钛合金球与骨水泥界面之间的微动磨损机制研究.pdf

2 0 1 1 年 8 L j 第 3 6卷 第 8期 润滑与密封 L UBRI CAT1 0N ENGI NEERI NG Au g 2 01 1 Vo 1 3 6 No 8 DO I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 0 8 0 1 3 钛合金球与骨水泥界面之 间的微 动磨损机 制研究 武琳张德坤 中国矿业 大学材 料科学 与工程 学院江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 采用钛合金球与 自制骨水泥试样 以球 平面接触方式 在 自制的微动摩擦磨损试验机上开展干摩擦和 2 5 小 牛血清介质 中切 向微动磨损试验研究 考察钛合金球与骨水泥界面之间的微动运行特性 并采用 S 3 0 0 0 N型扫描 电镜观 察磨痕形貌来分析其微动磨损机制 结果表明 随着微动振幅的增加 微动运行由部分滑移 区向混合 区转变 随着接触 载荷的增加 试样接触面之间更容易发生黏着 与干摩擦相 比 在小牛血清溶液中部分滑移 区向较大振幅区扩展 部 分 滑移区摩擦 因数值较低且保持稳定 混合 区的摩擦因数先增大后保持不变 稳定摩擦 因数随着接触载荷 的增加而减小 随微动振幅增大而增大 骨水泥试样的磨损量在小牛血清介质中比在空气中大 并且随接触载荷增大而增大 骨水泥在 小牛血清介质中微动磨损的损伤机制主要为黏着磨损和疲劳磨损 溶液分子在应力作用下对骨水泥基体有削弱作用 关键词 钛合金 骨水泥 微动磨损 磨损机制 中图分类号 R 3 1 8 1 7 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 8 0 4 8 6 Fr e t t in g W e a r S t u d y o n t h e I n t e r f a ce be t we e n Tit a n iu m Al l o y Ba l l a n d Bo ne Ce me n t W U L in Z h a n g De k u n S ch o o l o f Ma t e r ia l s S ci e n ce a n d E n g in e e rin g C h i n a U n i v e r s it y o f Mi n in g a n d T e ch n o l o g y X u z h o u J ia n g s u 2 2 1 1 1 6 C h i n a Ab s t r a ct T h e t a n g e n t i a l f r e t t i n g we a r b e h a v io r o f t it a n iu m a l l o y b a l l a n d b o n e ce me n t wa s e x p e ri me n t a l l y i n v e s t ig a t e d u s i n g a b a l l o n fi a t s p e cime n a r r a n g e me n t in d r y a n d 2 5 f e t al calf s e r u m me d iu m t o t e s t t h e ir f r e t t i n g ch a r a ct e ri s t ics T h e S 3 0 0 0N s ca n n in g e l e ct r o n micr o s co p e wa s u s e d t o o b s e r v e t h e we a r t r a ck mo r p h o l o g y a n d a n a l y z e we a r me ch a n is m T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f r e t t i n g r e g ime is t r a n s f o r me d fro m t h e p a r t ia l s l ip r e g ime i n t o t h e mi x e d f r e t t in g r e g ime wi t h t h e in cr e a s in g o f f r e t t i n g a mp l it u d e s u n d e r t h e s a me co n t a ct l o a d W i t h t h e i n cr e a s in g o f co n t a ct l o a d a n d fix e d f r e t t i n g a mp l i r u d e a d h e s i o n s a r e mo r