1 BIOMATERIAIS ATRITO TRIBOLOGIA DESGASTE LUBRIFICAÇÂO Ex: Lubrificantes (2ªGuerra Mundial); temperaturas baixas, elevadas e radiações nucleares 1º autor.

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1 1 BIOMATERIAIS ATRITO TRIBOLOGIA DESGASTE LUBRIFICAÇÂO Ex: Lubrificantes (2ªGuerra Mundial); temperaturas baixas, elevadas e radiações nucleares 1º autor desenvolver conceitos de atrito = LEONARDO DA VINCI (1452-1519) AMONTONS (1699) retoma o assunto COULOMB (sec. XVIII)- experimental LEIS CLASSICAS DO ATRITO: 1) Fat proporcional a P (carga) = Fat=  P  LEI DE COULOMB 2)  independente da área de contacto aparente (não se aplica a viscoelásticos) 3)  estático>  cinético 4)  independente da velocidade de escorregamento (raramente se verifica)

2 2 Dois corpos em contacto: -sólido/sólido - sólido/fluido ou sólido/gás interações entre moléculas e átomos  forças que se opõem ao movimento = FORÇAS DE ATRITO ATRITO SÓLIDO/SÓLIDO ( depende de muitos factores): Ex: Rugosidade da superfície -superfícies lisas  menor atrito -superficies rugosas  maior atrito Qualquer superfície é rugosa à escala intermolecular   ÁREA DE CONTACTO REAL<ÁREA DE CONTACTO APARENTE (função da geometria) P Área aparente P Área real de contacto

3 3 Área de contacto aumenta com P P1 P2>P1 ATRITO ESTÁTICO Sólidos em repouso relativo e força de compressão P Qual a força necessária para mover um corpo em relação a outro? Força de atrito estático Fat=  0 P ;  0 = coeficiente de atrito estático (não intervem directamente a área de contacto) P Fat ATRITO CINÉTICO OU DE ESCORREGAMENTO Dois corpos em movimento relativo (Ex: pin-on disc) ou Fat=  P Fat cinético<Fat estático; Ex:    0 quando v  0 P Fat 00 v 

4 4 ATRITO DE ROLAMENTO ESFERA OU CILINDRO RODA SOBRE SUPERFÍCIE PLANA Fr = força de atrito D=diâmetro Fr=kP n /D m (k,n e m =ctes)   r =Fr/P (em geral  rolamento<  escorregamento) Fr P ATRITO RELACIONADO COM CONTACTO (Ex: contacto elástico – HERTZ) Mecanismos de atrito : ADESÃO – FORÇAS INTERMOLECULARES DEFORMAÇÃO – INTERPENETRAÇÂO DE ASPEREZAS Fat = F adesão + F deformação Superfícies muito lisas : efeito da deformação desprezável: só há adesão C/ lubrificante: elimina-se a adesão; só deformação

5 5 ATRITO DEPENDE DE MUITOS FACTORES: temperatura Velocidade Tensão Estado da superfície, etc…… Ex: velocidade em metais Velocidades elevadas  T aumenta  aquecimento da superfície – filme – lubrificação e  diminui (altas tensões)  v Baixa tensão Média tensão Alta tensão Lubrificação  diminuir as forças de atrito; formação de filme entre as superfícies desgaste também é reduzido Ex: metais puros :  =0.8 a 0.9 ; com lubrificação 0.001 a 0.01

6 6 DESGASTE = REMOÇÃO DE MATERIAL DE SUPERFÍCIES EM CONTACTO CLASSIFICAÇÃO ATRAVÉS DOS MODOS DE DESGASTE Escorregamento rolamento oscilação impacto erosão (fluido) Erosão por partículas erosão gotas erosão fluido erosão baixo ângulo Sólidas liquido (liquido ou gás) erosão de alto ângulo

7 7 CLASSIFICAÇÃO TIPOS DE DESGASTE SEGUNDO NORMA DIN 50320: ADESÃO ABRASÃO REACÇÃOFADIGA TRIBOQUÍMICA ADESÃO= Formação e quebra de ligações intermoleculares. Ex: metais- ligações metálicas, covalentes e de Van der Waals ABRASÃO= remoção de um material por arranque. Ex: partículas muito duras FADIGA= fadiga e formação de fendas na superfície sujeita a ciclos  separação do material Ex: carris de comboios REACÇÃO TRIBOQUÍMICA = formação de produtos de reacção devido à interacção tribológica Ex: reacção metal/ar  formação óxido  óxido desprende-se por acção tribológica  partículas  desgaste  mais óxido  mais partículas  mais desgaste FRETTING= REACÇÕES TRIBOQUÍMICAS+FENDAS POR FADIGA

8 8 Exemplos de aplicação 1. Efeito da composição do lubrificante no desgaste de componentes poliméricos dos acetábulos (Wang, et. al.) - acetábulas de UHMWPE e de PTFE - contra esferas de Co-Cr - diferentes lubrificantes: ácido hialurónico e soro de bovino - tipo de proteínas afecta o desgaste - se a concentração de proteínas aumenta  diminui a taxa de desgaste do UHMWPE  aumenta a taxa de desgaste do PTFE - aumentar ratio albumina/globulina  diminui a taxa de desgaste do UHMWPE e do PTFE

9 9 Exemplos de aplicação 2. Injecção de partículas de Polietileno junto a implantes para ver a sua migração Massin et al. - implantes de aço inox em animais (fémur e tíbias) - implantes com vários revestimentos (Ex: HA e PMMA) - injectam-se partículas de PE para observar a sua migração - verifica-se que as partículas migram para a interface do osso/implante e para dentro do osso  reacções de inflamação

10 10 Exemplos de aplicação 3. Desgaste de resinas dentárias - ensaios em solução neutra ou ácida - com ácido a taxa de desgaste é maior - há abrasão, fadiga e corrosão

11 11 - Ti puro tem baixa resistência ao desgaste - estudar ligas de Ti-Cu e Ti-Al-V - fazer dentes destas várias ligas - ensaios de desgaste entre dois dentes feitos por : - molde de molares - resina autopolimerizante - queima do molde e vazamento da liga - polimento com pó de alumina Exemplos de aplicação 4. Resistência ao desgaste de ligas Ti-Cu; Ohkubo et al, Biomaterials, 24 (2003) 3377

12 12 Ensaios de desgaste F=5kgf 50000 ciclos - medir peso inicial e final - volume perdido entre 0.55 e 1.89 mm 3

13 13 Exemplos de aplicação 5. Atrito e desgaste em próteses de ancas com vários lubrificantes; Gispert et al, Wear, (2005) - Fluido sinuvial: composto por ácido hialurónico (HA) e albumina - Ensaios de atrito e desgaste em máquina pin-on-disk - discos de UHMWPE - pinos de alumina, aço inox e liga Co-Cr-Mo lubrificantes: 1. HBSS- biological model fluid = Hank’s balanced salt solution 2. HBSS + HA (com ácido hialurónico (HA) ) 3. HBSS + BSA (com soro de bovino) 4. HBSS + BSA + HA

14 14 HBSS HBSS +HA

15 15 Efeito da carga aplicada

16 16 Aço,CoCrMo, alumina P=0.88MPa P=30 N P=67.5 N P=117.7 N Aço,CoCrMo, alumina P=0.88MPa Coeficiente de atrito função da distância Sempre díficil de explicar

17 17 Desgaste - SEM abrasão fissuras delaminação Polímero transferido polímeroaço