Tribologia opracowanie PDF

Preview

Summary

Download Tribologia opracowanie PDF

Description

Skutki tarcia: 1)opór tarcia(τ,μ,Mo); 2)ciepło; 3) zużywanie:μ= 0.04-0.05,czyste metale μ  1,( μmax/ μmin  20-25 razy Zużywanie tribologiczne – jest to proces ciągły niszczących zmian pierwotnego stanu masy, składu chemicznego, struktury, stanu naprężenia i odkształcenia warstwy wierzchniej spowodowane tarciem ciał współpracujących i oddziaływaniem środowiska przejawiającej się w postępującej zmianie wymiarów i kształtów trących się ciał. Miary zużycia: a)bezwzględne * zużycie liniowe h (zmiana wymiaru) * zużycie objętościowe Zv * zużycie wagowe Zw (zmiana gęstości) b) intensywność zużywania:Iz = Z/S, zużycie/droga tarcia *liniowego Izl = h/s *objętościowego Izv = Zv/S *wagowe Izw = Zw/S Klasy intensywności zużycia (jest ich 12) 12-11 klasa tuleja cylindra- pierścień tłokowy silnika spalinowego 10-9 klasa prowadnice obrabiarek 8-7 klasa łożyska ślizgowe c)szybkość zużywania Vz = Z/t d)odporność na zużywanie Jz = 1 /Iz , J = 1/υz e)wsp. zużycia K= Zv/(p*s) Przebieg zużywania

I – okres docierania – warstwa wierzchnia adaptuje się do warunków tarcia i powstaje eksploatacyjna warstwa wierzchnia, czas docierania to okres dużej wrażliwości Prawidłowości docierania: R 2

R 2

R 2

1

1

1

czas

ad.2

Z

Zdop

czas

Z

czas

1 2 3

4

czas s,t Zmian struktury warstwy wierzchniej 1. zużycie smarowe nie filtrowanego oleju 2. zużycie, które ma miejsce przy umacnianiu (elementów) pod wpływem zgniotu 3. zużycie elementów hartowanych i ulepszanych 4. zużycie łożysk tocznych Docieranie nie można zastąpić obróbką docieranie można skrócić znając R równowagowe, wtedy zmniejszamy zużycie II – zużycie jest proporcjonalne do czasu lub drogi,

III – okres przyspieszonego zużywania wskutek powiększonych luzów, zużywanie ma charakter przyspieszony, może zakończyć się zatarciem Klasyfikacja zużycia Podział wg dominującego elementarnego procesu zużywania Zużywanie trybologiczne  ścierne – mikroskrawanie, mikrorysowanie  adhezyjne-tworzenie i niszczenie szczepień adhezyjn.  tribochemiczne utleniające – tworzenie warstw reakcyjnych  zmęczeniowe – cykliczne oddziaływanie naprężeń kontaktowych ścierno-korozyjne (fretting) – połączone działanie wyżej wymienionych procesów zużycia  wodorowe Tabela dotyczy przede wszystkim metali, w procesie zużywania uczestniczą zawsze przynajmniej 2 ciała. Do tych procesów dochodzą jeszcze inne procesy niszczące np. korozja, zniszczenie. Zużywanie ścierne = ścieranie: Jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał w wyniku mikro skrawającego, mikro rysującego i ścinającego oddziaływanie elementów ściernych – cząstek ścierniwa, produktów ścierania, wierzchołków chropowatości i twardych składników strukturalnych. Mikroskrawanie – jest to zjawisko wykrawania w materiale pewnej mikro objętości przez umocowane elementy ścierne. Warunkiem występowania jest zdolność uniknięcia elementu ściernego na odpowiednią głębokość, musi nastąpić ruch względny f1=0 Mikrorysowanie- zjawisko tworzenia się rysy w materiale przez przesuwający się element ścierny, częściowo w skutek mikroskrawania i częściowo przez odsuwanie materiału na boki f11 hW/hN>1 -> utworzenie szczepienia adhezyjnego 2. Hipoteza dyfuzyjna – łączenie metali w stanie stałym (s*a) następuje w skutek dyfuzji powodującej przerastanie ziaren przez pierwotną granicę rozdziału. t=10do-9 podzielone 10do-6s 3. Hipoteza wiązań metalicznych – uwarunkowane powstaniem wiązań metalicznych między atomami. 4. Hipoteza wzajemnej rozpuszczalności trących się metali – zakłada ona, że skłonność metali do sczepiania określa ich zdolność do tworzenia roztworów stałych. Czynniki mające wpływ na rozpuszczalność - strukturalny (jednakowy typ sieci krystalicznej) - wielkość atomów (zbliżone wielkości średnic atomowych różnica niewiększa niż 15%) - elektrochemiczny (im bardziej metale zbliżone elek.) - wartościowość względna (jednakowa sprzyja tworzeniu roztworów stałych) L.F. Coffin a) pełna skłonność do szczepień Fe-Cu, Zn-Cu b) częściowa skłonność do sczepiania Al.-Fe, Fe-Ti c) ograniczona skłonność do sczepiania Fe-Ag Z punktu widzenia zdolności do sczepiania dużo lepsze jest skojarzenie materiałów różnoimiennych. Nawet metale które nie wykazują rozpuszczalności mogą wykazywać skłonności do tworzenia szczepień adhezyjnych . 5. Hipoteza energetyczna Sczepianie rozwija się w kilku etapach:1- utworzenie kontaktu fizycznego, 2- aktywacji powierzchni styku, 3- utworzenia wiązania metalicznego

