Biotribologia Powtórka dr inż. Piotr Kowalewski Instytut Konstrukcjii EksploatacjiMaszyn, Zakład PodstawKonstrukcjiMaszynI Tribologii Czym jest tribologia? Tribologia (trybologia) jest nauką o tarciu i procesach towarzyszących tarciu. Nazwa wywodzi się od greckich słów tribos-tarcie, logos-nauka. Tribologia zajmuje się opisem zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych itp.), chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia. Tribotechnika zajmuje się omówieniem technicznych zastosowań tribologii. 1
Podział węzłów tarcia Z. Lawrowski Modele rodzajów tarcia M. Hebda, A. Wachal a) tarcie wewnętrzne, b) tarcie zewnętrzne, c) tarcie płynne, d) tarcie graniczne, e) tarcie suche 2
Teorie tarcia suchego Mechaniczne teorie tarcia: - Leonardo Da Vinci, - Amontos, - Coulomb. Teorie tarcia suchego Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której pojawiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych. 3
Teorie tarcia suchego Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada, że w wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił pomiędzy powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach tarcia. Teorie tarcia suchego Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949, 1957, 1965). Teoria ta próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się również pod uwagę rzeczywistą powierzchnię styku. 4
Teorie tarcia suchego Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927, Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne a także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Pracę sił tarcia można określić zatem sumą składowych energetycznych. Według Kosteckiego praca tarcia zewnętrznego składa się z energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej. Tarcie ślizgowe Tarcie ślizgowe (tarcie suwne) - tarcie występujące na styku dwóch ciał stałych (jest tarciem zewnętrznym), gdy ciała przesuwają się względem siebie lub gdy ciała spoczywają względem siebie, a istnieje siła dążąca do przesunięcia ciał. S. Nosal 5
Tarcie toczne Tarcie toczne (opór toczenia) - opór ruchu występujący przy toczeniu jednego ciała po drugim. Występuje np. pomiędzy elementami łożyska tocznego, między oponą a nawierzchnią drogi. Tarcie toczne występuje na granicy dwóch ciał i dlatego jest sklasyfikowane jako tarcie zewnętrzne. S. Nosal Tarcie toczne S. Nosal 6
Tarcie toczne S. Nosal Tarcie toczno-ślizgowe Skoncentrowany charakter styku w przypadku materiałów polimerowych ma znaczenie na opory tarcia. Duże opory tarcia dla materiałów sztywnych mogą być efektem procesu odkształcania polimeru w skali makro (składowa deformacyjna F d ). Zmniejszenie powierzchni styku spowodowane retardacją materiału polimerowego może powodować zmniejszenie oporów tarcia. 14 7
Tarcie statyczne Tarcie statyczne (spoczynkowe) - tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy dwa stykające się ciała są względem siebie w spoczynku. Tarcie kinetyczne (ruchowe) - tarcie występujące w skojarzeniu trącym podczas względnego przemieszania się dwóch różnych ciał, jako tzw. tarcie zewnętrzne lub różnych części jednego ciała, jako tzw. tarcie wewnętrzne. S. Nosal Tarcie stick-slip 8
Rodzaje tarcia A- tarcie suche; B - tarcie graniczne; C - tarcie półsuche; D - tarcie płynne 1 -środek smarny, 2 - film smarny Tarcie suche Tarcie suche tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie nie są rozdzielone całkowicie lub częściowo środkiem smarnym. Tarcie suche jest opisane prawami, dla których wyjaśnienie jest ujmowane następującymi teoriami: Tomilsona tarcie jest rezultatem wzajemnego oddziaływania sił międzycząsteczkowych, jakie występują na trących się powierzchniach; Dieragina tarcie jest wynikiem pokonywania nierówności na powierzchniach trących ciał; Kragielskiego tarcie jest wynikiem odkształcania materiału (spęcznianie spotęgowane powstawaniem fal odkształceniowych) w pobliżu powierzchni; Bowdena-Tabora tarcie jest spowodowane powstawaniem i zrywaniem mikrospoin, występujących w punktach styku mikronierówności. 9