e l ik e l y t o o ccu r b e t we e n t h e co n t a ct s u r f a ce s o f t h e s p e ci me n Co mp a r e d t o d r y f ri ct io n b o u n d a r y o f t h e p a rtia l s l i p r e g ime s h i f t s in t h e d i r e ct i o n o f l a r g e r d is p l a ce me n t a n d t h e mix e d r e g ime s h ri n k s in calf s e r u m me d iu m Th e r e a r e t wo s t a g e s f o r f r ict i o n co e f f icie n t cu rve in t h e mi x e d f r e t t in g r e g ime i e in cr e a s e a n d s t a b l e s t a g e in wh ich f r ic t i o n co e f f i ci e n t is h ig h e r t h a n t h a t in t h e p a rtia l s l i p r e g i me Th e s t a b l e f ri ct i o n co e f f i ci e n t t e n d s t o d e cr e a s e wit h t h e i n cr e a s e o f co n t a ct l o a d wh il e it i n cr e a s e s wit h f r e t t in g a mp l i t u d e s in cr e a s e Th e we a r v o l u me o f b o n e ce me n t s a mp l e s in t h e ca l f s e r u m me d iu m is l a r g e r t h a n t h a t i n t h e a ir a n d i n cr e a s e s wi t h t h e co n t a ct l o a d in cr e a s e I n ca l f s e r u m me d iu m t h e we a r me ch a n is m o f fre t t in g is ma in l y a d h e s iv e we a l f a t ig u e we a l a n d t h e we a k e n in g e f f e ct o f s o l u t i o n mo l e cu l e s o n t h e b o n e c e me n t ma t r ix u n d e r s t r e s s Ke y wo r d s t it a n iu m a l l o y b o n e ce me n t f r e t t i n g we a r we a r me c h a n i s m 目前所采用的人工全关节置换材料 多为金属 陶 瓷 超高分子量聚乙烯等硬质材料 在人工关节与人 体骨之间连接时大多通过骨水泥填充并 固定关节柄 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 8 7 5 2 5 2 江苏省 自然 科学基金项 日 B K 2 0 0 8 0 0 5 收稿 15 t 期 2 0 1 1 0 5 3 0 作者简介 武琳 1 9 8 7 一 女 硕士研究生 主要从事人工关 节材料微动磨损研究 E m a i l 5 0 5 0 w l w l 1 6 3 co rn 关节柄表 面 与骨 水泥 直接 接触 因二 者 弹性模 量 不 同 在应力作用下界面间产生微动磨损 将导致无菌 松动和骨溶解 引发骨水泥病 这也是关节假体置换 失败的主要原因之一 因此 研究人工关节与骨 水泥界面的微动磨损特性具有重要意义 Z h a n g H等 成功在体外模拟了关节柄与骨水泥 间的微动磨 损并发现关节柄表面的磨损区域与骨水泥 表面的微孔有较大关联 B e r n a r d F o r e s t 等 研究了 环境因素对人工关节材料界面间 3 1 6 L不锈钢与 2 0 1 1年第 8期 武琳等 钛合金球与骨水泥界面之间的微动磨损机制研究4 9 P MM A骨水泥 3 1 6 L不锈钢与 T i6 A 1 4 V 微动 的影 响 结果表明微动区域 耗散能和界面间的腐蚀 是相 互依存的 王野平等 研究了干燥股骨和钛合金的微 动磨损特性 发现骨组织在微动过程中将发生疲劳破 坏 从而造成假体松动 于海洋等 