Zużywanie trybo-chemiczne Polega ono na adsorpcji aktywnych składników otoczenia (tlenu z powietrza, siarki, fosfory itp. ze środka smarowego) na trących się powierzchniach, ich dyfuzje w odkształcone plastycznie mikroobszary warstwy wierzchniej a następnie tworzenie warstewek reakcyjnych i usuwaniu ich mechanicznie w skutek ścierania, wykruszania, zmęczenia. 1. Czynnikiem aktywującym jest odkształcenie plastyczne. 2. Warstwa reakcyjna jest mieszaniną związków chemicznych z metalem pary tarcia. 3. Grubość warstewek 10-100nm Wpływ na grubość właściwości warstewek ma: - reaktywność rys wyżej Zużywanie trybo-chemiczne zachodzi przy tarciu tocznym. Dwa podejścia: - stosowanie dodatków do środków smarnych - działać od strony materiału Zużywanie wodorowe Jego istota polega na stopniowym niszczeniu warstwy wierzchniej w skutek adsorpcji wodoru na stali i żeliwa i jego dyfuzji w głąb materiału. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużywania wodorowego stali i żeliw: – dyspersyjne zużywanie – polega na rozluźnieniu struktury przypowierzchniowej warstw stali i żeliw i ułatwieniu oddzielenia produktów zużycia – wykruszanie – występuje wtedy gdy strefa przypowierzchniowa zostanie silnie nasycona wodorem i pod wpływem odkształceń powstają znaczne naprężenia, które powodują wykruszanie materiału ze strefy przypowierzchniowej Zużycie adhezyjne Zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał na skutek powstawania szczepień adhezyjnych między wierzchołkami nierówności oraz ich rozrywaniu i oddzielaniu przy ruchu względnym powierzchni. Zużycie to zachodzi w obrębie pojedynczych elementów nierówności. W tarciu ruchomym i nie ruchomym.

ZACIERANIE ADHEZYJNE OGNISKO ZACIERANIA – obszar sczepiania adhezyjnego o wymiarze krytycznym, którego powstanie implikuje niestabilność tarcia i niszczenie trących się ciał zwiększające intensywnością, co może doprowadzić do unieruchomienia trących się elementów.

ZATARCIE – zatrzymanie ruchu węzła ślizgowego w skutek dominacji tarcia zlokalizowanego w głębi warstwy wierzchniej powodującego jego trwałe uszkodzenie. ZACIERANIE – zbiór zjawisk zlokalizowanych w węźle ślizgowym, głównie w głębi warstwy wierzchniej powodujących zwiększone i niestabilne tarcie, których rozwój może doprowadzić do tarcia.

