednich właściwości
końcowych wyrobów niezmiennie związane są z
analizą przebiegu funkcji σ p=f(ε). Krzywe zmiany naprężenia
uplastyczniającego w funkcji odkształcenia (tzw. krzywe
umocnienia) pozwalają na przewidywanie zachowania się
materiału w trakcie procesów przeróbki plastycznej. Odkształcenie
zadawane w procesie ciągnienia ma również
istotny wpływ na właściwości korozyjne drutu. W pracach
[3,4] stwierdzono, że wzrost odkształcenia powoduje pogorszenie
charakterystyk korozyjnych ciągnionego materiału.
Technolodzy projektujący technologię wytwarzania drutów
korzystają z krzywych umocnienia celem takiego doboru
parametrów ciągnienia, aby uzyskać druty o wymaganych
dla danego zastosowania właściwościach mechanicznych.
W tym celu można także wykorzystać tzw. krzywe technologiczne,
tzn. krzywe przedstawiające zależność wytrzymałości
na rozciąganie drutu w funkcji odkształcenia [5].
Praca stanowi propozycję podobnego postępowania celem
prognozowania właściwości korozyjnych drutu w zależności
od odkształcenia zadawanego podczas ciągnienia.
Druty stosowane w ortopedii na implanty krótkotrwałe
produkowane są najczęściej ze stali nierdzewnej w gatunku
X2CrNiMo17-12-2. W pracy przedstawiono przebieg
krzywej umocnienia drutów wykonanych z tej stali oraz
matematyczną postać funkcji naprężenia uplastyczniającego.
Podano również przykładowe krzywe obrazujące zależność
oporu polaryzacji w funkcji odkształcenia w procesie
ciągnienia drutów elektrochemicznie polerowanych oraz
elektrochemicznie polerowanych, a następnie chemicznie
pasywowanych.
Forecast oF mechanical
and corrosive ProPerties
oF wire For orthoPaedics
Joanna Przondziono 1 *, Witold Walke 2
1dePartaMent of Process ModellinG and Medical enGineerinG,
silesian university of technoloGy in Katowice
2institute of enGineerinG Materials and BioMaterials,
silesian university of technoloGy in Gliwice
mailto:joanna.Przondziono@Polsl.Pl
[Engineering of Biomaterials, 89-91, (2009), 110-112]
Introduction
The list of properties that wire and wire products for
orthopaedics implants should feature includes most of all a
set of mechanical properties respective for each application
and high electrochemical corrosion resistance in tissue and
in physiologic saline [1]. These properties depend on, among
other things, chemical composition of the material, its metallurgical
purity, parameters of manufacturing process.
Proper characteristics of technological plasticity of the
material is vital for the selection of optimum parameters of
wire manufacturing process. They determine both, obtaining
the structure prone to drawing process as well as obtaining
the product featuring required application properties (among
other things, mechanical properties and resistance to corrosion).
Plastic strain is accompanied by the phenomenon
of strain hardening, which is connected with the increase
in yield stress σp [2]. Correct determination of plastic working
parameters and acquisition of final products proper
characteristics are invariably connected with an analysis
of the course of σ p=f(ε) function. Yield stress curves in the
strain function (so called flow curves) enable to predict the
behaviour of the material during plastic working. Strain
resulting in drawing process affects wire corrosion properties
to a great extent. In the studies [3,4] it was ascertained
that the increase in strain involves deterioration of corrosion
characteristics of drawn material.
Production engineers who are responsible for wire manufacturing
technologies make use of flow curves in order
to select such a set of drawing parameters to obtain wire
that features mechanical properties required for respective
applications. For this purpose one may also use so called
technological curves i.e. curves showing relationship of wire
resistance to drawing in strain function [5]. In this study a
similar behaviour is suggested in order to anticipate wire
corrosive properties depending on strain obtained in drawing
process.
Wire used in orthopaedics for short-term implants are
manufactured most frequently from stainless steel of X2CrNiMo17-12-2
grade. This work shows the course of flow curve
of wire made of this grade of steel and mathematical form
of yield stress function. The study also presents exemplary
curves showing the dependence of polarisation resistance
in strain function in the drawing process of electrochemically
passivated and electrochemically polished, and then
chemically passivated wire.
test methodology
Initial material for tests was wire rod made of X2CrNiMo17-12-2
steel with diameter of 5,5mm in supersaturated