研究了天然活性 股骨密质骨 纯钛 的微 动磨损 行为 探 讨 了不 同位 移 幅值下摩擦 因数 随循 环次数变化 的规律 蔡 振兵 等 分别对超高分子量聚乙烯 聚甲基丙烯酸甲 酯 T i6 A 1 4 V等人工关节材料进行了扭动微动磨损特 性试验 研究 了载荷 角位移 循环次数 环境湿度 和含氧环境对扭动微动运行机制的影响 以上研究未 对钛合金与骨水泥界面 间的微动磨损机制进行深入探 讨 本文作者 以钛合金球与 自制骨水泥试样为摩擦 副 分别在干摩擦以及2 5 小牛血清中模拟人工关 节的微动磨损状况 对其微动磨损特性和损伤机制进 行 了研究 1 实验方法 实验选用医用钛合金 T C 4球 直径 5 m m 化学 成分如表 1 所示 超低黏度骨水泥在 自制模具中制备 成平面 其成分见表2 在自制的微动摩擦磨损试验 机上开展球 平面接触模式的切向微动磨损实验 实 验参数为 室温 介质为空气和 2 5 小牛血清溶液 微动振幅 D分别选为 2 0 5 0 9 0 1 2 0 1 5 0 I m 接触载荷 F 为 1 0 4 0 N 每隔 5 N递增 微动频 率 为 1 H z 循环周次 为 1 1 0 次 用计算机采 集微动磨损过程中摩擦力和微动振幅的变化 根据所 得的微动运行特性 曲线 即摩擦力 F 一位移幅 值 D 一 循环周次 曲线 确定微动磨损 的区 域特性 计算得到平均摩擦因数 研究接触载荷变化 对微动磨损行为的影响规律 实验结束后 在光学显 微镜 下测量 骨水 泥试 样磨 痕 的宽度 如图 1所 示 以计算出的磨损体积作为评价其微动磨损量的参数 骨水泥微动磨损体积 可由下式表示 盯 h 3 R 一 h R 一 踊 式中 R为钛合金球半径 d为磨痕的平均宽度 表 1 T C A化学成分 质量分数 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s it io n o f TC 4 表 2 超低黏度骨水泥 型号 C E ME X XL 成分 T a b l e 2 C o mp o s it io n o f C EMEXXL b o n e c e me n t 液体成分 l 8 3 3 g 消毒的玻璃瓶液体 甲基丙烯酸甲酸 二甲基缩醛 甲苯酸 对苯二酚 9 8 2 0 质量分数 1 8 0 质量分数 7 5 1 0 质量分数 粉末成分 5 0 g 袋装消毒粉末 硫 酸钡 聚甲基丙烯酸甲酯 过氧化苯甲酰 8 5 o 0 质量分数 1 2 0 0 质量分数 3 o o 质量分数 图 1 钛合金与骨水泥微动磨损体积示意图 F ig 1 S c h e ma t ic dia g r a m o f f r e t t in g we a r v o l u me b e t we e n t it a n iu m a l l o y a n d b o n e c e me n t 采用光学显微镜和 S 3 0 0 0 N型扫描电镜观察微动 磨痕形貌 分析其微动磨损机制 2 结果与讨论 2 1 微 动运行机 制 图 2 示出了钛合金球与骨水泥在小牛血清溶液中 微动 磨 损 的 F 一 D 一 三 维 曲 线 当 F 1 0 N D 2 0 m时 一 曲线始终呈直线状 见图 2 a 微动处于部分滑移区 微动磨痕由中心黏着区和接触 边缘微滑区组成 接触表面间的运动靠表面层的弹性 变形来实现 摩擦力较小且稳定 当 F 1 0 N D 4 1 5 0 m时 F 一 D曲线在微动初期完全打开 呈平 行四边形 钛合金球与骨水泥的接触界面处于完全滑 移状态 随着循环周次 的增加 摩擦力逐渐增大 钛合金球与骨水泥接触面间的相对滑移减少 弹性变 形量增加 一 D曲线逐渐转变为椭圆状 经数百个 周期后闭合成直线状 此后曲线多次在椭圆与直线间 转化 并在稳定期保持椭圆状 说明切向微动运行于 混合区 见图2 b 润滑与密封 第 3 6卷 f b D 1 5 0 p m 纠2 小牛血清中钛合金球与骨水泥微动磨 损的 F 一 D 一 三维曲线 F 1 0 N F ig 2 D N cu r v e s o f f r e t t in g we a r o f t ita n iu m a l lo y a n d b o n e ce me n t i l 1 ca l f s e r u m me d iu m u n d e r d i ff e r e n t cy cl e s F 1 0 N 00 5 0 0 5O 1 00 1 O0 5O 0 50 1 0 0 1 00 5 0 0 50 100 Ampl it u d e Die m a N I 接触载荷决定了微动接触区的初始尺寸 应力分 布和接触刚度等的大小 在相同的微动振幅条件下 同一循环次数 的 F 一 D 曲线 随着接 触载 荷 的增 加 而 发生改变 如 图 3所示 微 动振幅为 9 0 m 当接 触 载荷较小时 F 