فرمت فایل : word(قابل ویرایش)تعداد صفحات98
مقدمه و معرفی
اهمیت فولاد در تمدن بشری و نقش ویژه آن در صنعت، کشاورزی و زمینه های گوناگون زندگی کنونی بر کسی پوشیده نیست. امروزه بخش اعظمی از تجهیزات بیمارستانی، وسایل، ابزار و دستگاه های پزشکی، دندان پزشکی و آزمایشگاهی های تشخیص طبی با استفاده از انواع آلیاژ های فولادی ساخته می شود. از سوی دیگر برخی از انواع فولاد زنگ نزن هم به عنوان بیو مواد فلزی در پزشکی و دندان پزشکی مصرف می شود. در واقع، از میان انواع فولاد های موجود، آلیاژ فولاد زنگ نزن برای استفاده در کاربرد های پزشکی مناسب تشخیص داده شده است. نوعی از این گروه برای تهیه کاشتنی ها ، وسایل تثبیت شکست داخلی ، پیچ ها و سیم ها و صفحه شکسته بندی در پزشکی و ساخت و تهیه سیم های ارتودونسی ، ابزار های معالجه ریشه دندان مثل سوهان سوزنی و برقو ، کاشتنی دندانی و تاج یا روکش پیش ساخته در دندان پزشکی مصرف می شوند] 22[.
فولاد زنگ نزن همچنین به طور گسترده ای در کاربرد های پزشکی و دندان پزشکی نظیر تولید ابزارها و وسایل دندانی همچون تیغ چاقوی جراحی ، انبر جراحی و گیره های دندان مصنوعی مصرف می شوند.
فولاد ها در گستره ی وسیعی از ترکیب شیمیایی در دسترس می باشند که هر یک خواص ویژه ای دارند و برای کاربرد خاصی طراحی و تهیه شده اند. یکی از دلایلی که سبب شده تا آلیاژ های فولادی از نظر مصرف تا به این حد عمومیت و گسترش پیدا کنند این است که محدوده ی خواص مکانیکی که فقط با تغییر اندکی در ترکیب شیمیایی پدید می آید، گسترده و وسیع است.
قبل از معرفی فولاد زنگ نزن به دندان پزشکی در دهه 1930 میلادی و مطرح شدن کاربرد های آن، تنها ماده ای که مشخص گردیده بود مقاومت خوردگی کافی دارد، طلا بود. فولاد زنگ نزن استحکام کششی بالایی دارد و به شکل فنر (سیم انعطاف پذیر و کشسان) در وسایل ارتودونسی متحرک بکار می رود. این آلیاژ همچنین در وسایل ثابت برای ساخت نوار ، براکت و سیم آرک معروف است. سیم ارتودونسی از آلیاژی ساخته می شود که با نام فولاد زنگ‌نزن آستنیتی پایدار شده است.آلیاژ دیگری که برای تهیه سیم ارتودونسی بکار می رود، فولاد زنگ نزن آستنیتی پایدار شده است]23[.
اولین فولادی که برای تهیه کاشتنی بدون مورد استفاده قرار گرفت، آلیاژ فولاد 18 درصد کرُم و 8 درصد نیکل (نوع 18-8 و یا در دسته بندی جدید نوع 302) بود که از فولاد وانادیم دار مصرفی برای تهیه صفحه شکسته بندی، قوی‌تر و مقاوم خوردگی آن نیز بیشتر بود ]24[. فولاد وانادیم دار به مدت طولانی برای کاربرد های کاشتنی مصرف نشد زیرا مقاومت خوردگی آن کافی نبود. پس از آن، فولاد زنگ نزن 18 درصد کرُم و 8 درصد نیکل مولیبدن دار معرفی شد که به منظور اصلاح مقاومت در برابر خوردگی در آب‌نمک، حاوی مولیبدن بود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن 316 شناخته شد. در دهه ی 1950، کربن فولاد زنگ نزن 316 از 08/0 درصد وزنی به حداکثر 03/0 درصد وزنی کاهش یافت تا مقاومت خوردگی بهتری در آب‌نمک حاصل شود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن 316 ال معروف شد ]25[.
