BIOTRIBOLOGIA Wykład 3 DYSSYPACJA ENERGII I ZUŻYWANIE 1 Fazy procesów strat energii mechanicznej I. Początkowa praca w obszarze styku tworzenie rzeczywistej powierzchni styku II. Transformacja pracy w obszarze styku odkształcenia sprężyste odkształcenia plastyczne adhezja 2 1
III. Rozpraszanie energii Magazynowanie energii tworzenie defektów punktowych i dyslokacji Magazynowanie energii odkształcenia Emisja fonony (fale akustyczne, dźwięk), fotony (triboluminescencjae), elektrony (efekt Kramera) Transformacja w ciepło Generowanie ciepła i entropia 3 CIEPŁO TARCIA Wskaźnik ciepła wytworzonego na jednostkę powierzchni styku, q total µ p V gdzie µ współczynnik tarcia, p nacisk jednostkowy (80 90%) energii tarcia V = V2 V1 relatywna prędkość ślizgania. Ciepło tarcia i wynikająca z niego temperatura styku mają istotny wpływ na właściwości tribologiczne współpracujących materiałów 4 2
Najważniejsze skutki CIEPŁO TARCIA Wzrost temperatury powierzchni topnienie i mięknienie polimerowych materiałów termoplastycznych "pv limit" często stosowany parametr przy obliczaniu łożysk ślizgowych. 5 Procesy zużywania Zużywanie jest uszkadzaniem powierzchni lub ubytkiem materiału z jednej lub dwóch powierzchni będących w relatywnym ruchu ślizgowym, tocznym lub zderzeniowym. Definicja zużycia Stopniowe uszkodzenie, które powstaje gdy dwa stykające się materiały znajdują się w ruchu względem siebie. 6 3
Cechy zużycia i terminologia Kierunek ruchu Obciążenie Mikronierówności Zużywająca się powierzchnia Produkty zużycia 7 Zużycie, jak tarcie, nie jest własnością materiału lecz odpowiedzią systemu Niekoniecznie jest prawdą, że duże tarcie powoduje duże zużycie Przykłady produktywnego zużycia: rysowanie ołówkiem, obróbka skrawająca (toczenie, szlifowanie) itp. Zużycie jest niekorzystne w przypadku większości elementów maszyn. 8 4
Zużycie objętościowe, zmiana chropowatości powierzchni oraz kształt cząstek produktów zużycia - ważne informacje dotyczące charakterystyki zużywania Źródło: E. Wild and K. J. Mack. Trzy reprezentatywne typy krzywych zmian chropowatości na powierzchniach zużycia 9 Etapy zużywania Obszar Ⅰ: Usuwanie (niszczenie wierzchołków) mikronierówności Obszar Ⅱ : Obszar gładkiej powierzchni (zanika przy wysokim obciążeniu i może być dłuższy przy smarowaniu) Obszar Ⅲ : Odspajanie materiału 10 5
Zużycie jest oceniane przy pomocy ilości utraconej objętości materiału i stanu zużycia powierzchni Stopień zużycia może być opisany przez: Intensywność zużycia (Iz =Z/L) zużycie Z (masowe, objętościowe, itp.) na jednostkę drogi tarcia L, Wskaźniki zużycia (W) zużycie objętościowe Zv na jednostkę drogi tarcia L i jednostkę obciążenia N (W = Zv / (L*N) (K) iloczyn zużycia objętościowego na jednostkę drogi tarcia i jednostkę przez twardość H zużywanego materiału K = W*H 11 Różnice w zużyciu powierzchni materiałów ceramicznych dla różnych warunków tarcia Zdjęcia ilustrujące stwierdzanie: Zużycie nie jest własnością materiału lecz odpowiedzią systemu" 12 6
Zużywanie zawiera sześć podstawowych zjawisk adhezja, ścieranie, zmęczenie, poprzez erozję i uderzenia, chemiczne (lub korozja), Indukcja elektryczna. Inne typu zużywania: fretting. W wielu przypadkach zużywanie jest rozpoczynane jednym mechanizmem, który powoduje powstawanie innych (kolejnych mechanizmów, 13 Podstawowe rodzaje zużywania adhezyjne: podstawowy rodzaj ubytku materiału wynikający z silnego tarcia wyszarpywanie materiału ścierne: zużywanie w wyniku odspajania przez twarde cząstki lub mikronierówności twardszego zmęczeniowe: ubytek materiału w wyniku pękania pod powierzchnią podczas cyklicznego obciążania tribokorozja: ubytek materiału w wyniku reakcji chemicznych ze środowiskiem W warunkach rzeczywistych zużywanie jest kombinacją jego różnych rodzajów 14 7
