1. Wyznaczanie odporności na zużycie ścierne PDF

Preview

Summary

Ważny skrypt do laboratorium....

Description

Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej

Laboratorium Zniszczenia Materiałów

Instrukcja do ćwiczenia:

Wyznaczanie odporności na zużycie ścierne

1

Zużycie tribologiczne 1. Definicja i podział zużycia tribologicznego Postęp techniczny sprawia, że od współczesnych konstrukcji i urządzeń wymaga się coraz wyższej jakości i trwałości eksploatacyjnej. To z kolei zmusza do stosowania coraz nowocześniejszych technologii wykonania i poszukiwań w zakresie nowych materiałów charakteryzujących się wysokimi wskaźnikami wytrzymałościowymi. Dotyczy to między innymi materiałów przeznaczonych na części maszyn współpracujących ze sobą, narażonych na przyspieszone zużycie w następstwie dużych prędkości obrotowych, zwiększenia nacisków czy działania wysokiej temperatury. W każdym z powyższych przypadków występuje zjawisko tarcia, którego przyczyną jest zużycie materiału. Nauką o tarciu i procesach jemu towarzyszących jest tribologia, której zakres nie ogranicza się tylko do procesów tarcia maszyn, lecz dotyczy także wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i technice. Dla pełniejszego zrozumienia zjawisk, którymi zajmuje się tribologia należy zdefiniować pojęcie często występujące w różnego rodzaju opisach. Zużycie tribologiczne jest rodzajem zużycia spowodowanego procesami tarcia, w którym następuje zmiana masy oraz struktury i fizycznych właściwości warstwy wierzchnich obszarów styków. Intensywność zużycia tribologicznego zależy od odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich oraz od rodzaju oddziaływania.. Procesy zużycia mogą być wywołane przez czynniki wyłącznie mechaniczne, chemiczne czy elektryczne, lub też przez ich dowolną kombinację. W praktyce najczęściej mamy do czynienia ze złożonymi procesami zużycia, gdyż np. zjawiskom tarcia wywołującym zużycie tribologiczne, zawsze towarzyszą w mniejszym lub większym stopniu zjawiska chemiczne, cieplne i elektryczne. Stąd też wynika duża trudność klasyfikacji procesów zużycia wywołanych tarciem. Dla sporządzenia takiej klasyfikacji uwzględniono fakt, że dla danych właściwości materiałów trących się ciał i ośrodka oraz parametrów i warunków tarcia, zawsze pewne rodzaje elementarnych zjawisk zużycia są w ilościowej przewadze i decydują o charakterze i intensywności zużycia. Wówczas to można mówić, że pewien określony rodzaj zjawisk określa rodzaj dominującego procesu zużycia. Według tej klasyfikacji procesy zużycia trybologicznego można podzielić następująco: • •

zużycie ścierne, zużycie adhezyjne,

•

scuffing,

•

zużycie z udziałem utleniania,

•

zużycie zmęczeniowe. 2

Rys.1. Typowa krzywa zużycia Jako miernik zużycia ciała po pewnym okresie tarcia, przyjmuje się najczęściej zmianę stanu masy określoną przez zmianę masy, objętości lub wymiarów liniowych ciała. W pomiarach zużycia stosuje się jednak częściej nie zużycie całkowite Z , lecz jako wielkość bardziej porównywalną, intensywność zużycia (Rys.1) I:

gdzie: t oznacza czas tarcia, a L drogę tarcia. Miarą odporności na zużycie (J) jest odwrotność intensywności zużycia :

1.1 Zużycie ścierne Zużycie ścierne powstaje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania. Taki proces powstaje wówczas, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów znajdują się luźne lub utwierdzone cząstki ścierniwa albo wystające nierówności twardszego materiału, które spełniają rolę umiejscowionych mikroostrzy. Dla zobrazowania przebiegu tych procesów poniżej przedstawiony został rysunek (Rys. 2 ) pokazujący w sposób modelowy przebieg elementarnych procesów ścierania.