اطلاعات موجود نشان می دهد که در آغاز، فولاد 302 ، 304، نوعی فولاد 18-8 مولیبدن دار و فولاد 316، مورد استفاده قرار گرفت. اما اغلب اوقات مشکلاتی به دلیل عملکرد غیر قابل قبول این آلیاژ به ویژه از نظر حساس شدن اجزاء ساخته شده از فولاد زنگ نزن 316 پدید آمد. از نیمه دهه ی میلادی، بهبود و اصلاحی در قابلیت اطمینان فولادهای زنگ‌نزن برای استفاده در تعویض مفصل ران کامل حاصل شد. این بهبود کیفی از طریق کنترل دقیق‌تر ترکیب شیمیایی و ریزساختار فولاد بدست آمد. مقدار گوگرد فولاد زنگ‌نزن مصرفی در وسایل ارتوپدی به شدت کاهش داده شد. به این ترتیب که از طریق تولید فولاد با فرآیند ذوب تحت خلاء، مقدار گوگرد از 01/0 درصد در سال 1975 به 002/0 درصد در سال 1990 رسید. پس از اصلاحات انجام شده، فولاد زنگ‌نزن 316 ال مهمترین فولاد توصیه شده برای کاربردهای پزشکی بود که اصلی‌ترین عدم مزیت آن، تمایل این آلیاژ به خوردگی شیاری محسوب می شود. این آلیاژ تحت شرایط خوردگی شیاری از استحکام خستگی پایینی برخوردار است و همین امر کاربرد آن را برای تهیه کاشتنی تعویض مفصل ران فقط برای بیماران پیرتر، سبک وزن و افرادی که تحرک کمتری دارند محدود
می سازد. البته اصلاحاتی نیز در این آلیاژ ها به کمک نیتروژن و منگنز صورت گرفته است ]26[.
نوعی از فولاد زنگ‌نزن که ناخالصی بسیار اندکی داشته باشد و سطح نهایی آن نیز رویین باشد برای کاربرد کاشتنی در بدن مناسب است. استحکام تسلیم فولاد زنگ‌نزن آهنگری شده بیشتر از استحکام فولاد زنگ‌نزن ریختگری است اما استحکام خستگی آن کمتر از سایر آلیاژهای مناسب برای کاشتن در بدن است. فولاد زنگ‌نزن انعطاف‌پذیری خوبی دارد و به سهولت ماشین‌کاری می شود و پیشرفت‌های اخیر، خواص آن را بهبود بخشیده است. به دلیل عدم موفقیت طرح‌های اولیه، استفاده از فولاد زنگ‌نزن در دهه‌ی اخیر به طور پیوسته و به صورت جریان عادی فراگیر انجام نگرفته است. فولاد زنگ‌نزن از نظر فرسایش، سازگاری زیستی و عمر خستگی ضعیف‌تر از آلیاژهای جدید و زیست‌سازگاری همچون سوپرالوی‌هاست اما این آلیاژ هنوز هم برای بیماران پیرتر که تحرک آنها محدودتر و طول عمر آن ها کوتاه‌تر است به ویژه هنگامی که هزینه‌های اقتصادی عامل مهمی محسوب می شود مورد توجه است ]22 و 27[. در جدول 3-1 مقایسه‌ای بین ترکیب شیمیایی فولاد زنگ‌نزن و سایر آلیاژهای مصرفی برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران کامل ارائه شده است و در جدول3-2 نیز خواص مکانیکی فولاد زنگ‌نزن 316 ال و سایر آلیاژهایی که برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران بکار می روند، ارائه گردیده است.
جدول 3-1
ترکیب شیمیایی بیومواد فلزی مصرفی برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران کامل
(اعداد بر حسب درصد وزنی است) ]26[.