Wybrane modele zacierania adhezyjnego a) model Kosteckiego – jest oparty o prawo adaptacji strukturalnej zgodnie, z którym dla wszystkich materiałów istnieją takie zakresy wymuszeń zew. nacisków, prędkości w których tarcie i zużycie są stabilne i o kilka rzędów wielkości mniejsze niż poza tym zakresem. Model Kosteckiego pozwala określić odporność na zacieranie skojarzenia ślizgowego jako jego zdolność do przenoszenia wymuszeń zew. w warunkach zużywania trybochemicznego. b) model Bloka (1937) – dotyczy zacierania gorącego. Zgodnie z tym modelem przerwanie ciągłości warstewki smaru następuje wówczas gdy dla danej kombinacji materiału pary trącej i chemicznie nieaktywnego smaru następuje przekroczenie określonej temperatury krytycznej w strefie tarcia TΕ=Tp+Tb>TKr , Tp –temp.powierzchni, Tb-temp. błysku Tp=f(P,υ,An, μ,λ,κ,) , μ-wsp.tarcia, λ-przewodność cieplna, κ-wsp.chłodzenia Tb=f(P,υ , μ,λ,κ,d,) d-średnica elementarnych powierzchni styku TΕ=Tp+Tb>TKr –warunek nie występowania zacierania c) model kinetyczny – opiera się na dwóch postulatach wyprowadzonych z kinetyki chemicznej: – jeśli występuje zmiana wymuszeń zew. to układ fizyczny przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego, – przejście z jednego stanu równowagi do drugiego nie odbywa się w sposób bezpośredni ale etapowo Punkt krytyczny można określić jako zmianę rodzaju oddziaływań w strefie kontaktu tarciowego pod wpływem wymuszeń zew. I-tarcie płynne bez zużywania II-tarcie graniczne, używanie trybochemiczne III-tarcie mieszane zużywanie adhezyjne IV-zacieranie adhezyjne V-zatarcie A-przerwane ciągłości warstewki smarnej i niszczenie warstw struktur wtórnych B- utworzenie mikroszczepień adhezyjnych C-powstanie ogniska zacierania D-zatarcie Zacieraniemechanicznezadzieranie, płynięcie plastyczne adhezyjnezimne, gorące

UKSZTAŁTOWANIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE Postulaty dotyczące ukształtowania warstwy wierzchniej, kinematycznego modelu zacierania adhezyjnego.

sformułowane

na

podstawie

FRETTING Fretting – jest to zjawisko naruszenia warstwy wierzchniej dwóch elementów będących we względnym ruchu ślizgowym posuwisto-zwrotnym, o małej amplitudzie nie większej niż 100 mikrometrów (300). Jest to stosunkowo najmniej rozpoznawany rodzaj zużycia, nie został wciąż określony jego mechanizm, nie ma frettingu ogólnej uznanej definicji. Fretting spowodowany jest mikro przemieszczeniami względnymi kontaktujących się elementów które mogą być spowodowane: a)drganiami zespołu lub maszyny b)ruchami roboczymi elementów – łożyska pracujące przy ruchu wahadłowym o bardzo małej amplitudzie, styki piór resorów pionowych, styk powierzchnie oporowej sprężyny z gniazdem. Inny podział skojarzeń elementów, elementów w których zachodzi fretting to: 1. Połączenia nominalnie nieruchome, w których odkształcenia sprężyste jednego lub dwóch elementów są przyczyną frettingu. Należą tu: - połączenia śrubowe czopów, wałów lub osi z kołami zębatymi pasowymi - połączenia śrubowe, nitowe zatrzaskowe - liny stalowe, połączenia sworzniowe Groźnym następstwem frettingu jest zmiana pasowania, utrata szczelności np. połączenia nitowego, powstanie karbu na wale lub osi, co może doprowadzić do złomu zmęczeniowego. 2. Połączenia wykonujące okresowo względny ruch – niektóre typy zaworów, łożyska wahliwe, zestaw kolejowy z automatyczną zmianą rozstawu kół. Podstawowym niebezpieczeństwem jest unieruchomienia skojarzenia wskutek nagromadzenia się produktów zużycia. Produktami frettingu są tlenki o objętości właściwie większej niż objętość luźnego metalu z którego zostały utworzone. Dlatego powodują one m.in. „kasowanie luzu” i unieruchomienie połączenia. W przypadku lin stalowych gdzie przyczyną frettingu są mikroprzemieszczenia splecionych włókien (drucików) dochodzi do ich wybrzuszenia. Cechy charakterystyczne frettingu 1. Prędkość względna przy frettingu jest dużo mniejsza niż dla innych rodzajów zużycia.

