Материаловедение в производстве медицинских инструментов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕДИЦИНСКИХ 

ИНСТРУМЕНТОВ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 615.47:620.22(075)
ББК 34.7:30.3я7

М34

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р мед. наук, проф. С. С. Ксембаев

канд. техн. наук В. Д. Щербаков

М34

Авторы: И. Н. Мусин, М. М. Миронов, С. Н. Иванова, 
М. М. Гребенщикова
Материаловедение в производстве медицинских инструментов : 
учебное пособие / И. Н. Мусин [и др.]; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 120 с.

ISBN 978-5-7882-2723-8

Рассматриваются материалы, используемые для производства медицинских 
инструментов, их номенклатура и классификация.

Предназначено для обучающихся по направлению 12.03.04 «Биотехнические 
системы и технологии», профиль «Инженерное дело в медико-биологической 
практике» и направления 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии», 
программа «Медико-биологические аппараты, системы и комплексы».


Подготовлено на кафедре медицинской инженерии.

ISBN 978-5-7882-2723-8
© Мусин И. Н., Миронов М. М., Иванова С. Н.,

Гребенщикова М. М., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 615.47:620.22(075)
ББК 34.7:30.3я7

В В Е Д Е Н И Е

В пособии рассмотрены физико-химические свойства, сравнительные 
характеристики и области применения материалов для современной 
медицины. Учебное пособие предназначено для студентов, 
обучающихся по программам высшего профессионального образования, 
а также для занимающихся проблемой разработки медицинских 
инструментов, изделий медицинской техники.

Наравне с классическими инструментами, производимыми в количестве 
от сотен до миллионов штук в год, освоены и выпускаются 
инструменты для микрохирургии, инструменты, использующие энергию 
ультразвука и лазерного излучения, эндоскопы. К медицинским 
инструментам по международным классификациям (ИСО) относятся 
хирургические и стоматологические инструменты, шприцы, медицин-
ские имплантаты. К числу инструментов длительного контакта отно-
сятся имплантаты, или по классификации, принятой в России, инстру-
менты для травматологии и ортопедии, в том числе для остеосинтеза 
(соединения костей). В связи с появлением новых методик оператив-
ных вмешательств номенклатура медицинских инструментов посто-
янно расширяется, а устаревшие инструменты снимаются с производ-
ства Комиссией по новой медицинской технике Минздрава России.

Медицинские инструменты эксплуатируются в особых условиях 

и разрушаются под воздействием механических напряжений в корро-
зионно-активных средах (средах живого организма и средах, использу-
емых для бактерицидной обработки). Рабочие элементы мединстру-
ментов нагружены до предельных значений прочности самых высоко-
прочных металлических сплавов, поэтому увеличение их срока службы 
(упрочнение) за счет использования износостойких, сверхтвердых ма-
териалов остается актуальной проблемой современной науки и техно-
логии.

Г л а в а 1

О С Н О В Ы  М А Т Е Р И А Л О В Е Д Е Н И Я  

И Н О М Е Н К Л А Т У Р А  С П Л А В О В

Материаловедение – наука, основная задача которой состоит 

в изучении связи между составом, структурой и свойствами материа-
лов. Изменяя их химический состав и применяя внешние воздействия 
(тепловое, химическое, пластическое деформирование и др.), можно не 
только улучшать свойства уже имеющихся материалов, но и создавать 
принципиально новые материалы с требуемыми свойствами.

Металловедение – раздел материаловедения, изучающий связи 

между составом, структурой и свойствами металлов.

В дальнейшем будем рассматривать в основном металлы и кон-

кретные материалы, используемые для изготовления медицинских ин-
струментов.

1 . 1 . О Б Щ И Е  С В Е Д Е Н И Я  О  М Е Т А Л Л А Х  И  С П Л А В А Х

Металлами называются химические элементы, которые отлича-

ются характерным металлическим блеском, обладают хорошей тепло-
и электропроводностью, пластичностью и способностью свариваться. 
Все металлы, за исключением ртути, при обыкновенной температуре 
являются твердыми веществами с характерным металлическим блес-
ком. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристо-
белого. Обычно в технике железо и его сплавы называют черными ме-
таллами, а остальные – цветными.

