Orientador: Aparecido Carlos Gonçalves / Resumo: Os problemas associados às falhas protéticas e cirurgias de revisão aumentaram muito desde que a substituição total da articulação passou a ser aplicada também a pacientes mais jovens e mais ativos, portanto, a necessidade de resolver ou reduzir os problemas relacionados ao desgaste é de suma importância. Partindo-se dessa premissa, decidiu-se por projetar, fabricar e validar uma máquina de ensaio de desgaste do tipo acoplamento orbital, capaz de realizar o ensaio de desgaste de Prótese Total de Quadril (PTQ), obedecendo aos parâmetros de carga e movimento (Flexão/Extensão, Adução/Abdução), estabelecidos pela Norma ABNT NBR ISO 14242-3. Após a validação, foi realizado o ensaio de uma amostra composta de uma cabeça femoral de 28 mm de diâmetro de aço inox ASTM F138 e acetábulo de polietileno convencional (UHMWPE). O ensaio teve a duração de um milhão de ciclos (aproximadamente 12 dias), equivalente a aproximadamente um ano de uso da prótese in vivo e teve duas avaliações de perda de massa e volume ao longo do ensaio. Os resultados obtidos da taxa média de perda de massa e volume por milhão de ciclos, foram compatíveis com os resultados apresentados por outros autores. A avaliação do desgaste sofrido pelo componente acetabular (análise visual e microscópica) e a análise morfológica das partículas geradas pelo desgaste via MEV, forneceram informações importantes para melhor interpretar os mecanismos de desgastes (abrasão, adesão e fadiga) ocorridos durante o ensaio tribológico. ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The problems associated with prosthetic failure and revision surgery have increased greatly since total joint replacement has also been applied to younger and more active patients, so the need to resolve or reduce wear-related problems is of paramount importance. Based on this premise, it was decided to design, manufacture and validate a wear test machine of the orbital coupling type, capable of performing the Total Hip Prosthesis (PTQ) wear test, according to load and movement parameters ( Flexion / Extension, Adduction / Abduction), established by the Standard ABNT NBR ISO 14242-3. After validation, a sample composed of a 28 mm diameter femoral head of ASTM F138 stainless steel and conventional polyethylene acetabulum (UHMWPE) was performed. The assay lasted for one million cycles (approximately 12 days), equivalent to approximately one year of use of the prosthesis in vivo and had two mass and volume loss evaluations throughout the trial. The results obtained from the average loss rate of mass and volume per million cycles were compatible with the results presented by other authors. The evaluation of the wear of the acetabular component (visual and microscopic analysis) and the morphological analysis of the particles generated by the MEV wear, provided important information to better interpret the mechanisms of wear (abrasion, adhesion and fatigue) that occurred during the tribological test. It is a fact that these wear mechanisms compromise the useful life of a hip joint ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Im Rahmen der Arbeit wurde ein semi-analytisches Berechnungsmodell für den Reibwert einzelner kugelförmiger Erhebungen erarbeitet, das die Berechnung der deformativen (μ_def) und adhäsiven (μ_adh) Reibanteile ermöglicht. Die Integration eines plastischen (Radius der Laufspur R_Spur) und eines viskosen (Rückstellwinkel ω) Verformungsanteils gestattet die Berechnung der realen Kontaktfläche während des Reibvorgangs. In Abhängigkeit des mittleren Kontaktdrucks kann damit der adhäsive Reibanteil μ_adh bestimmt werden. Die experimentelle Untersuchungen umfassten neben ungeschmierten Reibversuchen, die zur Ermittlung des gesamten Reibwertes (μ_ges) dienten, auch mit Silikonöl geschmierte Versuche aus denen sich μ_def ergibt. Anhand der Verifikationsversuche konnte einerseits gezeigt werden, dass beide Schmierungszustände zu gleichen