2. Powierzchnie stykają się podczas całego procesu współpracy co bardzo utrudnia lub uniemożliwia wydostawanie się produktów z użycia ze strefy kontaktu. 3. Produkty zużycia mają charakterystyczną barwę. W przypadku stali produkty frettingu przypominają proszek kakaowy ale o barwie bardziej czerwonej niż produkty zwykłej korozji albo mają barwę czarną podczas gdy produkty korozji są białe 4. Powierzchnia pokryta jest wgłębieniami („wżery frettingowe”), występują na niej także pęknięcia zmęczeniowe. Mechanizm frettingu – hipotetyczny Oddziaływanie mechaniczne na elementarnych powierzchniach styku powstanie: 1) Odkształcenie plastyczne i umocnienie materiałów oraz usunięcie – starcie - warstew tlenkowych –powstają tlenkowy (pierwotne) produkty zużycia 2) Między fizycznie czystymi mikroobszarami kontaktujących się metali dochodzi do utworzenia szczepień adhezyjnych (zimnych) – warunki są tam wyjątkowo sprzyjające -> bardzo mała prędkość 3) Sczepienia adhezyjne są niszczone w wyniku czego powstają metaliczne produkty zużycia, które są rozdrabniane i utleniane -> powstają tlenkowe (wtórne) produkty zużycia 4) Ruch względny elementów skojarzenia w skali makroskopowej nie istnieje, dlatego produkty zużycia nie mogą zostać wyprowadzone, ich gromadzenie się doprowadza do wzrostu nacisków pod wpływem których zbierają one na stykające się elementy jak ziarna ścierne powodując powstanie na powierzchnię wgłębień, często określanych nieelegancko jako „wżery frettingowe” 5) Ponieważ warstwa wierzchnia przenosi także naprężenia, które generują pęknięcia zmęczeniowe 6) Oddziaływania mechaniczne mogą być i najczęściej są intensyfikowane przez oddziaływania korozyjne -> stąd spotykane czasem określenie zużycie cierno-korozyjne (mało precyzyjne). Jak widać mechanizm frettingu jest bardzo złożony, ma on bowiem kilka składowych: - tribochemiczną, adhezyjną, ścierną, zmęczeniową, korozyjną, Schemat powstawania i rozwoju zniszczeń przy frettingu a) gromadzenie się cząstek w przestrzeniach między stykami wierzchołków nierówności b) łączenie stykających się przestrzeni w większe obszary c) wzrost warstewki tlenków d) krzywo liniowe głębienie jako rezultat silnego oddziaływania ściernego Ważniejsze czynniki wpływające na fretting a) wymuszenia zewnętrzne (amplituda, częstość, obciążenie) b) otoczenie (wilgotność, temp, atmosfera) c) struktura i właściwości węzła (geometria styku, wymiary węzła, warstwa wierzchnia) 1. Amplituda oscylacji Istnienie oscylacji jest warunkiem występowania frettingu dlatego jej amplituda jest uznawana za jeden z najważniejszych parametrów wywierających wpływ na jego intensywność Można mówić o trzech wartościach progowych oscylacji: I – poniżej nie poślizgu występują tylko odkształcenia sprężyste (i plastyczne) mikroobszarów co może być przyczyną zmęczenia po jej przekroczeniu występuje cząstkowy poślizg II – pełny poślizg III – granica między frettingiem a oscylacyjnym ślizganiem, jej przekroczanie jest związane z usuwaniem produktów zużycia ze strefy kontaktu obecność tych produktów wpływa na przebieg frettingu. Jeśli są one usuwane z obszaru styku to przebieg zachodzących tam zmian zostaje zmodyfikowany i wtedy nie można już mówić o frettingu. 2. Częstotliwość oscylacji Ze zmianą częstotliwości oscylacji następuje zmiana: prędkości względnej co implikuje zmianą temperatury oraz czasu utleniania powierzchni. Zmniejszenie częstotliwości przy stałej amplitudzie zwiększa czas utleniania, dlatego można oczekiwać wzrostu zużycia.

