BIOTRIBOLOGIA. Wykład 1. TRIBOLOGIA z języka greckiego tribo (tribos) oznacza tarcie

Transkrypt

1 BIOTRIBOLOGIA Wykład TRIBOLOGIA z języka greckiego tribo (tribos) oznacza tarcie Nauka o oddziaływaniu powierzchni ciał znajdujących cię w relatywnym ruchu Nauka o tarciu, zużywaniu i smarowaniu Biotribologia - dziedzina tribologii zajmująca się opisem tarcia oraz zużycia i smarowania w węzłach tarcia występujących w organizmach żywych

2 Tribologia wiąże się z wieloma dziedzinami: mechanika, materiałoznawstwo, inżynieria powierzchni, fizyka powierzchni i obejmuje wiele obszarów nauki i techniki, takich jak Struktura geometryczna powierzchni, Tarcie i zużycie, Smarowanie, smary, wybór i projektowanie systemów smarowania,, Materiały łożyskowe, 3 LITERATURA ) Gierzynska-Dolna M.: Biotribologia., Wydawnictwo Politechniki Czestochowskiej, 00. ) Bedzinski R.: Biomechanika inżynierska, zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 997 3) Streszczenia wykładów Zaliczenie TEST na ostatnim wykładzie 4

3 Procesy tribologiczne międzyfazowe procesy związane z oddziaływaniem powierzchni materiałów w ruchu względnym. Procesy tribologiczne: odkształcenie sprężyste i międzyfazowe procesy odkształceń stykowych, Mechanizm rozpraszania energii i materiału poprzez procesy tarcia i zużywania, procesy i metody smarowania jako najbardziej skuteczne sposoby wpływania na mechanizm rozpraszania. 5 PROCESY STYKOWE 6 3

4 Odchyłki od kształtu idealnie gładkiej powierzchni można sklasyfikować na następujące grupy Odchyłki kształtu Falistość Chropowatość Struktura cząsteczkowa Mikrochropowatość Chropowatość Falistość Mikroodchyłki Powierzchnia idealna 7 Powierzchnia styku Nominalna powierzchnia styku A 0 (A 0 = a x b ) Rzeczywista powierzchnia styku A r A r A ri n i 8 4

5 Obliczanie i eksperymentalne wyznaczanie A r Odkształcenia sprężyste A r F cons tant E Styk plastyczny A rp N * F cons tant H N C 4/5 C 44/45 E * - moduł równoważny: E * E E H twardość warstwy ślizgowej bardziej miękkiego materiału 9 Modele numeryczne Analiza styku dwóch chropowatych powierzchni (dane mapy3d chropowatości i właściwości mechaniczne materiałów ) nie wymagają żadnych założeń dotyczących izotropii powierzchni, kształtu mikronierówności i dystrybucja wysokościach chropowatość Użyteczne do badania wpływu chropowatości i właściwości mechanicznych na rzeczywistą powierzchnię styku i rozkład naprężeń powierzchniowych i podpowierzchniowych 0 5

6 Styk dwóch ciał Rodzaje odkształceń sprężyste, plastyczne, lepkosprężyste, lepkoplastyczne, SIŁA TARCIE RUCH Odkształcenia powierzchni zależą od naprężeń normalnych i tnących, chropowatości powierzchni, Własności materiałów. 6

7 Naprężenia lokalne w obszarach styku są znacznie większe od naprężeń nominalnych Typowy rozmiar obszaru styku lokalnego od mniej niż µm do kilkunastu µm Liczba obszarów (punktów) styku zwykle od kilkuset do kilkuset tysięcy (mniejsza liczba dla gładkich, twardych powierzchni i niewielkiego obciążenia) Lokalny nacisk powierzchniowy jest od do 6 razy większy od nacisku nominalnego (średniego Rzeczywista powierzchnia styku jest do 6 razy mniejsza od pozornej (nominalnej) powierzchni styku 3 Eksperymentalne techniki pomiaru rzeczywistej powierzchni styku Metoda interferencji optycznej Mikroskopia sił atomowych (AFM) 4 7

8 Mechanika styku Liczba ciał biorących udział w procesie styku, Makrogeometria ciał (problemy D lub 3D), Topografia powierzchni (powierzchnie gładkie czy chropowate), Własności mechaniczne ciał (moduł sprężystości, twardość itp.) Stan odkształcenia (sprężysty, plastyczny, elastoplastyczny). Siły w obszarze styku (siła normalna FN, siła styczna Ft). Rodzaj relatywnego ruchu (styk statyczny, toczenie, ślizganie, ruch wiertny, toczenie z poślizgiem. itp.), Prędkość ślizgania. 5 Problemy styku teoria Hertz a Ograniczenia Ciała idealnie sprężyste, Oba ciała mają jednakowe stałe sprężystości, Topograficznie gładkie powierzchnie, Obie powierzchnie nie stykają się ściśle w obszarze styku Żadna siła styczna nie jest przenoszona w obszarze styku 6 8