Verformungen führen und andererseits wurde der Nachweis erbracht, dass der im Berechnungsmodell postulierte Zusammenhang zwischen dem Rückstellwinkel ω und μ_def Gültigkeit besitzt. Hierzu wurden Reibversuche mit segmentierten Kugeln durchgeführt, die eine gezielte Variation des Rückstellwinkels ω erlauben. Für beide untersuchten Reibpaarungen (Stahl | PE-UHMW und POM-C | PE-UHMW) kann abgeleitet werden, dass der deformative Reibanteil μ_def generell von untergeordneter Rolle ist (ca. 1/3 μ_ges) und der Einfluss des adhäsiven Reibanteils μ_adh überwiegt (ca. 2/3 μ_ges). Dabei sinkt μ_adh und folglich auch μ_ges mit zunehmendem Kontaktdruck p_(max,Ebene). Dieser wurde als verallgemeinerte Bezugsgröße eingeführt und beschreibt den maximalen Hertz´schen Kontaktdruck eines äquivalenten Kugel-Ebene-Kontaktes, der sich unter Eingabe des Kugelradius r_Kugel, der Normalkraft und der Verwendung der statischen E-Moduln beider Werkstoffe ergibt. Weiterhin zeigten die Untersuchungen, dass die oszillierende Bewegungsform im Vergleich zur rotierenden Bewegung immer einen erhöhten Reibwert μ_ges auszeichnet. Abschließend wurden noch Reibexperimente zu Mehrfachstrukturen aus POM-C mit je 6 Einzelerhebungen im Kontakt durchgeführt. Auch hier lag eine hohe Übereinstimmung zwischen Experiment und Modell vor. Es konnte gezeigt werden, dass Reibwerte für beide Bewegungsformen auf μ_ges ~ 0,13 gesenkt werden können. Bezogen auf den jeweiligen höchsten Reibwert (μ_(ges,rotierend) ~ 0,24, μ_(ges,oszillierend) ~ 0,34), welcher mit glatten Probekörpern ermittelt wurde, stellt dies eine erhebliche Reduktion dar. / In this thesis, a semi-analytical calculation model for the coefficient of friction (COF) of single spherical protrusions which allows the calculation of the deformative (μ_def) and adhesive (μ_adh) friction parts was developed. The integration of a plastic (radius of the running track R_Spur) and a viscous (rear angle ω) component of deformation allows the calculation of the real area of contact during the friction process. Depending on the mean contact pressure, the adhesive friction part μ_adh can be determined. The experimental studies included unlubricated friction tests, which served to determine the total COF (μ_ges), as well as tests being lubricated with silicone oil, from which μ_def is obtained. Based on the verification tests, it could be shown that both states of lubrication result in the same deformation and that the relationship between the rear angle ω and μ_def postulated in the calculation model is valid. Therefore, friction tests were carried out with segmented spheres, which allow a specific variation of the rear angle ω. For both friction pairings investigated (steel | PE-UHMW and POM-C | PE-UHMW), it can be concluded that the deformative friction part μ_def is generally of minor significance (approx. 1/3 μ_ges) and the influence of the adhesive friction part μ_adh predominates (approx. 2/3 μ_ges). Thereby μ_adh and consequently also μ_ges decreases with increasing contact pressure p_(max,Ebene). The latter was introduced as a generalised reference value and describes the maximum Hertzian contact pressure of an equivalent sphere-plane contact, which is obtained by entering the radius of the sphere r_Kugel, the normal force and using the static E-moduli of both materials. Furthermore, the investigations revealed that the oscillating form of motion always has an increased COF μ_ges compared to the rotating motion. Finally, friction experiments on multiple structures made of POM-C were carried out, each with 6 individual protrusions in contact. Also here, there was good agreement between the experiment and the model. It could be demonstrated that COF for both forms of motion can be reduced to μ_ges ~ 0.13. In comparison to the highest COF (μ_(ges,rotating) ~ 0.24, μ_(ges,oscillating) ~ 0.34), which were obtained with flat specimens, this is a significant reduction.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.

