The analysis of the influence of stress distribution on wear profile in lubricated sliding contact of UHMW-PE vs titanium Ti-13Nb-13Zr alloy

Metal – polymer sliding contacts are a typical combination in industry and medicine. For decades such a set of materials has been the primary choice in human joints endoprosthetic technology. In this paper tribological issues of are presented from a research on the potential for practical use of Ti-13Nb-13Zr/UHMW-PE couple for orthopedic endoprosthesis. In tests on simplified models it is critically important to carefully select geometry of contact, load and velocity magnitudes and profiles to the later interpretation of results. In case of organic polymers interacting with metallic components the problem is even more prominent, than in the case of all metal systems because of great differences in the modulus of elasticity between the specimens in contact. High local loading can cause excessive heat generation and accelerated loss in polymer’s strength induced by thermal plastification. The process may not be manifested in the course of the experiment in any way detectable and might compromise the accuracy of wear measurement. In the case of the presented research an analysis has been performed to evaluate the observed wear profile of UHMW-PE with respect to non-uniform distribution of contact stress. A simulation was run with the use of FEM to evaluate the contact conditions between the titanium alloy and UHMW-PE specimens and the results were confronted with the wear profiles. Interesting similarities were discovered yielding useful information on the fundamentals of the wear in and for future research on similar systems.

Skojarzenia ślizgowe metalowo-polimerowe są często spotykane w zastosowaniach przemysłowych i medycznych. Od długiego czasu są najczęściej wybierane w technice protez ortopedycznych. W artykule przedstawiono wybrane problemy tribologiczne spotykane w skojarzeniach stopu tytanu Ti-13Nb-13Zr oraz polietylenu UHMW-PE. W przypadku badań na modelach uproszczonych bardzo ważną kwestią jest właściwy dobór geometrii styku, wartości obciążenia i prędkości ślizgania oraz przebiegu zmian tych parametrów wymuszenia. Późniejsza interpretacja wyników i ich przydatność do zastosowań praktycznych jest ściśle związana z tak rozumianym przygotowaniem doświadczenia. W przypadku skojarzeń materiałów polimerowych z metalowymi ważnym czynnikiem wpływającym na skutki tarcia jest różnica w wartościach modułów sprężystości tych dwóch grup materiałów. Duże lokalne obciążenia mogą np. prowadzić do miejscowego przegrzewania powierzchni polimeru i plastyfikacji, co może zmniejszyć wartość uzyskanych wyników. W pracy przedstawiono analizę profilu zużycia próbek UHMW-PE w zależności od rozkładu nacisków powierzchniowych. Zastosowano symulacje z wykorzystaniem MES w celu analizy czynników wpływających na warunki kontaktu próbek ze stopu tytanu i polietylenu UHMW. Uzyskane wyniki symulacji znajdują potwierdzenie w zarejestrowanych doświadczalnie profilach zużycia próbek polimerowych. Zaobserwowano zależność rozkładu nacisków od warunków podparcia i naprężeń montażowych działających na próbkę.