Laboratorium przetwórstwa tworzyw

sztucznych

Temat: Tarcie i zużycie Polimerów

Część teoretyczna .

Przez tarcie rozumiemy opór przeciwstawiający się ruchowi dwóch ciał, gdy jedno z tych ciał się porusza (tarcie kinetyczne) lub usiłuje się poruszyć względem drugiego (tarcie statyczne). Tarcie charakteryzuje współczynnik tarcircia wyrażanym stosunkiem tarcia Ttar do obciążenia P, czyli:

[1]

W zależności od kształtu poruszających się względem siebie powierzchni i rodzaju ich ruchu względnego rozróżniamy tarcie posuwiste i toczne.

Tarcie posuwiste, powstające przy wzajemnym przesuwaniu się dwóch ciał bezpośrednio po sobie (tarcie suche), według Amonstona jest wynikiem podnoszenia się i opadania tych ciał na pochyłościach nierówności powierzchniowych. Przyjmując średnią wartość połowy kąta wierzchołkowego nierówność powierzchniową równą , zależność między siłą tarcia Ttar a obciążeniem P, jak wynika z zależności geometrycznych, daje się określić jako Ttar = Ptg. A zatem według tej teorii współczynnik tarcia wyraża się jako:

[2]

Według Bowdena i Tabora na powierzchniach występów nierówności przesuwających się względem siebie dwóch ciał powstają nieustannie złącza podlegające ciągłemu ścinaniu. Tak więc tarcie posuwiste przedstawia opór na ścinanie złącz i może być przedstawione wzorem:

, [3]

gdzie F oznacza rzeczywistą powierzchnię zetknięcia się dwu ślizgających się ciał, Rut - doraźną wytrzymałość na ścięcie. Pod obciążeniem P następuje odkształcenie się (spłaszczanie) występów nierówności. Zakładając, że spłaszczenie występów związane jest z ich odkształceniem elastycznym, czyli występowaniem w występach naprężeń przekraczających granicę plastyczności Ret rzeczywistą powierzchnię styku F można określić jako:

[4]

i wtedy tarcie występujące przy ślizganiu się dwu ciał po sobie możemy opisać jako:

. [5]

Przy tym założeniu współczynnik tarcia wynosi:

. [6]

Zakładając, że spłaszczenie się występów jest uzależnione od twardości HK, powierzchnię styku F możemy określić jako:

[7]

i wtedy tarcie możemy opisać jako:

[8]

Przy tym założeniu współczynnik tarcia wynosi:

[9]

Współczynniki tarcia określone na podstawie stałych materiałowych, zgodnie ze wzorem ( 6 ) lub ( 9 ), wykazują zwykle wartości większe w porównaniu z wartościami wyznaczonymi doświadczalnie. Wyznaczone doświadczalnie współczynniki tarcia posuwistego tworzyw wielkocząsteczkowych tworzą szereg o znacznie różniących się granicznych wartościach i dlatego tworzywa znajdują zastosowanie zarówno jako materiały ślizgowe, jak i materiały cierne. Tworzywa, w kolejności wzrastającego tarcia, można uszeregować następująco: PFE ( = 0.05 ), FF, PA, PE, PW, PS, PMM, PCW, PU, kauczuki (
= 1.5 ). takie tworzywa jak FF i PA, wykazujące tarcie mniejsze od metali ( stal po stali = 0.15 ), są przydatne na elementy ślizgowe.

Liniowa zależność siły tarcia od obciążenia jest słuszna tylko przy dużej prędkości przesuwania się tworzywa po tworzywie; przy małej prędkości poślizgu (poniżej 10-4 m/s ), zależność ta nie jest liniowa i współczynnik tarcia posuwistego rośnie wraz z obciążeniem. Na siłę tarcia wpływa także prędkość poślizgu. W miarę wzrostu prędkości poślizgu współczynnik tarcia początkowo rośnie, następnie maleje. Tłumaczymy to wzrostem właściwości sprężystych trących się tworzyw wraz ze wzrostem prędkości ślizgania (odkształcenia występów nierówności powierzchniowych). Wskutek tego do pewnej granicznej prędkości ślizgania wytrzymałość Rut wzrasta, po czym zachowuje stałą wartość, a powierzchnia F najpierw zachowuje stałą wartość, po czym maleje. Tarcie posuwiste statyczne zależy od czasu przebywania w spoczynku ślizgających się tworzyw. Związane to jest ze wzrostem odkształceń, czyli powierzchni rzeczywistego styku w czasie. Tarcie toczne, powstające przy toczeniu się ciała w postaci kuli lub walca o średnicy D na podłożu, wynika z odkształcenia się ciała i podłoża, zachodzącego pod wpływem obciążenia. W celu wytoczenia ciała z powstałego zagłębienia konieczne jest przyłożenie do niego pewnej siły, którą nazywamy siłą tarcia Ttar.