Tarcie suche adhezja Adhezja (łac. adhaesio przyleganie) łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych). Adhezji nie należy mylić z kohezją, gdyż kohezja jest zjawiskiem związanym z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi występującymi wewnątrz ciała, podczas gdy adhezja dotyczy oddziaływań powierzchniowych. Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni, którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała. Wikipedia Tarcie suche stan powierzchni Każda powierzchnia posiada pewne nierówności chropowatość, falistość. Charakterystyka nierówności powierzchni: s/h > 1000 odchyłka kształtu, 50 < s/h < 1000 falistość, 5 < s/h< 50 - chropowatość S. Nosal 10
Tarcie suche S. Nosal Tarcie suche R t Wytrzymałość na ścinanie połączeń tarciowych R e Granica plastyczności warstwy wierzchniej Mały współczynnika tarcia mają materiały które charakteryzują się małą wytrzymałością na ścinanie i dużą twardością. PTFE, grafit, MoS 2 11
Tarcie suche Model Bowdena do obliczania i interpretacji siły tarcia suchego Rodzaje styku Skojarzenia trące są klasyfikowane na wiele sposobów. Podstawowa klasyfikacja, jest oparta o tzw. geometrię styku, wyróżnia się: styk punktowy, styk liniowy, styk powierzchniowy. Od rodzaju styku zależą naciski jednostkowe. Przy jednakowej sile oddziaływującej prostopadle na dwa współpracujące elementy, największe siły jednostkowe występują w styku punktowym, a najmniejsze w styku powierzchniowym. W praktyce eksploatacyjnej zawsze występuje styk powierzchniowy punkt ma określony promień, a linia określoną grubość. 12
Wpływ chropowatości powierzchni Chropowatość powierzchni w dużym stopniu określa rzeczywistą powierzchnię styku. Można przyjąć. że całkowita wartość sił przyciągania adhezyjnego i oporu tarcia rośnie proporcjonalnie do rzeczywistej powierzchni styku, a więc ze zmniejszaniem się chropowatości rosną oddziaływanie adhezyjne, a co za tym idzie - opór tarcia, spowodowane tymi siłami Wpływ chropowatości powierzchni Przyczyną wzrostu oporów tarcia przy dużych chropowatościach powierzchni są zjawiska dekohezyjne związane z rysowaniem, bruzdowaniem i mikroskrawaniem powierzchni ślizgowej materiału. Powoduje to wzrost oporów tarcia i gwałtowny wzrost zużycia, w którym zasadniczy udział ma zużycie ścierne. Wpływ chropowatości R a stalowego elementu wartości współczynnika tarcia µ Dla każdej pary trącej można określić optymalną wartość chropowatości powierzchni, przy której opory tarcia będą małe a jednocześnie odporność na zużycie współpracującej pary ślizgowej jak największa. 13
Tarcie płynne Tarcie płynne tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego są całkowicie rozdzielone przezśrodek smarny Tarcie płynne niekiedy jest utożsamiane z tarciem wewnętrznym, występującym w obrębie płynu (gazu lub cieczy) i przeciwdziałającym wzajemnemu przemieszczaniu się warstw płynu. Modele tarcia płynnego Furey M. J. 14
Smarowanie hydrostatyczne (HS) Smarowanie hydrostatyczne polega na wytworzeniu w skojarzeniu trącym, przy użyciu urządzeń zewnętrznych (np. pomp), ciśnienia środka smarnego, które rozdzieli obie smarowane powierzchnie w taki sposób, że między nimi będzie występować tarcie płynne. Zasadę smarowania hydrostatycznego, na przykładzie smarowania poprzecznego łożyska ślizgowego. Tarcie elastohydrodynamiczne (EHD) W odpowiednio ukształtowanym skojarzeniu trącym powstaje wysokie ciśnienie, wskutek tego lepkość środka smarnego zwiększa się, a powierzchnie trące odkształcają się sprężyście (tzw. kontakt Hertza). Jest to powodem rozdzielenia smarowanych powierzchni skojarzenia trącego. 15