In der vorliegenden Arbeit wird der abrasive Verschleiß von Textilsilos näher betrachtet. Ziel der Untersuchungen ist die Auslegung eines geeigneten Prüfstands, um die Eignung verschiedener textiler Flächenelemente für den Einsatz als Silowandung zu prüfen. Es werden zunächst die unterschiedlichen etablierten physikalischen Verschleiß-Prüfungen vorgestellt und an Hand der Stand der Technik eine eigene Prüfvorrichtung entwickelt. Anschließend werden die charakteristischen Kennwerte der ausgewählten Schüttgüter und textilen Proben ermittelt. Verschiedene Schüttgut-Textil Kombinationen werden in der neuen Prüfvorrichtung getestet und anhand verschiedener Auswertemethoden die damit ermittelten Messwerte auf Plausibilität geprüft.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen der Schüttgutlagerung in Silos 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 4 Siloauslegung in Anlehnung an DIN EN 1991-4 5 Experimentelle Untersuchungen 6 Versuchsdurchführung und Auswertung 7 Zusammenfassung und Ausblick / In the present work, the abrasive wear of textile silos is examined in more detail. The aim of the investigations is the design of a suitable test bench to test the suitability of various textile surface elements for use as silo walls. First, the various established physical wear tests are presented and a separate test device is developed on the basis of the state of the art. Subsequently, the characteristic values of the selected bulk materials and textile samples are determined. Various bulk material-textile combinations are tested in the new test device. The measured values determined with it are checked for plausibility using various evaluation methods.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen der Schüttgutlagerung in Silos 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 4 Siloauslegung in Anlehnung an DIN EN 1991-4 5 Experimentelle Untersuchungen 6 Versuchsdurchführung und Auswertung 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die Dissertation beschäftigt sich mit der grundlagenorientierten Untersuchung reibdauerbeanspruchter Stahl-Kontakte und deren Festigkeitsbewertung. Die Besonderheit bei der Bewertung reibdauerbeanspruchter Kontakte stellt die zusätzlich zur spannungsmechanischen Beanspruchung vorliegende tribologische Beanspruchung des Werkstoffes dar. Die ursächlich auf eine Anrissinitiierung in der Bauteiloberfläche zurückzuführende niedrigere Ermüdungsfestigkeit reibdauerbeanspruchter Bauteilverbindungen, zeigt sich in Abhängigkeit des Fugendrucks, des Schlupfes und des Werkstoffes. Basierend auf den genannten Einflussgrößen konnte in der vorliegenden Arbeit ein Berechnungsverfahren erarbeitet werden, welches eine betriebssichere Auslegung reibdauerbeanspruchter Fügeverbindungen ermöglicht. Das Verfahren basiert auf dem örtlichen Konzept der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ und implementiert den Schadenfall der Reibdauerermüdung durch einen Oberflächeneinflussfaktor, dem sogenannten Reibkorrosionsfaktor. Die tribologischen Beanspruchungsparameter Schlupf und Fugendruck werden dabei über eine Worst-Case-Betrachtung berücksichtigt. Durch eine von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes abhängige Darstellung des Reibkorrosionsfaktors, konnte darüber hinaus eine systemspezifische Berechnung der Ermüdungsfestigkeit erreicht werden. Die Validierung des Berechnungsverfahrens erfolgte an einer Pleuelverbindung. / The doctoral thesis investigates basically the fretting fatigue strength of steel contacts and their strength assessment. Especially the tribological loading conditions which are present at the contact surface cause a specific method of the strength assessment of joined contacts. In this context, the lower fatigue strength of component connections under tribological loading conditions, which is the result of crack nucleation at the component surface, depends on the contact pressure, the slip and the basic-material. Based on these parameters, a calculation method was developed in the present study which allows a reliable design of component connections under fretting conditions. This method is based on the local concept of the FKM-guideline 'Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile' and introduces the fretting fatigue failure mechanism by a surface factor, the so-called fretting factor. These fretting factors are calculated empirically and based on a worst-case approach of the tribological parameters slip and contact pressure. Furthermore it is possible to determine the fretting factor according to the tensile strength of the basic-material. As a result of this, it is possible to calculate the system-specific fretting fatigue strength of joined steel-components. The improved calculation accuracy of the strength assessment was validated on connecting rods.