9 Zewnętrzne warstwy wierzchnie Wewnętrzne warstwy wierzchnie Sytuacja styku r r r a E * E 3r 3 H F N E 3 E 3 F p a N H a H A H a H 7 Budowa warstwy wierzchniej w przekroju Source: After E. Rabinowicz and B. Bhushan. 8 9

10 ADHEZJA Zjawisko zachodzi gdy dwie powierzchnie są ze sobą ściskane albo tylko siłą normalną F W albo siłą normalną razem ze ścinaniem. Aby oddzielić powierzchnie musi być wywierana normalna siła rozciągająca F W F W Współczynnik adhezji, µ F' ' F W N F W 9 Pomiędzy dwoma stykającymi się ciałami powstaje adhezja a energia wiązań adhezyjnych musi być uwzględniana Podczas styku ciał mogą powstawać pomiędzy powierzchniami siły molekularne, które przyczyniają się do pojawienia się połączeń adhezyjnych 0 0

11 Oddziaływania Van der Waalsa Rodzaje oddziaływań: relatywnie silne oddziaływania pierwotne (wiązania chemiczne jonowe, kowalenyjne, metaliczne). Słabsze oddziaływania wtórne oddziaływania między atomami, siły Van der Waalsa. Oddziaływania dipol-dipol dla cząsteczek polarnych. Wiązania jonowe i elektrostatyczne Tarcie powoduje zwiększenie na powierzchni ładunku elektrycznego (zjawisko triboelektryzacji) Oddziaływania elektrostatyczne w powiązaniu z odziaływaniami van der Waalsa pomiędzy ciałami (szczególnie dla stytku polimer (izolator) - metal,

12 Wiązania metaliczne Wiązanie metaliczne występuję w metalach, w których walencyjne elektrony atomów metalicznych tworzą morze swobodnych elektronów w które jest zanurzona sieć krystaliczna z dodatnio naładowanych kationów Większość czystych metali łączy się mocno ze sobą. Dla odległości powyżej nm działają siły van der Waalsa. Gdy powierzchnie są w odległościach atomowych powstają pełne wiązania metaliczne. 3 Wiązania kowalencyjne Wiązania kowalencyjne tworzą pary elektronów należące wspólnie do dwóch wiążących się atomów Jednym ze sposobów opisu wiązania chemicznego jest teoria orbitali molekularnych. 4

13 Obliczanie oddziaływań adhezyjnych Swobodna energia powierzchniowa Energia potrzebna do stworzenia nowej powierzchni. Wysoka energia powierzchniowa ciała stałego powstają silniejsze wiązania pomiędzy współpracującymi materiałami Zastosowanie środków smarujących obniża energią swobodną Materiały z małą pracą adhezji wytwarzają niewielką adhezję, Praca adhezji reprezentuje energię, która musi być dostarczona do oddzielenia jednostkowej powierzchni celem utworzenia nowej powierzchni 5 Adhezja może być pożądana lub niepożądana. Silna adhezja jest niezbędna do połączenia ze sobą dwóch powierzchni. W wielu zastosowaniach inżynierskich (np. ślizgowe elementy maszyn) adhezja jest niepożądana. Adhezja przyczynia się do tarcia i zużycia. W niektórych zastosowaniach adhezja jest wymagana (np. połączenia klejone). 6 3

14 STYK W OBECNOŚCI CIECZY Zwilżalność cieczy właściwość przedmiotów i substancji dotycząca ich oddziaływania z cieczami. Zwilżalność jest zdefiniowana jako kąt styku pomiędzy kroplą cieczy z poziomą powierzchnią, w równowadze termicznej. Ciecz nazywamy Zwilżającą (90< Θ <80 ) Niezwilżającą (0< Θ <90. Θ=0) Kąt 80 odpowiada idealnej zwilżalności ciecz tworzy na powierzchni powłokę (film) 7 Obecność powłoki cieczy może przyczynić się do zwiększenia adhezji pomiędzy ciałami. Siły adhezji cieczy do materiału menisk Ciecze zwilżające pomiędzy stykającymi się ciałami powodują tworzenie zaokrąglonych menisków (mostki cieczy) Obecność warstwy cieczy na powierzchni ciała może spowodować znaczny wzrost adhezji pomiędzy ciałami stałymi (np. dwie płyty szklane) 8 4

15 Siły wiskotyczne (lepkości) Składowa wiskotyczna F V siły adhezji dla styku w obecności cieczy została podana przez McFarlane i Tabor, 950 F V b t s b stała proporcjonalności (wymiar długości ), η l lepkość dynamiczna cieczy, t s czas potrzebny do oddzielenia powierzchni. 9 Czym jest tribologia? PODSUMOWANIE Rzeczywista powierzchnia styku Odkształcenia w obszarze styku Oddziaływania pomiędzy stykającymi się powierzchniami Adhezja Obecność cieczy w obszarze styku 30 5