3

a)

b)

c)

d)

e)

Rys.2. Model dynamiczny elementarnych procesów ścierania, a) bruzdowanie b) mikroskrawanie c) ścinanie nierówności, d) ścinanie nierówności ścierniwem przez występ e) odkształcenie plastyczne materiału Jako kryterium wyróżniające rodzaje zużycia przyjęto iloraz powierzchni przekrojów poprzecznych zagłębienia rysy (F2) oraz spęczania materiału wokół rysy (F1) (Rys. 3 )

4

Rys.3. Przekrój poprzeczny elementu trącego, az - głębokość bruzdy, f1- pole przekroju spęczenia, f2 - pole przekroju bruzdy, Ubytek materiału w warstwie wierzchniej podczas zużycia ściernego związany jest z:

 bruzdowaniem, czyli odkształceniem plastycznym obszarów styku i spęczeniem materiału z obu stron bruzdy gdy stosunek F1/F2 =1, 

mikroskrawaniem, gdy stosunek F1/F2 = O,



rysowaniem, gdy materiał jest częściowo odkształcany plastycznie oraz częściowo skrawany w postaci wiórów jako produktów zużywania, gdy stosunek O < F1/F2< 1. Mechanizm zużycia ściernego ogranicza się w zasadzie do ślizgania i wbijania twardych cząstek

ścierniwa w rzeczywistą powierzchnię styku, wskutek czego następuje odkształcanie i skrawanie mikroobjętości metalu warstw wierzchnich. Zużycie to można porównać ze szlifowaniem. Jednak proces zużycia ściernego jest nieco bardziej skomplikowany, gdyż udział w nim biorą nie tylko ziarna utwierdzone lecz i ziarna swobodne, które oprócz działania skrawającego są przetaczane i wbijane w jedną z warstw wierzchnich.

1.2 Zużycie adhezyjne Zużycie adhezyjne polega na lokalnym sczepianiu metalicznym (adhezji) powierzchni trących w mikroobszarach odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej, a zwłaszcza najwyższych wierzchołków chropowatości zbliżonych na odległości działania sił molekularnych i następnym ich rozrywaniu związanym z odrywaniem cząstek metalu lub jego rozmazywaniem na powierzchni tarcia.

5

1.3 Scuffing Ten rodzaj zużycia łączy w sobie elementy zużycia ściernego i adhezyjnego, a polega na sczepianiu się i następnym rozrywaniu połączeń wierzchołków nierówności w mikroobszarach styku. Występuje w przypadku gdy podczas smarowania warstwa olejowa istnieje lecz jest zbyt cienka w stosunku do wysokości wierzchołków nierówności.

1.4 Zużycie z udziałem utleniania Zużycie to polega na niszczeniu warstwy wierzchniej metali i stopów w warunkach tarcia w wyniku oddzielania warstw tlenków utworzonych w strefie tarcia wskutek absorpcji tlenu oraz warstw roztworów stałych powstałych następnie w wyniku dyfuzji tlenu w odkształcone plastycznie lub sprężyście obszary metalu.

1.5 Zużycie zmęczeniowe Cykliczne oddziaływanie naprężeń kontaktowych w warstwach wierzchnich współpracujących elementów tarciowych wywołuje zmęczenie materiału i w wyniku tego miejscową utratę spójności i związane z tym ubytki materiału, co stanowi istotę zużycia zmęczeniowego. Ubytek masy następuje dopiero po przekroczeniu przez poszczególne mikroobszary materiału granicznej liczby cykli obciążenia i wytrzymałości zmęczeniowej. W początkowym etapie pojawiają się mikropęknięcia, a następnie makropęknięcia materiału.

2. Metody badania zużycia Stosowane metody badania zużycia umożliwiają ocenę względnej odporności materiałów na zużycie. Wartość zużycia, a w niektórych przypadkach i intensywność zużywania, można ocenić za pomocą następujących metod ilościowych: wagowej, metrycznej, sztucznych baz, profilografowania, pomiaru natężenia przepływu płynów przepływających przez szczelinę między trącymi elementami, pomiarów tensometrycznych i aktywności izotopów promieniotwórczych. W dalszej części pokrótce zostaną omówione najczęściej stosowane metody badania zużycia. Metoda wagowa polega na ważeniu badanej próbki przed i po próbie pracy. Różnica masy próbki, odniesiona do drogi tarcia, pracy tarcia albo czasu pracy, przedstawia średnią intensywność zużycia materiałów współpracujących. Do niedoskonałości metody wagowej należy brak ciągłej rejestracji ubytku masy badanej próbki, natomiast dużą zaletą ze względu na uproszczenie przebiegu badań jest niewrażliwość tej metody na wzrost temperatury próby, a co za tym idzie na zmianę wymiarów liniowych skojarzonych materiałów. 6