Zużywanie adhezyjne Zużycie adhezyjne występuje, gdy nominalnie płaskie ciała stałe są w styku ślizgowym Przenoszone cząstki z jednej powierzchni na drugą mogą być przenoszone z powrotem (retransfer) Transfer i retransfer cząstek może zachodzić wielokrotnie 15 OKREŚLANIE OBJĘTOŚCIOWEGO ZUŻYCIA ADHEZYJNEGO Objętościowe zużycie materiału V po przebyciu drogi tarcia L H : V K ad FN L H twardość zużywanego materiału, K ad : wskaźnik zużycia adhezyjnego (K ad = 10-7 10-2 ) 16 8
OBSERWACJE EKSPERYMENTALNE Dla danych materiałów przy styku plastycznym wskaźnik zużycia rośnie wraz z twardością V K ad FN L H 17 Materiały twarde i kruche odporność na pękanie wpływa na szybkość zużywania Wyniki badań sugerują, że zużycie objętościowe rośnie wraz z drogą (czasem) tarcia przy stałej prędkości 18 9
Zużycie ścierne zachodzi, gdy mikronierówności twardej, szorstkiej powierzchni albo twarde ziarna ślizgają się po miękkiej powierzchni powodując jej uszkodzenie ZUŻYWANIE ŚCIERNE 19 ZUŻYWANIE ŚCIERNE trzecie ciało Szybkość zużywania zależy od tego czy ziarna utwierdzone są na jednej z powierzchni Zużycie w przypadku tarcia dwóch ciał jest większe 20 10
Zużywanie ścierne - widoczne zadrapania (głównie powierzchni miękkiego materiału) w postaci serii rowków równoległych do kierunku przesuwania (bruzdowanie) 21 ZUŻYWANIE ŚCIERNE PRZEZ ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE Usuwania materiału z powierzchni poprzez odkształcenia plastycznego podczas ścierania może wystąpić przy kilku sposobach odkształcenia: bruzdowanie, rysowanie i mikroskrawanie Fig. Rodzaje zużywania ściernego: a) mikroskrawanie; b) rysowanie; c) bruzdowanie. 22 11
OKREŚLENIE OBJĘTOŚCIOWEGO ZUŻYCIA ŚCIERNEGO Uproszczony model styku Zużycie objętościowe W obciążenie L droga tarcia H twardość zużywanego materiału K ab współczynnik zużycia ściernego 23 Odporność na zużycie ścierne dla czystych metali proporcjonalna liniowo do twardości 24 12
WSKAŹNIK TWARDOŚCI I KSZTAŁT WIERZCHOŁKA MIKRONIERÓWNOŚCI Twardość ostrza ścierniwa jest istotna dla zużywania ściernego (0.5 do 0.8) (1 do 1.4) 25 ZUŻYWANIE ŚCIERNE PRZEZ PĘKANIE (MATERIAŁY KRUCHE) Schemat mechanizmu zużywania 26 13
ZUŻYWANIE ZMĘCZENIOWE Przyczyną jest cykliczne, zmienne odkształcanie warstwy wierzchniej. na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału. Ilość usuniętego materiału nie jest użyteczną miarą dla tego rodzaju zużycia. 27 Zużywanie przy styku tocznym Powtarzanie mechanicznych naprężeń na powierzchni rolki i i drugiego np. koła zębate, łożyska toczne Zużywanie przy styku tocznym jest ubytkiem materiału w wyniku procesu zmęczenia Zmęczenie kontaktowe jest zarodkiem do rozwoju pęknięć zmęczeniowych 28 14
ZMĘCZENIE PRZY STYKU TOCZNYM Maksymalne naprężenia ściskające występują na powierzchni, ale maksymalne naprężenia ścinające występują w pewnej odległości poniżej powierzchni 29 Spalling - czyli łuszczenie polega na stopniowym narastaniu naprężeń wokół defektów struktury warstwy wierzchniej w wyniku cyklicznych naprężeń kontaktowych, a następnie na tworzeniu się mikropęknięć i ich rozprzestrzenianiu się powodujących odpadanie cząstek materiału w postaci łusek. Łuszczenie jest zużyciem zmęczeniowym wywołanym obciążeniami mechanicznymi powierzchni tarcia elementów wykonujących ruchy toczenia z poślizgiem 30 15