عناصر آلیاژی فولاد زنگ‌نزن
316 ال
آلیاژ کبالت- کرُم- مولیبدن (ریختگری، کارشده و متالوژی‌پودر) آلیاژ کبالت- کرُم- مولیبدن (MP35N) آلیاژ تیتانیم- آلومینیم- وانادیم ( ریختگی، کارشده)
آلومینیم
-
-
-
6
کربن 02/0 27/0 01/0 02/0
کبالت - بقیه بقیه -
کروم 5/17 28 20 2/0
مس 2/0 - - -
آهن بقیه 5/0 2/0 2/0
هیدروژن - - - 005/0
منگنز 8/1 5/0 05/0 -
مولیبدن 6/2 1/6 5/9 -
نیتروژن - 1/0 - 015/0
نیکل 5/13 3/0 35 -
اکسیژن - 015/0 - 15/0
فسفر 02/0 010/0 003/0 -
گوگرد 006/0 015/0 003/0 -
سیلیسیم 65/0 75/0 05/0 05/0
تیتانیوم 02/0 - 83/0 بقیه
وانادیم - - - 3/4
جدول 3-2
خواص مکانیکی آلیاژهای مصرفی برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران کامل ]26[.
آلیاژ استحکام تسلیم 2/0درصد
(مگا پاسکال) استحکام کششی نهایی
(مگا پاسکال) ازدیاد طول (درصد) ضریب کشسانی (گیگا پاسکال) استحکام خستگی یا دوام در 107 چرخه (مگا پاسکال)
آلومینیم - - - 6
کربن 02/0 27/0 01/0 02/0
کبالت - بقیه بقیه -
کروم 5/17 28 20 2/0
مس 2/0 - - -
آهن بقیه 5/0 2/0 2/0
هیدروژن - - - 005/0
منگنز 8/1 5/0 05/0 -
مولیبدن 6/2 1/6 5/9 -
نیتروژن - 1/0 - 015/0
نیکل 5/13 3/0 35 -
اکسیژن - 015/0 - 15/0
فسفر 02/0 010/0 003/0 -
گوگرد 006/0 015/0 003/0 -
سیلیسیم 65/0 75/0 05/0 05/0
تیتانیوم 02/0 - 83/0 بقیه
وانادیم - - - 3/4
3-2 فولاد زنگ‌نزن
فولاد زنگ‌نزن آلیاژی از آهن و چند عنصر آلیاژی است که در برابر خوردگی مقاوم می باشد. این آلیاژ در خلال جنگ جهانی اول و بطور اتفاقی در انگلستان کشف شد. شناسایی آلیاژ مذکور توسط بری یرلی که متالورژیستی از شفیلد بود، صورت گرفت. شمشی از آلیاژ مورد بحث که مرجوع شده بود، به مدت چند ماه در فضای باز محل کار جا مانده بود و متعاقب آن، مشاهده شد که شمش در هوای مرطوب هیچ‌گونه زنگ‌زدگی ژیدا نکرد. برداشت اولیه این بود که عدم خوردگی و زنگ‌زدگی شمش به دلیل وجود مقدار زیادی کرُم در آن بوده است.
ویژگی های آلیاژ و نیز توانایی آن از نظر مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدن، شناسایی و مشخص گردید و در سال 1917، ثبت امتیاز انحصاری آن به انجام رسید. اضافه کردن عنصر کرُم به فولاد کربنی، مقاومت خوردگی آلیاژ را از طریق تشکیل یک پوشش سطحی محافظ از اکسید کرُم و کسب مقاومت در برابر خوردگی، ضروری است که حداقل مقدار کرُم در آلیاژ به میزان 11 درصد باشد. فقط تحت چنین شرایطی است که فولاد حاصل با نام فولاد زنگ‌نزن شناخته می شود ]23[.
فولاد های زنگ نزن
در این فایل pdf اثر مکانیزم گردنبندی در تحولات دینامیکی فولاد زنگ نزن 316 در حین تغییر فرم گرم مورد بررسی قرار گرفته است