Zwykle zużycie frettingowe ze wzrostem częstotliwości stabilizuje się na pewnym poziomie (pozostałe wymuszenia - bz) rys s.37 3. Obciążenie normalne Znaczne uszkodzenia frettingowe mogą wystąpić już przy małych naciskach. Jeśli amplituda oscylacji jest stała, to zużycie frettingowe zwykle zwiększa się liniowo. Trudność w określaniu wpływu obciążenia na fretting polega na tym, że w większości stanowisk badawczych wzrost obciążenia powoduje spadki amplitudy oscylacji rys s.37 4. Wpływ wilgotności powietrza Wywiera znaczący i złożony wpływ na zużycie frettingowe. Dla żelaza – największe zużycie zaobserwowano dla wilgotności względnej wynoszącej 10 % W suchym powietrzu – drobne cząstki, 100% wilgotności 4 razy większe. Istnieją doniesienia lit. o efekcie smarującym cząstek sadzy i jednoczesnym intensyfikowaniu korozji. 5. Wpływ twardości trących się materiałów Wzrost twardości zwiększa odporność na zużycie frettingowe. Waga tego wpływu może być jednak różna. Można przyjąć, że wzór str.38 6. Wpływ chropowatości Z wielu badań wynika, że im mniejsza chropowatość, tym większe zużycie frettingowe -> większa jest skłonność do tworzenia szczepień. szczepień przypadku większej chropowatości warstewki są odkształcone plastycznie co prowadzi do ich złanczania i umocnienia. Dzięki temu nierówności przenoszą część przemieszczeń stycznych w wyniku odkształceń sprężystych, nie dopuszczając do wystąpienia mikropoślizgów. Ponadto na chropowatej powierzchni produkty frettingu mają się gdzie pomieścić przez jakiś czas, dzięki temu nie tworzą się wgłębienia frettingowe. 7. Wpływ substancji smarującej W skojarzeniu narażonym na fretting środek smarowy: 1) Utrudnia dostęp tlenu 2) Zmniejsza opory tarcia 3) Utrudnia powstawanie szczepień adhezyjnych W ogólnym przypadku zmniejszają się wielokrotnie zużycia frettingowe. W celu zmniejszenia frettingu stosowane są zarówno oleje smarowe jak równiej smary plastyczne i stałe. Najbardziej skuteczne są oleje smarowe bo najłatwiej dopływają do obszaru styku gdzie fretting występuje. Ich stosowanie jest jednak ograniczone przede wszystkim ze względu na twardość w ich utrzymaniu w obszarze styku – czyli ze względu na wyciekanie. Smary plastyczne mają lepszą zdolność utrzymania się w obszarze styku, jednak trudniej przedostają się do elementarnych powierzchni styku, ponadto zlepiają się z produktami zużycia i doprowadzają do unieruchomienia węzła. Jako smary stałe najczęściej stosowane są MOSZ, PTFE, grafit i inne. Problem smarowania skojarzeń, w których występuje fretting jest trudny do rozwiązania. Sposoby ograniczania frettingu Wybór sposobu zależy od konkretnego węzła i musi być dostosowany do jego specyfiki. Sposoby konstrukcyjne: - zastąpienie połączenia nitowego spawanego - eksmitacja drgań -> maksymalne zwiększenie u („mi”) - zmniejszenie oporów tarcia przez zastosowanie smarowania - dobór odpowiednich materiałów na elementy skojarzeń - zmniejszenie koncentracji naprężeń powodujących fretting (rys s.39) - sfazowanie powłok ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE Ten rodzaj zużycia jest charakterystyczny dla węzłów tarcia tocznego, aczkolwiek w ograniczonym zakresie. Występuje również w węzłach ślizgowych. Jedną z cech charakterystycznych węzłów tocznych jest duża różnica krzywizny współpracujących elementów – elementu tocznego i bieżni łożysk tocznych, krzywki i ślizgu, zębów kół itd., a konsekwencją występowanie naprężeń