Tarcie elastohydrodynamiczne (EHD) Model warstwy przy tarciu płynnym: a) uproszczony model warstwy powstającej podczas smarowania płynnego, b) b) porównanie warstwy oddzielającej powierzchnie podczas smarowania płynnego i elastohydrodynamicznego: 1. warstwa ochronna lub graniczna, 2. ciecz smarna, 3. ciało sprężyste, 4. ciało stałe * * - ciało stałe o pomijalnym odkształceniu w zakresie stosowanych obciążeń Tarcie graniczne Tarcie graniczne tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego są częściowo oddzielone od siebie środkiem smarnym, a stykają się ze sobą tylko nierównościami. 16
Przejście z tarcia płynnego w tarcie mieszane Wykres Stribecka przedstawia zależność współczynnika tarcia µ od prędkości obwodowej lub zmiennej nazywanej liczbą Hersey a [He]. Środki smarne Środek smarny, smar substancja wprowadzona pomiędzy dwie współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego, w celu zmniejszenia oporów tarcia. Jako środki smarne są stosowane: gazy, ciecze: oleje smarne, emulsje chłodząco-smarujące, substancje o konsystencji żelu, np. smary plastyczne, substancje stałe: grafit, dwusiarczek molibdenu, azotek boru itp., a także niektóre metale (np. miedź, złoto). 17
Własności reologiczne cieczy smarujących Lepkość olejów zależna jest od temperatury i ciśnienia Bio-węzeł tarcia Węzły tarcia są podstawowymi systemami tribologicznymi w maszynach i urządzeniach. Węzły tarcia decydują o trwałości i niezawodności urządzeń. O jakości węzłów tarcia decydują czynniki materiałowe, konstrukcyjne, technologiczne oraz eksploatacyjne. Bio-węzeł tarcia system tribologiczny występujący w organizmach żywych. 18
Obszary tarcia występującego w organizmie żywym staw biodrowy, jama ustna. staw kolanowy skóra (uchwyt), zębodoły stawy maziowe, tarcie zębów stawy maziowe, tarcie zębów ciecz synowialna, krew Z. Lawrowski Stawy synowialne Stawy synowialne (maziowe, wolne) są najbardziej ruchomym połączeniem pomiędzy kośćmi. Stałe składowe stawu: chrząstka stawowa pokrywająca powierzchnie stawowe torebka stawowa składająca się z warstwy zewnętrznej włóknistej i warstwy wewnętrznej maziowej, która wydziela lepką substancję zwaną mazią stawową, jama stawowa Niestałe składowe stawu: więzadła stawowe zbudowane z tkanki łącznej włóknistej obrąbek stawowy - wał chrząstki włóknistej,np. w stawie barkowym powoduje pogłębienie panewki, chroni główkę przed uderzeniem krążki stawowe zbudowane z chrząstki włóknistej łąkotki stawowe kaletki maziowe 19
Rodzaje stawów synowialnych Ze względu na budowę stawy można podzielić na: staw maziówkowy staw łąkotkowy staw z krążkiem stawowym Kaletka maziowa rodzaj wytworu błony maziowej, mający postać zbudowanego z tkanki łącznej worka o pęcherzykowatym kształcie. Łąkotka- elastyczna, zbudowana z tkanki chrzęstnej włóknistej (staw kolanowy) Krążek stawowy - zbudowany ze zbitej tkanki łącznej włóknistej, dopasowuje powierzchnie stawowe, dzieli jamę stawową na dwie komory (staw mostkowoobojczykowy). Ruchy występujące w stawach ślizganie - jedna powierzchnia stawowa dotyka stale tą samą częścią nowych części drugiej powierzchni (np. stawy nadgarstka), toczenie - nowe części jednej powierzchni stawowej dotykają nowych części drugiej powierzchni (np. staw kolanowy), obracanie - dwie powierzchnie stawowe o kształcie wycinków kuli przylegają do siebie w jednym punkcie i w tym miejscu jedna kość obraca się na drugiej (np. staw ramieniowo-promieniowy). 20
Chrząstka stawowa - budowa Chrząstka stawowa Schematyczne przedstawienie budowy substancji podstawowej chrząstki stawowej Holam Substancja podstawowa spełnia rolę wypełniacza, współtworzy strukturę nadając jej mechaniczne właściwości. Ponadto jest ona środowiskiem, poprzez które odbywa się transport substancji odżywiających komórki chrzęstne. 21
