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 медицин
ских инструментов, их номенклатура и классификация.

Предназначено для обучающихся по направлению 12.03.04 «Биотехни
ческие 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, сравни
тельные 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 ко
личестве 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, медицинские имплантаты. К числу инструментов длительного контакта относятся имплантаты, или по классификации, принятой в России, инструменты для травматологии и ортопедии, в том числе для остеосинтеза 
(соединения костей). В связи с появлением новых методик оперативных вмешательств номенклатура медицинских инструментов постоянно расширяется, а устаревшие инструменты снимаются с производства Комиссией по новой медицинской технике Минздрава России.

Медицинские инструменты эксплуатируются в особых условиях 

и разрушаются под воздействием механических напряжений в коррозионно-активных средах (средах живого организма и средах, используемых для бактерицидной обработки). Рабочие элементы мединструментов нагружены до предельных значений прочности самых высокопрочных металлических сплавов, поэтому увеличение их срока службы 
(упрочнение) за счет использования износостойких, сверхтвердых материалов остается актуальной проблемой современной науки и технологии.

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 материалов. 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 инструментов.

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 теплои электропроводностью, пластичностью и способностью свариваться. 
Все металлы, за исключением ртути, при обыкновенной температуре 
являются твердыми веществами с характерным металлическим блеском. Большинство металлов имеет цвет от темно-серого до серебристобелого. Обычно в технике железо и его сплавы называют черными металлами, 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 высо
копрочные, коррозионно-стойкие стали и сплавы либо некоррозионностойкие сплавы с защитными покрытиями.

1.1.1. Свойства металлов

Металлы характеризуются механическими, физическими, хими
ческими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Механические свойства характеризуют способность материалов 

сопротивляться действию внешних сил. К механическим свойствам относятся: прочность, ударная вязкость, твердость, упругость, пластичность, хрупкость. Характеристики механических свойств являются 
главными при расчетах на прочность деталей и сборочных единиц машин 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 материала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах 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 поперечного 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 после снятия нагрузки).

При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляю
щая собой зависимость напряжения от деформации. На рис.1б приведена 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 материалов), то определяют условный предел текучести σ0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (или временное сопротивление) σв – это напря
жение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец 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 начальному сечению образца:

Ψ=((F0−Fk)/F0)∙100, %,

где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность 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 алмазного конуса с углом при вершине 120 °С (шкалы А и С). Вдавливание 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 площади 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 наносит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам относят цвет, блеск, плотность, моле
кулярную массу, температуру плавления и кристаллизации, электропроводность, тепловое расширение, теплопроводность, магнитные 
свойства. Физические свойства учитывают преимущественно при подборе 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 метал
лов 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 спла
вов образовывать отливки без дефектов. Хорошими литейными свойствами обладают свинец, олово, серые чугуны и бронзы.

Способность металлов и сплавов подвергаться обработке давле
нием 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 термоупрочнения 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 неразъ
емные соединения посредством расплавленного присадочного материала – припоя, температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых металлов.

Способность металла к обработке резанием определяют шерохо
ватостью 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 ма
териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

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 веществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом – в строго 
определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое 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 ячейкой. На рис. 1.2 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток. В кубической объемно центрированной решетке (рис. 1.2а) атомы расположены в узлах ячейки и 
один атом – в центре куба. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден и др. В кубической гранецентрированной решетке (рис. 1.2б) 
атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. В гексагональной 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, которые показывают изменение температуры t во времени τ (рис. 1.3).