Fretting behaviour of Ti6Al4V/ Ti6Al4V contact for applications to modular junctions in hip implants

Abstract

Este estudo surge como resposta à necessidade de minimizar os efeitos colaterais aquando da aplicação das próteses modulares da anca e de tentar criar soluções que permitam manter a sua fiabilidade com o passar do tempo. A presente dissertação tem como objetivo o estudo do atrito e do desgaste no contacto entre o colo e a haste da prótese modular, sujeitos ao fenómeno de fretting. Além disso, tem também o objetivo de averiguar a influência da amplitude de deslocamento, pressão de contacto, número de ciclos e rugosidade das superfícies no comportamento do coeficiente de atrito, da energia dissipada e do volume de desgaste. A escolha do tipo de ensaio a realizar, bem como das condições de ensaio e materiais tem por base estudos anteriormente realizados, que fornecem informações decisivas para a seleção adequada dos parâmetros de teste. Assim, foram realizados testes de fretting com contacto cilindro-plano. Nesta interface de contacto, o cilindro, que permanece estático, representa a haste e o plano, em movimento relativo, representa o colo da prótese. Este contacto pode ser realizado com um plano com rugosidade semelhante à do cilindro, ou seja, perpendicular à direção de movimento, ou com um plano com rugosidade transversal. Numa primeira fase, realizou-se uma análise às superfícies dos componentes em estudo de forma a validar as condições de superfície das amostras testadas. Seguidamente, após os testes de fretting, procedeu-se à análise das marcas de desgaste e da ocorrência de possíveis fissuras recorrendo a microscopia ótica e instrumentos de medição da superfície.

This study arises as an answer to the need to minimize the collateral effects of the application of modular prosthesis of the hip implant and to try to create solutions that allow maintaining their reliability with the passing of time. The present dissertation has as its objective the study of friction and wear on contact between the neck adapter and the stem of the modular prosthesis, subject to the phenomenon of fretting. Beyond that, it also has the objective of investigating the influence of the displacement amplitude, the contact pressure, number of cycles and roughness of the surfaces on the behaviour of the friction coefficient, dissipated energy and wear volume. The choice of the type of test to run, as well as the conditions of the test and the materials used have as their basis previously performed studies, which supply decisive information for the adequate selection of the test parameters. Thus, fretting tests were performed with a cylinder on flat contact. On this contact interface, the cylinder, which remains static, represents the stem, and the plane, in relative motion, represents the neck adapter of the prosthesis. This contact can be performed with a flat that has roughness similar to that of the cylinder, which is perpendicular to the direction of movement, or with a flat with transversal roughness. On a first phase, an analysis was performed on the surfaces of the components being studied as to validate the conditions of the surface of the tested samples. In sequence, after the fretting tests, one proceeded with the analysis of the wear scars and the occurrence of possible cracks using optical microscopy and with surface measuring instruments.