kontaktowych, bo styk jest punktowy lub liniowy. Cykliczne obciążenie warstwy wierzchniej toczących się (trących) elementów powoduje ich zmęczenie, z w konsekwencji zużycie. Zużycie zmęczeniowe – zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej polegające na powstawaniu miejscowych ubytków w skutek zmęczenia materiału wywołanego cyklicznym oddziaływaniem obciążeń w obszarze styku. Zależnie od warunków tarcia, na sucho lub ze smarowaniem, rozróżnia się dwa rodzaje zużycia zmęczeniowego: - zużycie przez łuszczenie (spalling) - pitting (zużycie gruzełkowe) a) zużycie przez łuszczenie występuje wtedy, gdy tarcie toczne lub toczenie z poślizgiem zachodzi na sucho lub gdy węzeł jest słabo smarowany. Zużywanie to polega na oddzielaniu się materiału w postaci łusek. Procesowi temu towarzyszy zazwyczaj utlenianie się materiału w strefie przypowierzchniowej. Powierzchnie zużyte przez łuszczenie mają obszerne lecz stosunkowo płytkie ubytki, są stosunkowo rzadko rozmieszczone oraz są pokryte rozwalcowanymi cząstkami wcześniej oddzielonymi. Zuzywanie tego rodzaju występuje w układach: koło - szyna, słabo smarowanych łożyskach tocznych i przekładniach zębatych, zębatych także w walcach hutniczych b) pitting, zużycie gruzełkowe - (węzeł smarowany) jest to spowodowane cyklicznym oddziaływaniem obciążeń przy fizykochemicznym wpływie substancji smarującej. Mechanizm pitting jest trochę inny niż sparingu. W szczeliny powstałe w skutek zmęczenia wtłaczany jest pod wysokim ciśnieniem środek smarny. Ciśnienie to jest wywołane ruchem tocznym lub toczno – ślizgowym współpracujących elementów - smarowanie EHD. Wtłoczony do szczeliny środek smarny rozklinowuje ją i powoduje dodatkowe naprężenia cykliczne - efekt hydrauliczny. Oleje z dodatkami uszlachetniającymi o dużej zdolności do adsorpcji sorbujące na ścianach szczeliny wywołują dodatkowo zmniejszenie energii powierzchniowej i zmniejszenie wytrzymałości materiału (tzn. efekt platyfikujący Robindera) wewnątrz szczeliny. Podczas przetaczania się elementów tocznych po sobie, przyścienne warstewki oleju są na przemian ściskane i rozciągane. Olej przenosi więc obciążenia ściskające jak i rozciągające na sieć pęknięć oraz szczelin + powodując – w skutek zniszczenia odrywanie cząstek materiału tak więc proc es zużywania przez pitting składa się z trzech faz: 1) zmęczeniowe pękanie warstwy wierzchniej i utworzenie mikroszczelin na powierzchni 2) rozklinowujące (hydrauliczne) działanie oleju 3) oddzielanie cząstek w skutek adsorpcji oleju i naprężeń rozciągających styku rys. s40 Jak widać smarowanie olejami z dodatkami uszlachetniającymi intensyfikuje pitting. Jednak obecność smaru modyfikuje rozkład na...