К черным металлам относят железо и сплавы на его основе. Они 

имеют темно-серый цвет, высокую плотность и температуру плавления, 
относительно высокую твердость. К цветным металлам относят
практически все остальные металлы. Они обладают большой пластичностью, 
малой твердостью, различной температурой плавления.

В большинстве отраслей народного хозяйства чаще используют 

металлические сплавы – стали, чугуны, латуни, бронзы, дюралюминий, 
и др. Образуются они в результате кристаллизации (перехода металла 
из жидкого состояния в твердое) двух или нескольких металлов или металлов 
с небольшим содержанием неметаллов. Например, при 

сплавлении железа с углеродом образуется чугун, сталь; меди с цинком – 
латунь.

Для изготовления медицинского инструмента используют высокопрочные, 
коррозионно-стойкие стали и сплавы либо некоррозионно-
стойкие сплавы с защитными покрытиями.

1.1.1. Свойства металлов

Металлы характеризуются механическими, физическими, химическими, 
технологическими и эксплуатационными свойствами.

Механические свойства характеризуют способность материалов 

сопротивляться действию внешних сил. К механическим свойствам от-
носятся: прочность, ударная вязкость, твердость, упругость, пластич-
ность, хрупкость. Характеристики механических свойств являются 
главными при расчетах на прочность деталей и сборочных единиц ма-
шин и механизмов, инструмента, технологического оборудования, 
а также металлоконструкций, несущих значительные механические 
нагрузки.

Прочность – это способность материалов сопротивляться разру-

шающему воздействию внешних сил.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедре-

нию в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз-

рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость – это свойство материалов восстанавливать первона-

чальные размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять 

свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при 
этом.

Хрупкость – это свойство материалов разрушаться под дей-

ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели-

чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость матери-
ала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образ-
цах с определенным соотношением между длиной l0 и диаметром d0.
Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1.1а) 
до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и 

деформацию. Напряжение σ – это отношение силы Р к площади попе-
речного сечения F:

σ =P/F, МПа.

Деформация характеризует изменение размеров образца под 

действием нагрузки:

ε = ((l–l0)/ l0)∙100, %,

где l0 – длина растянутого образца. Деформация может быть упругой 
(исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся по-
сле снятия нагрузки).

При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляю-

щая собой зависимость напряжения от деформации. На рис.1б приве-
дена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения 
испытаний определяются следующие характеристики механических 
свойств.

Предел упругости σ – это максимальное напряжение при котором 

в образце не возникают пластические деформации.

Рис. 1.1. Статические испытания на растяжение: 
а – схема испытания; б – диаграмма растяжения

Предел текучести στ – это напряжение, соответствующее пло-

щадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1.1). Если на 

диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких ма-
териалов), то определяют условный предел текучести σ0,2 – напряже-
ние, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (или временное сопротивление) σв – это напря-

жение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает об-
разец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ – отношение прира-

щения длины образца при растяжении к начальной длине l0:

δ =((lk−l0)/lo)∙100, %,

где lk – длина образца после разрыва.

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень-

шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь-
ному сечению образца:

Ψ=((F0−Fk)/F0)∙100, %,

где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Отно-
сительное удлинение и относительное сужение характеризуют пла-
стичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе-

мый образец твердого наконечника различной формы.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла 

стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. 
После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердости 
по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на 
шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец 

закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или ал-
мазного конуса с углом при вершине 120 °С (шкалы А и С). Вдавлива-
ние производится под действием двух нагрузок – предварительной,
равной 100 Н, и окончательной, равной 600, 1000, 1500 Н для шкал А, 
В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC 
определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех-

гранной пирамиды с углом при вершине 136 °С. Число твердости по 
Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к пло-
щади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на раз-

рушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения:

KC=A/F, F – Дж/м2.

Испытания проводятся ударом специального маятникового ко-

пра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, 
устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы нано-
сит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам относят цвет, блеск, плотность, моле-

кулярную массу, температуру плавления и кристаллизации, электро-
проводность, тепловое расширение, теплопроводность, магнитные 
свойства. Физические свойства учитывают преимущественно при под-
боре материалов для изготовления деталей аппаратуры и приборов 
в теплотехнике, электро- и радиотехнике, электронике.