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE PODCZAS ŚLIZGANIA W STYKU PLASTYCZNYM Tworzenie cząstek zużycia W przypadku powtarzającego się styku podczas ślizgania po tym samym rowku przeważa plastyczne polerowanie (dogniatanie) 31 Wpływ wielokrotnego przesuwu na powiększanie się produktów zużycia stali w warunkach smarowania granicznego 32 16
ZUŻYWANIE TRIBOCHEMICZNE Tarcie modyfikuje kinetykę reakcji chemicznych ślizgających się ciał Najbardziej oczywistym procesem tarcia, który zwiększa szybkość reakcji chemicznej (tribochemia) jest ciepło tarcia. Zużywanie chemiczne lub korozyjne zachodzi podczas ślizgania ciał w środowisku korozyjnym W powietrzu najbardziej korozyjnym czynnikiem jest tlen 33 Fretting Proces polega na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w elementach maszyn poddanych działaniu drgań lub niewielkich poślizgów powstających w wyniku realizacji przez te elementy ruchu obrotowo- lub postępowozwrotnego lub ich przemieszczania się pod wpływem cyklicznych obciążeń oraz intensywnego korozyjnego oddziaływania środowiska. 34 17
Fretting występuje gdy pomiędzy powierzchniami styku występują w kierunku stycznym drgania o małej amplitudzie. Powierzchnie te są nominalnie w spoczynku. Fretting jest formą zużycia adhezyjnego lub ścienego gdy obciążenie normalne powoduje adhezję pomiędzy wierzchołkami mikronierówności a ruch oscylacyjny powoduje pęknięcia i powstawanie produktów zużycia Powierzchnie narażone na fretting mają charakterystyczny wygląd z czerwono-brązowymi plamami dla metali żelaznych i obszarów przyległych, które są polerowane na wysoki połysk. 35 EROZJA Erozja występuje przy uderzaniu powierzchni ciała strumieniem cząsteczek stałych, cieczy lub implozji pęcherzyków gazu utworzonych w cieczy. Wykruszanie materiału polega na częstym odkształcaniu warstwy powierzchniowej, co doprowadza w końcu do zmęczenia i ostatecznie wykruszania mikroobjętości materiału. 36 18
Podobnie jak w przypadku zużywania ściernego zużywanie erozyjne zachodzi poprzez plastyczne odkształcenia i/lub pękanie kruche (zależnie od rodzaju materiału i parametrów eksploatacyjnych) Zależność wskaźnika zużycia od kąta uderzania jest różna dla materiałów plastycznych i kruchych Podstawowe rodzaje erozji dla materiałów plastycznych: Erozja poprzez skrawanie Erozja poprzez odkształcanie (bruzdowanie). 37 Erozja cząstkami stałymi stanowi problem dla maszyn: łopatki turbin gazowych (ziarna piasku), śmigła samolotów i helikopterów, szyby w samolotach of airplanes, dysze piaskarek, pompy, turbiny. Użyteczne zastosowanie erozji W procesach cięcia twardych materiałów strumieniem piasku lub wody 38 19
PODSUMOWANIE Zużycie to uszkodzenie powierzchni lub usunięcie materiału z jednej lub obu powierzchni stałych będących w ruchu ślizgowym lub tocznym względem siebie. Zużycie tak jak i tarcie nie jest nieodłączną właściwością materiału. Zużycie zależy od warunków pracy i stanu powierzchni. Odporność na zużycie pary materiałów jest zazwyczaj klasyfikowana na podstawie współczynnika zużycia (bezwymiarowego parametru) lub objętości zuzycia na jednostkę obciążenia i na jednostkę drogi tarcia 39 PODSUMOWANIE Mechanizm zużywania obejmuje (1) adhezję, (2) ścieranie, (3) zmęczenie, (4) zużywanie udarowe (erozja), (5) zużywanie chemiczne, i (6) łuk elektryczny. Fretting i fretting korozyjny są kombinacją zużywania adhezyjnego, korozyjnego i ściernego. W wielu przypadkach zużywanie inicjuje jeden mechanizm, który może przyczynić się do pojawienia się innych rodzajów zużywania 40 20