Ciecz synowialna Substancją smarującą w stawach jest ciecz synowialna zwana również mazią (synowią). Poza funkcjami smarowniczymi ciecz synowialna pełni również funkcje odżywcze chrząstki stawowej. R. Będzińki Ciecz synowialna Ciecz synowialna posiada właściwości cieczy nienewtonowskiej o dużej lepkości. Zmiany lepkości cieczy synowialnej wraz z prędkością ścinania oraz ciśnienia są jej cechą charakterystyczną. J.R. Dąbrowski i inni. K. Wierzcholski, R. Nowowiejski, S. Pytko 22
Tarcie i zużywanie stawów Proces tarcia i zużycia stawów uzależniony jest: fizjologii stawu oraz organizmu, biomechanicznych i tribologicznych własności chrząstek stawowych oraz cieczy synowialnej kształtu i ślizgających się powierzchni (w skali makro i mikro) stopnia aktywności ruchowej organizmu, obciążeń (m.in. ciężaru ciała), obecności cieczy synowialej w stawie, jej ilości, własności. Tarcie i zużywanie stawów W stawach naturalnych może dochodzić do trzech podstawowych rodzajów tarcia: - Tarcia płynnego (smarowanie hydrodynamiczne, bioelastohydrodynamiczne) - Tarcia mieszanego - Tarcia granicznego ze względu na budowę tkanek tarce suche praktycznie nie występuje 23
Smarowanie bioelastohydrodynamiczne W naturalnym stawie dochodzi do odkształcania chrząstki pod wpływem wysokiego ciśnienia cieczy synowialnej podczas tarcia. K. Wierzcholski Tarcie graniczne i mieszane w stawach zjawisko powstawania mikroklinów związanych z oddziaływaniem pojedynczych nierówności 24
Adsorbcja podczas tarcia w stawach W czasie obciążania stawu następuje wciskanie do chrząstki mniejszych molekuł z cieczy synowialnej, większe pozostają na powierzchni tworząc warstwę graniczną [K. Wierzcholski]. Zaburzenia tarcia (patologia) Przyczynami uszkodzeń stawów człowieka są[s. Pytko]: zmiany chorobowe, mechaniczne przeciążenia stawów. Z biotribologicznego punktu widzenia przyczyną rozpoczynającą niszczenie zarówno łożyska jak i stawu człowieka jest[m. Gierzyńka-Dolna]: brak mazi stawowej, deformacja kości stawu lub jej pęknięcie obszarowe zniszczenie chrząstki 25
Zaburzenia tarcia (patologia) Przyczyny uszkodzenia chrząstki: uraz mechaniczne uszkodzenie (np. stłuczenie lub skręcenie stawu kolanowego, stłuczenie lub zwichnięcie barku itd.) niestabilność stawu nieprawidłowa biomechanika stawu, nadmierne ścieranie powierzchni chrząstki. Niestabilność wynika z niewydolności więzadeł, uszkodzenie łąkotki lub jej brak po resekcji w wyniku skręcenia stawu kolanowego lub na tle zmian degeneracyjnych zwyrodnieniowych nieprawidłowa oś stawu, nieprawidłowa biomechanika stawu (np. kolano koślawe, kolano szpotawe) przeciążenie nadmierna aktywność fizyczna, zwłaszcza przez lata, prowadząca do zużycia chrząstki głównie u sportowców; nadmierna masa ciała prowadząca do nadmiernego nacisku na powierzchnie stawowe długie unieruchomienie stawu i zbyt mała aktywność ruchowa chrząstka, będąc tkanką nieukrwioną i nieunerwioną, odżywia się w ruchu, na zasadzie dyfuzji iniekcje dostawowe sterydów (tzw. blokady ) działają silnie przeciwzapalnie, ale powodują nieodwracalne zwłóknienie i blizny łącznotkankowe w zakresie chrząstki i otaczających struktur stawowych. schorzenia ogólnoustrojowe, np. reumatoidalne zapalenie stawów, dna moczanowa. Alloplastyka stawów - enoprotezoplastyka Alloplastyka, operacja wszczepienia do tkanki elementu z metalu, porcelany lub tworzywa sztucznego, mająca na celu usprawnienie działania chorego narządu 5 2 26
Tarcie w endoprotezach Tarcie występujące w endoprotezach zależy od: Materiałów trących Obciążenia (występujące naciski) Rodzaju ruchu (ślizganie, toczenie) Temperatury, odprowadzanie ciepła Warunków smarowania innych parametrów... 53 Skojarzenia materiałowe w węzłach tarcia endoprotez Metal(ceramika) -polimer Ti6Al4V 316L CoCrMo Ceramika (Al 2 O 3, ZrO 2 ) UHMW-PE 54 Metal (ceramika) metal (ceramika) Ti6Al4V 316L CoCrMo Ceramika (Al 2 O 3, ZrO 2 ) Ti6Al4V 316L Ceramika (Al 2 O 3, ZrO 2 ) 27