Metoda metryczna, nazywana popularnie mikrometrażem, oparta jest na pomiarze wymiaru liniowego elementu badanego przed jego zużyciem i po określonym etapie zużycia. Dokładność mechanicznych narzędzi pomiarowych nie jest zbyt duża. Stosując optyczne przyrządy pomiarowe (np. mikroskopy warsztatowe, można uzyskać dokładność rzędu ułamków mikrometra. Wadą tej metody podobnie jak metody tensometrycznej jest jej wrażliwość na wzrost temperatury trących elementów a więc i zmiana ich wymiarów liniowych. Fakt ten pociąga za sobą konieczność dokładnej stabilizacji temperatury tarcia co w przypadku wielu maszyn uniemożliwia prowadzenia prób „na sucho". Metoda profilografowania polega na porównaniu profilogramów badanej powierzchni wykonanych przed i po próbie zużycia. Przy małych wartościach zużycia zarysy tych samych wklęsłości są niezmienne na profilogramach, a występy nierówności zmieniają swoją wysokość. Określając odchylenie linii występów nierówności od linii wklęsłości, otrzymujemy wartość zużycia. Przy dużych wartościach zużycia, przekraczających wielkość początkowych nierówności elementów współpracujących, konieczne jest zachowanie na badanych próbkach bazy odniesienia (powierzchnia nie pracująca), względem której jest oceniana wartość zużycia. Metoda sztucznych baz polega na pomiarze przed i po zużyciu wymiarów wytworzonego w badanej warstwie wierzchniej wgłębienia o określonym kształcie i głębokości. Wierzchołek (dno) wgłębienia jest punktem odniesienia pomiaru zużycia (Rys. 4). Przy pomiarach odczytuje się średnicę lub przekątną sztucznej bazy. Z odpowiednich zależności między tymi wymiarami, a głębokością odcisku, oblicza się ubytek materiału badanego elementu maszyny. W praktyce stosuje się dwa sposoby nanoszenia sztucznych baz: 

odciski penetratora zagłębionego w daną powierzchnię (piramidka Vickersa, Knoopa, kulka Brinella itp.)



wgłębienia o określonych kształtach i wymiarach, wykrawane za pomocą specjalnych przyrządów

Rys.4. Schematyczne przedstawienie idei pomiaru zużycia metodą sztucznych baz

7

Metoda pomiarów tensometrycznych daje wysoką dokładność pomiarów i możliwość zapisu zużycia w sposób ciągły. Zgodnie ze schematem pomiaru: do obracającej się cylindrycznej próbki jest dociskana przeciwpróbka zamocowana do belki. W miarę zużywania pary trącej belka przemieszcza się ku dołowi. Wielkość przemieszczenia jest mierzona przez ekstensometr i zapisywana przez rejestrator. Metoda radioizotopowa pomiaru zużycia opiera się na tym, że aktywność substancji jest proporcjonalna do jej masy. Znając aktywność substancji można wyznaczyć masę produktów zużycia. Jeżeli założymy, że substancja znakująca (znacznik) jest rozłożona proporcjonalnie w całej masie badanego elementu, to ilość produktów zużycia będzie proporcjonalna do masy substancji znakującej materiał danego elementu. Zasada pomiaru radioizotopowego sprowadza się do wprowadzenia do badanego elementu substancji znakującej, a następnie do określenia jej ilości w produktach zużycia lub ilości, która pozostała w badanym elemencie. Opisane powyżej metody ilościowego pomiaru wartości i intensywności zużycia wykorzystuje się w specjalnych maszynach do tribologicznych badań modelowych. W zależności od rodzaju maszyny badawczej mogą one posiadać możliwości pomiaru wartości i intensywności zużycia, a ponadto wartości siły tarcia i temperatury w obszarach styku trących powierzchni. Wybór maszyny do badań tribologicznych jest uzależniony od następujących warunków: 

kinematyki ruchu współpracujących elementów maszyn,



dynamiki obciążenia badanych elementów maszyn,



geometrii styku trących elementów maszyn,



rodzaju tarcia uwzględniającego smarowanie i chłodzenie,



wymiarów badanych elementów maszyn,



dysponowanej ilości materiału przeznaczonego do badań.