1 0 N 微动初期 F D曲线呈平 行四边型 钛合金球与骨水泥之间以完全滑移为主 最大摩擦力在 2 N左右 当接触载荷大于 l 0 N时 F 一 D曲线为直线型 摩擦 力增至 3 5 N左右 当循环 周次增加到 1 0 0 0次 接触载荷 F 1 0 N的 F 一 D 曲 线闭合成直线状 而 F 2 0 3 0 N时的 F 一 D曲线未 发生明显改变 微 动 中后 期 F 1 0 N的 F D曲线 为稳定椭圆状 而 F 2 0 3 0 N的 F 一 D曲线仍保持 为直线状 同一循 环周 次下 随着接触 载荷 的增加 钛合金球 与骨 水 泥间 的接 触面 积增 加 摩 擦 阻力 增 大 试样接触 面 不易 发生 滑移 且 容易 发生 弹 塑性 变 形 使 F 一 D曲线更易闭合 0 O 5 0 0 50 1 00 1 00 5 0 0 5 0 1 OO 1 0O 5O O 5 0 1 OO Am pl it u deD l am b 1 0 10 0 50 0 50 1 0O 1 00 5 0 0 50 1 OO 1 OO 50 0 50 1 0 0 A m pl itu de D iem d N 1 0 0 0 O O 5O 0 5 O 1OO O O 50 0 60 1 O O 1O O 5 0 0 5 O 1 O 0 Amp l it u de D t t m c N 1 0 0 0 9 5 O 0 5 0 1 0 0 t 0 0 50 0 50 1 00 1 00 5 0 0 5O 1 OO Ampl it u d e D t m e Ar l 00 0 0 图 3 钛合金球与骨水泥在不同接触载荷下和不同循环周次的 F 一 D曲线 D 9 0 m ng 3 F t D cu r v e s o f t i t a n i u m a l l o y a n d b o n e ce me n t i n d if f e r e n t cy cl e s u n d e r d i ff e r e n t l o a d s D 9 0 I a m l u o J 暑 曲 盘 I 2 0 1 1 年第 8期 武琳等 钛合金球与骨水泥界面之间的微动磨损机制研究 5 l 2 2微 动 运 行 工 况 图 在不 同接触载荷 和微动振 幅下进 行 了大量试 验 通过 D曲线分析和磨痕形貌观察 得出了钛合金 球与骨水泥微动运行工况图 如图4所示 结果表 明 当接触载荷固定时 随着微动振幅的增大 微动 由部分滑移区向混合区转变 且 随着接触载荷的增 大 部分滑移区 混合区逐渐向大振幅扩展 当给定 位移幅值不变时 随着法向载荷的增大 微动由混合 区向部分滑移区转变 在本实验条件下 在微动振幅 内未出现滑移区 这是 因为处于室温的 仅 T i 是六方 结构 c a 1 5 8 8 比理想值 1 6 3 3小很多 致使 1 0 0 1 面更易滑移 故易发生黏着 与干摩擦相 比 在小牛血清溶液中 由于液体介质增大了固体界 面的黏着力 部分滑移区向较大振幅区扩展 相 应的混合区域缩减 Di s p l a c e me n t D t t m a Dr y Di s p l a c e me n t D t t m b I n c a l f s e r u m me d i u m 图 4 钛合金球与骨水泥微动运行工况图 Fi g 4 Di s t r i b u t i o n o f f r e t t i n g r e g i me s o f ti t a n i u m a l l o y a n d b o n e c e me n t 2 3微动摩擦 因数 图5 示出了振幅为9 0 m时 不同接触载荷条件 下 钛合金球与骨水泥分别在空气和小牛血清中的摩 擦因数变化曲线 在空气中 摩擦因数的变化主要分 为2个阶段 在磨损初期 前 1 O个循环周次 摩擦 因数从一个较低值逐渐增加 之后趋于稳定 在小牛 血清溶液中 当接触载荷小于 1 5 N时 与空气中摩 擦因数随循环周次的变化趋势基本相同 由于微动初 期 钛合金球与骨水泥接触面积较小 故初始摩擦因 数较小 随 着循 环周 次增 加 实际 接触 面 积逐 步 增 大 发生黏着和弹塑性变形 摩擦 因数增大 经过 1 0个循环周次以后 摩擦因数基本保持不变 Cy cl e sN b I n c a l f s e r u m me d i um 图5 不同介质和接触载荷条件下摩擦 因数变化曲线 D 9 0 m F i g 5 Va r i a t i o n o f t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t o f f r e t t i n g c y c l e s i n d i ff e r e n t m e d i u m s u n d e r d i ff e r e n t l o a