К химическим свойствам относят коррозионную стойкость, жа-

ростойкость (окалиностойкость), растворимость. 

Коррозионная стойкость – свойство металлов не разрушаться под 

действием различных агрессивных сред (кислот, щелочей, солей, газов, 
воды, стерилизующих средств и сред живого организма).

Жаростойкость (окалиностойкость) – стойкость металлов и спла-

вов к коррозии в воздушных, агрессивных газовых средах при высоких 
температурах (выше 500 °С).

Растворимость – способность некоторых металлов и сплавов рас-

творятся в электролите при пропускании через него постоянного электрического 
тока.

Технологические свойства свидетельствуют о поведении металлов 
и сплавов во время различных технологических процессов, например 
литья, обработки металлов давлением, термической и механической 
обработки, сварки, пайки и резки.

Литейные свойства характеризуют способность металлов и сплавов 
образовывать отливки без дефектов. Хорошими литейными свойствами 
обладают свинец, олово, серые чугуны и бронзы.

Способность металлов и сплавов подвергаться обработке давлением 
оценивают по сохранению заготовкой заданной формы после прекращения 
действия внешних сил без нарушения ее сплошности. Это 
свойство присуще таким высокопластичным металлам и сплавам, как 
свинец, медь, алюминий, золото, серебро, низкоуглеродистые стали, 
алюминиевые сплавы.

Упрочняемость – способность металлов и сплавов приобретать 

более высокую прочность после термической, химико-термической, 
механической обработки или приобретать повышенную поверхностную 
микротвердость после нанесения покрытия или локального термо-
упрочнения и легирования.

Свариваемость – способность металлов образовывать сварное 

соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. 
Качество сварки оценивают сравнением свойств сварных соединений 
со свойствами основного металла или сплава.

Паяемость – свойство металлов и сплавов образовывать неразъемные 
соединения посредством расплавленного присадочного материала – 
припоя, температура плавления которого ниже температуры плавления 
соединяемых металлов.

Способность металла к обработке резанием определяют шероховатостью 
обработанной поверхности и точностью полученных при 
этом размеров, стойкостью инструмента, видом стружкообразования. 
На практике это свойство оценивают сравнением после обтачивания 
испытуемых образцов с эталоном.

Знание технологических свойств позволяет обоснованно делать 

выбор материала при проектировании изделий, а также рационального 
способа получения их с наилучшими для данного металла или сплава 
эксплуатационными (рабочими) свойствами.

Жаростойкость характеризует способность металлического материала 
сопротивляться окислению в газовой среде при высокой тем-
пературе.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять 

механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость – это способность материала сопротивляться 

разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала 

сопротивляться действию ядерного облучения.

1.1.2. Строение металлов

В технике под металлами понимают вещества, обладающие ком-

плексом металлических свойств: характерным металлическим блеском, 

высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой 
пластичностью.

Кристаллические решетки. Все вещества в твердом состоянии 

могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном ве-
ществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом – в строго 
определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют кри-
сталлическое строение.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются 

понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это 
воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены 
атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая 
структуру металла, называется элементарной кристаллической ячей-
кой. На рис. 1.2 изображены элементарные ячейки для наиболее рас-
пространенных кристаллических решеток. В кубической объемно цен-
трированной решетке (рис. 1.2а) атомы расположены в узлах ячейки и 
один атом – в центре куба. Такую решетку имеют хром, вольфрам, мо-
либден и др. В кубической гранецентрированной решетке (рис. 1.2б) 
атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту ре-
шетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. В гексаго-
нальной плотноупакованной решетке (рис. 1.2в) атомы расположены 
в вершинах и центрах оснований шестигранной призмы и три атома –
в середине призмы. Такой тип решетки характерен для магния, цинка и 
некоторых других металлов.

Рис. 1.2. Основные виды кристаллических решеток

Кристаллизация металлов. Процесс образования в металлах 

кристаллической решетки называется кристаллизацией. Для изучения 
процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, кото-
рые показывают изменение температуры t во времени τ (рис. 1.3).