3. Najczęściej stosowane metody badawcze Spośród różnych metod stosowanych w badaniach tribologicznych w ostatnich latach największym zainteresowaniem cieszą się dwie podstawowe metody: 1. Próba tarcia w układzie: 3 wałeczki i stożek, 2. Metoda „Pin on disk".

3.1. Opis metody „3 wałeczki - stożek" Pierwsza z nich ze względu na powszechność stosowania oraz prostotę wykonywania urządzenia ujęta została w polskiej normie PN-83/H-04302. Metoda ta polega na tarciu w określonych warunkach 8

trzech nieruchomych próbek w kształcie walca o obracającą się stożkową przeciwpróbkę. W czasie testu wyznacza się wielkości, na podstawie których określa się odporność na zużycie i odporność na zatarcie .

Rys.5. Schemat współpracy przeciwpróbki i próbek w metodzie „3 wałeczki i stożek"

Ze względu na specyfikę pomiarów oraz geometrię układu Rys.5, Rys.6 i Rys.7 (przenikające się powierzchnie walcowe) należy zdefiniować niektóre pojęcia związane z próbą: ślad wytarcia - wgłębienie na walcowej powierzchni badanej próbki, spowodowane ubytkiem materiału podczas tarcia o przeciwpróbkę, pasmo wytarcia - część stożkowej powierzchni przeciwpróbki, stanowiąca obszar powierzchni tarcia o próbkę

Rys.6. Efekt współpracy próbki z przeciwpróbką

9

Metoda „trzy wałeczki i stożek” umożliwia prowadzenie prób tarcia czołowego przy stałej prędkości obrotowej przeciwpróbki, równej 9,6s-1, 24s-1 i 53,3s-1 oraz obciążeniu osiowym układu trzech próbek siłą P równą 0,18-126N. Urządzenie do badań powinno być wyposażone w nieruchomą głowicę, umożliwiającą zamocowanie w niej trzech wałeczkowych próbek oraz równomierne ich dociśnięcie do stożkowe przeciwpróbki (Rys. 5). Pomiarów zużycia dokonuje się mierząc pod mikroskopem optycznym ślad wytarcia na próbce (Rys. 7). Na podstawie tego pomiaru z tablic odczytuje się głębokość wytarcia próbki. Uśredniając wyniki dla trzech próbek, można obliczyć intensywność zużycia I [mm/m.].

gdzie hśr - średnia głębokość wytarcia ; k - droga tarcia. Niewątpliwą zaletą tej metody jest możliwość przeprowadzenia charakterystyki zużycia w funkcji drogi lub czasu próby. Jest to możliwe dzięki temu, że pomiary dokonywane są wielokrotnie podczas trwania całego testu. Wynika to między innymi z konieczności korekty nacisku jednostkowego przeciwpróbki związanego ze zwiększającą się w czasie próby powierzchnią wytarcia. Dodatkowo procedurę ułatwia fakt zastosowania specjalnego uchwytu. Dzięki niemu po zdemontowaniu próbek (z uchwytem) w celu dokonania pomiarów mikroskopowych, powtórny montaż nie zmienia względnej geometrii układu przeciwpróbka - próbka i możliwe jest kontynuowanie testu.

Rys.7. Geometria zużycia próbek w metodzie „3 wałeczki - stożek" h - głębokość wytarcia a - długość śladu wytarcia D - nominalna średnica przeciwpróbki mierzona w płaszczyźnie współpracy z próbką

10

3.2. Opis metody „pin-on-disk" W metodzie „pin-on-disk” w odróżnieniu od metody „3 wałeczki i stożek", elementami trącymi są dwie powierzchnie płaskie tj. czoło wałeczka (próbki) i tarczy. Ma to szczególnie istotne znaczenie w przypadku badania warstw, gdyż nie występuje tu zjawisko ich przecinania na kolejnych głębokościach. W takim bowiem wypadku odporność na ścieranie jest wypadkową odporności z różnych głębokości warstwy. W zależności od konstrukcji i oprzyrządowania, urządzenie może realizować metodę pomiarową wagową, metryczną, tensometryczną lub sztucznych baz. Przy czym najczęściej wykorzystywany jest pomiar wagowy lub tensometryczny. Metoda „Pin-on-disk” polega na ścieraniu wałeczka (próbki) osadzonego w uchwycie, przez wirującą tarczę (przeciwpróbkę) przymocowaną do wrzeciona dzięki pierścieniowi dociskowemu (Rys.8). Cechą charakterystyczną oraz podstawową zaletą tej metody jest stałość i równomierność nacisków jednostkowych na próbkę w ciągu całego czasu trwania próby. Cecha ta jest bezpośrednio związana z geometrią układu: przeciwpróbka - próbka ponieważ podczas całej próby (wyłączając czas docierania) powierzchnia tarcia próbki nie zmienia się i jest równa polu powierzchni przekroju próbki.