Współczynnik tarcia w endoprotezach 55 M. Gierzyńska-Dolna Endoprotezy styk skoncentrowany Kształty powierzchni styku elementów endoprotez stawu kolanowego A) styk powierzchniowy, B) Styk punktowy, C) Styk liniowy, D) Styk quasi-liniowy 56 Endoproteza saneczkowa z wkładką płaską i rozkład nacisków w strefie styku 28
Koncentracja naprężeń w węzłach trących endoprotez 57 S. Mischler PE-UHMW Polietylen o ultra wysokiej masie molowej PE 1000 (PE-UHMW) - ten typ PE zajmuje szczególne miejsce pośród polietylenów. Jego masa molowa jest 10 do 30 razy większy od standardowego polietylenu PE-HD. Jej mierzona wiskozymetrycznie wartość zawiera się w granicach od 3 mln do 10,5 mln g/mol 58 29
CH 2 CH 2 PE-UHMW Mer H H H H H H C C C C C C n H H H H H H Polietylen małej gęstości (wysokociśnieniowy) PE-LD Polietylen dużej gęstości (niskociśnieniowy) PE-HD 5 krótkich odgałęzień na 1000 atomów węgla Średni ciężar cząsteczkowy 60 000 3 000 000 Polietylen o ultra dużym ciężarze cząsteczkowym PE-UHMW Średni ciężar cząsteczkowy 3 000 000 12 000 000 59 PE-UHMW Łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie, Dobra odporność chemiczna Duża udarność PE-HD (bez karbu wg Charpy nie pęka) Przepuszcza tlen i azot, nie przepuszcza pary wodnej Posiada właściwości elektrostatyczne Nazwy handlowe Malen E, Petrolen (PE-LD) Petrochemia Płock S.A. Politen (PE-LD) Zakłady Tworzyw POLI-CHEM Blachownia Hostalen G (PE-HD) Elenac, Hostalen GUR (PE-UHMW) Vestolen A (PE-UHMW) Hüls AG (RFN) Lupolen (PE-HD) BASF Aktiengesellschaft (RFN), ENSINGER 60 30
Kształt łańcucha polimeru struktura globularna ( spaghetti ) Różne zagięcia, skręcenia i zawinięciałańcucha polimerowego prowadzą do rozległego jego splatania się (model spaghetti ). Takie zachowanie polimeru może wpływać na wiele jego właściwości fizycznych i cieplnych. PE-UHMW W przypadku węzłów tarcia stosowanych w endoprotezach stawu kolanowego kluczową rolę odgrywa mechanika ciała polimerowego. 62 Różnica pomiędzy modelem ciała sprężysto-plastycznego (S. Kurtza), a rzeczywistym charakterem zmian σ(ε) S. Kutz 31
PE-UHMW Modele ciał lepkosprężystych 63 Voigta-Kelvina, Maxwella D. Żuchowska Zużycie PE-UHMW 64 M. Gierzyńska-Dolna, 32
PE-UHMW Zależność zmiany wartości odkształcenia od czasu 65 P. Kowalewski, A. Litwin Zużycie PE-UHMW 66 S. Mischler 33
Zużycie PE-UHMW Na podstawie badań klinicznych oraz przeprowadzonych badań laboratoryjnych można wyróżnić następujące, typowe rodzaje niszczenia komponentów polimerowych: zużycie cierne objawiające się zmianą mikro- i makrogeometrii powierzchni, odkształcenia plastyczne ( w wyniku przekroczenia dopuszczalnych obciążeń endoprotezy stawu kolanowego) i pełzanie, zużycie zmęczeniowe typu pitting. zmiana składu chemicznego i barwy, zmiana struktury tworzywa, obluzowanie i pękanie. 67 Zużycie PE-UHMW Zużycie ścierne i deformacja plastyczna 68 34
Zużycie PE-UHMW Zużycie zmęczeniowe - pitting Degradacja chemiczna 69 Struktura fizyczna polimerów Modele polimerów krystalicznych struktura sferolityczna W znacznej części swojej objętości polimery krystalizują podczas stygnięcia fazy roztopionej tworzą często promieniowy wzór nazywany sferolitem. W ten sposób krystalizują m.in. PE, PP, PVC, PA, POM 35
Stopień krystaliczności PE-UHMW M. Gierzyńska-Dolna, J. Otfinowski, A. Pawelec 71 Mechanizm zużywania PE-UHMW S. Mischler 72 36
Sieciowanie PE-UHMW S. Mischler 73 Wpływ promieniowania jonizującego na PE-UHMW S. Mischler 74 37
Wpływ promieniowania jonizującego na PE-UHMW M. Gierzyńska-Dolna, J. Okrajni i inni. 75 PE-UHMW Zużycie wagowe polietylenu (PE-UHMW) w funkcji drogi tarcia dla materiału: niedeformowanego (o), wstępnie deformowanego pod naciskiem 4 MPa ( ), wstępnie deformowanego pod naciskiem 8 MPa ( ). 76 Materiał przeciwpróbki stal 316L, Ra=0,023, parametry ruchowe: p=4mpa, vs-125 mm/s. K. Lee, D. Pienkowski 38
Wpływ zużywania PE-UHMW Skutki zużywania polimeru Utrata stabilności Stany zapalne 77 Dziękuję za uwagę 39