d s D 4 9 0 m 当接触载荷大于 1 5 N时 小牛血清中 微动处 于部分滑移区 摩擦因数在整个磨损过程基本稳定且 数值较低 在小牛血清中 微动初期的摩擦因数比空 气中的大 稳定后2种介质中的摩擦因数基本相同 这是 因为小 牛血清溶液与较大的接触载荷 均增加 了钛 合金球与骨水泥试样之间的黏着作用 使摩擦力增 大 摩擦因数相应增大 随着接触载荷的增加 稳定 摩擦因数呈现降低趋势 其中接触载荷 F 1 0 N时 的摩擦因数最大 达到0 3 5左右 而接触载荷 F 4 0 N时的摩擦因数最小 并稳定在 0 0 9附近 由于 接触载荷的增加使实际接触面积增大 而摩擦力的大 小主要取决于实际接触面积的大小 一般情况下 实 际接触面积的增加并不与接触载荷成正比 而是比接 触载荷增加得慢 因此接触载荷的增加反而使摩擦因 数降低 图6示出了接触载荷为 3 0 N时 不同微动振幅 条件下 钛合金球与骨水泥分别在空气和小牛血清中 的摩擦因数变化曲线 可以看 出 当微动振幅小于 9 0 m时 微动运行于部分滑移区 接触区一直处于 鲫 钙 加 加 加 2 O O 0 O 0 0 O O 0 O 鲫 们 i 2 窖 苫 0I 3旨 0 0 0兽 蛊 苫 一 Ja 0 0 要 毒 们 2 s 0 量 0 Z 钟 如 2 5 暑 0 Z 2 0 l 1 年第 8期 郭清兵等 摩擦化学反应对环氧复合材料摩擦性能的影响 3 结论 复合材料中碳纤维的存在增加了复合材料的导热 性 降低了接触面之间的温度 另外通过与对偶面的 直接接触 使 F e 元素 向材料方向发生转移 增大了 转移膜 的均匀性 纳米粒子通过弥散强化作用增强 了 基体的力学性能 减弱了分子链的氧化降解等反应 在一定程度上保持了材料的完整性 混杂填料兼备两 方面的因素且互相促进 因而在提高复合材料的减摩 耐磨性 中表现 出协 同效应 参考文献 1 F r i e d r i ch K We a r o f r e i n f o r ce d p o l y m e r s b y d i f f e r e n t a b r a s i v e co u n t e r p a r t s M F r ie d r i ch K F rict i o n a n d We a r o f P o l y m e r Co mp o s it e s Ams t e r d a m El s e v ie r 1 98 6 2 3 3 2 8 7 2 Z h a n g M Q R o n g M z Y u S L e t a 1 E ff e ct o f p a r t i cl e s u r f a ce t r e a t me n t o n t h e t r ib o l o g ica l p e rfo r ma n ce o f e p o x y ba s e d n a n o co m p o s it e s J We a r 2 0 0 2 2 5 3 9 1 0 1 0 8 6 1 0 9 3 3 B a h a d u r S F u Q G o n g D T h e e f f e ct o f r e i n f o r ce m e n t a n d t h e s y n e r g is m b e t we e n Cu S a n d ca r b o n fi b e r o n t h e we a r o f n y l o n J We a r 1 9 9 4 1 7 8 1 2 1 2 3 1 3 0 4 Z h a n g z B r e i d t C C h a n g L e t a 1 E n h a n ce m e n t o f t h e w e a r r e s is t a n ce o f e p o x y s ho rt ca r b o n fib r e g r a p h it e F E a n d n a n o T i O 2 J C o m p o s i t e s P a r t A A p p l ie d S cie n ce a n d M a n u f a ct u r i n g 2 0 0 4 3 5 1 2 1 3 8 5 1 3 9 2 5 G u o Q B R o n g M z J i a G L e t a 1 S l i d in g w e a l p e rf o r m a n ce o f ll a n o S i O 2 s h o rt ca r b o n fib e r e p o x y h y b rid co m p o s it e s J We a r 2 0 0 9 2 6 6 7 8 6 5 8 6 6 5 6 苏峰华 张招柱 王坤 等 M o S 和P T F E改性炭纤维织物复 合材料 的摩擦磨 损性 能研 