Rys.8. Schemat współpracy próbki i przeciwpróbki w metodzie pin-on-disk Kolejną cechą tej metody jest możliwość korzystania ze stosunkowo niewielkiej ilości materiału niezbędnego do przeprowadzenia pomiarów odporności na ścieranie. Dysponując bowiem tylko jedną próbką (zakładając badanie materiału o jednolitych właściwościach w całej objętości) o minimalnych wymiarach 3mmx 10mm można przeprowadzić serię testów. Cecha ta często decyduje zdecydowała o 11

wyborze metody badawczej, gdyż niewielka liczba próbek znajdujących się do dyspozycji uniemożliwiła wykorzystanie innej metody. W przypadku prowadzenia pomiarów zużycia metodą tensometryczną rejestrowany jest liniowy ubytek długości próbki podczas ścierania. Realizowane jest to w ten sposób, że do odpowiednio obciążonego uchwytu próbki mocowany jest czujnik tensometryczny rejestrujący zmiany jej długości. Po przyłożeniu nacisku do próbki, powierzchnie styku z przeciwpróbką nie są idealnie równoległe. W związku z tym w początkowym etapie, ze względu na zmieniającą się dynamicznie powierzchnię tarcia próbki, ulegają zmianie parametry próby (nacisk jednostkowy), co wpływa na dokładność wyniku końcowego. Biorąc to pod uwagę na podstawie prób wstępnych określany jest tzw. czas docierania czyli czas, w którym zostają ustalone powierzchnie współpracy próbki i przeciwpróbki. Pomiar zużycia liniowego próbki rejestrowany jest od momentu zakończenia czasu docierania. Mierząc czas próby oraz ubytek liniowy próbki otrzymujemy intensywność zużycia. Niedoskonałością tej metody jest jej wrażliwość na wzrost temperatury wynikający z procesów tarcia i powodujący zmiany wymiarów liniowych pary próbka - przeciwpróbką. Fakt ten stwarza konieczność stabilizacji temperatury (chłodzenie), co znaczenie komplikuje konstrukcję urządzeń, a w niektórych wypadkach uniemożliwia prowadzenie prób na sucho. W przypadku badań odporności na zużycie metodą wagową, dokonuje się pomiarów masy próbki przed po próbie tarcia, a różnica wyników jest miarą zużycia. Biorąc pod uwagę czas bądź drogę tarcia otrzymuje się intensywność zużycia wyrażoną np. w [mg/km] lub [mg/min]. W metodzie tej nie ma prostego sposobu na wyodrębnienie czasu docierania. W związku z tym na podstawie prób wstępnych należy tak dobrać czas (drogę) tarcia, aby wpływ niedokładności związanej z czasem docierania był mniejszy niż standardowy rozrzut wyników. Należy przy tym podkreślić, że czas docierania jest ściśle zależny od dokładności wykonania maszyny zużyciowej oraz dokładności przygotowania próbek (równoległość powierzchni współpracy). W przypadku p badań porównawczych niezwykle istotny jest dobór odpowiedniego materiału do wykonania przeciwpróbki. Materiał ten powinien posiadać jednakowe właściwości w całym przekroju (brak warstw technologicznych) oraz nie powinien ulegać mierzalnemu ścieraniu podczas próby. W związku z tym najczęściej na przeciwpróbki stosuje się stale odporne na ścieranie (NC, SW) po ulepszaniu cieplnym. Podstawowym jednak kryterium doboru przeciwpróbki jest jej twardość, która (optymalnie) powinna być wyższa niż mierzonej próbki. Na Rys.9. przedstawiono przykładowy schemat maszyny przeznaczonej do przeprowadzania prób ścierania metodą „pin-on-disk” typu TESTER T - 01 M.

12

Rys.9. Schemat budowy maszyny ścierającej metodą pin-on-disk typ TESTER T-01 M

13...