究 J 摩擦 学学 报 2 0 0 5 2 5 4 3 3 8 3 4 2 Su Fe n g hll a Zh a n g Zh a o z h u W a n g Ku n e t a 1 Frict io n a n d we a r p r o p e rtie s o f ca r b o n f a b ri c co mp o s it e s fi l l e d wit h PI F E a n d Mo S J T r i b o l o g y 2 0 0 5 2 5 4 3 3 8 3 4 2 7 李科 向定汉 朱晓林 等 F I F E与纳米高岭土填充 P P S 复 合材料的摩擦 磨损性 能研 究 J 润滑 与密封 2 0 0 7 3 2 1 1 5 9 1 6 1 Ke Xia n g Din g h a n Z hu Xia o l in e t a 1 S t u d y o n f ri ct io n a n d we a r p r o p e r t ie s o f p o l y ph e n y l e n e s u l f id e fil l e d wit h p o l y t e t r a fl u o r o e t h y l e n e a n d k a o l i n n a n o p a r t i cl e s J L u b ric E n g 2 0 0 7 3 2 1 1 5 9 1 6 1 8 C h a n g L Z h a n g Z T r i b o l o g i ca l p r o p e r t ie s o f e p o x y n a n o co m p o s it e s Pa rt I I A e o mb in a t L c e f f e ct o f s h o r t ca r bo n fib r e wit h n a n o T i O 2 J We a r 2 0 0 6 2 6 0 7 8 8 6 9 8 7 8 9 陶克梅 向定汉 P 丁 F E 石墨与玻璃纤维填充聚甲醛的摩擦 磨损特性研究 J 润滑与密封 2 0 0 6 3 1 9 1 0 3 1 0 5 T a o Ke me i Xia n g Din g h a n F r ict io n a n d we a r b e h a v io r o f POM fill e d w it h F E a s s fib e r a n d g r a p h it e J L u b ri c E n g 2 0 0 6 3 1 9 1 0 3 1 0 5 1 0 S o n g H J Z h a n g z Z S t u d y o n t h e t r i b o l o g i ca l b e h a v i o rs o f t h e p he n o l ic co mp o s it e co a t in g fi l l e d wit h mo d ifi e d n a no TiO2 J T rib o l I n t 2 0 0 8 4 1 5 3 9 6 4 0 3 1 1 We t z e l B H a u p e r t F F r i e d rich K e t a 1 I m p a ct a n d w e a r r e s i s t a n ce o f p o l y m e r n a n o co m p o s it e s a t l o w fil l e r co n t e n t J P o l y m E n g S ci 2 0 0 2 4 2 9 1 9 1 9 1 9 2 7 1 2 B a h a d u r S D e l i G T h e tr a n s r a n d w e a r o f n y I o n a n d C u S n y l o n co mp o s it e s Fil l e r p r o p o r t io n a n d e o u n t e r f a ce ch a r a ct e r is t i cs J We a r 1 9 9 3 1 6 2 1 6 3 1 6 4 3 9 7 4 0 6 1 3 S h i G Z h a n g M Q R o n g M z e t a 1 F rict i o n a n d w e a r o f l o w n a n o m e t e r S i3 N 4 fil l e d e p o x y co m p o s i t e s J We a r 2 0 0 3 2 5 4 7 8 7 8 4 7 9 6 1 4 L i T Q Z h a n g M Q S o n g L e t a 1 F r i ct i o n in d