Ścieralność :

Ścieralnością nazywamy zjawisko polegające na tworzeniu się rys na powierzchni materiału podczas ślizgania, toczenia po niej lub uderzania o nią ciała lub cieczy. Pod wpływem rylca diamentowego na powierzchni próbki z tworzywa w stanie kruchym tworzy się trwała rysa, związana z wyrywaniem cząstek materiału, a z tworzywa w stanie wymuszonej elastyczności lub wysokoelastycznym - rysa zanikająca w czasie, związana z odkształceniem elastycznym ( przesuwanie materiału na boki ).

Największą ścieralność poślizgową w temperaturze otoczenia wykazują tworzywa bezpostaciowe o wysokiej temperaturze kruchości (np. PS, ABS, PMM itp.) i tworzywa znacznie usieciowane (FF, MF, E itp.). Ścieralność zaś tworzyw krystalicznych i tworzyw znacznie usieciowanych jest mała. Dlatego na łożyska polecany jest PA , PF i dobrze spieczony PFE, na wyroby trące się o ziarniste podłoże - PEmg i kauczuk poliuretanowy, na opony - przede wszystkim kauczuk styrenowy.

Ścieralność poślizgową wyrażamy zwykle stosunkiem ubytku masy (ciężaru) ścieranej próbki do czasu (drobi lub pracy) ścierania. Ścieranie toczne lub uderzeniowe jest tym mniejsze, im mniejsza jest twardość wycieranej powierzchni. tak na przykład, gumowe opony zużywają się znacznie wolniej niż koła metalowe, gdyby pracowały w tych samych warunkach, a przewody gumowe do pneumatycznego transportu piasku ulegają znacznie wolniejszemu zużyciu od stalowych. Tłumaczymy to tym, że elastyczna powierzchnia miękkich materiałów odbiera energię uderzenia cząsteczek i zwraca ją im, nie ulegając zniszczeniu.

Zużycie :

Procesowi tarcia towarzyszy zużycie. Wyróżnia się kilka postaci tego zjawiska:

zużycie cierne - występuje ono przy odpowiedniej chropowatości powierzchni metalowej i jest bardziej intensywne dla tworzyw mało sprężystych takich jak duroplasty.

zużycie adhezyjne - jeżeli metal jest dostatecznie gładki to występuje ta postać zużycia spowodowana tworzeniem chwilowych połączeń adhezyjnych.

zużycie cieplne - ma ono charakter awaryjny, prowadzi do nieodwracalnych zmian destrukcyjnych powierzchni trących. dzieje się tak dlatego, iż tworzywo przy podwyższonej ponad stan, temperaturze przechodzi w stan gumowaty a następnie w stan płynny. Ostatecznie efekt zużycia objawia się w postaci płynięcia lub miejscowego zwęglenia.

Podział tarcia:

ze względu na

techniczne

suche spoczynkowe ślizgowe

fizyczne

ruchowe toczne

mieszane

półpłynne wiertne

faza stała

płynne

faza płynna

graniczne

Badanie własności ciernych :

Badanie własności ciernych przeprowadziliśmy dla tworzywa sztucznego o nazwie poliamid. Próbę ścieralności przeprowadziliśmy na urządzeniu, które jest pokazane na rys.1 (Fig. 1). Wyniki tej próby, jak również przebieg mogliśmy obserwować dzięki komputerowi, który był sprzężony z układem badawczym. Przykład wartości otrzymywanych na monitorze i przekazywanych przez komputer, pokazany jest na rysunku.

Przed przystąpieniem do wykonania próby badane próbki należy dokładnie oczyścić. Proces ten przeprowadza się w myjce ultradźwiękowej. Rozpuszczalnikiem dla poliamidu jest czterochlorek węgla.

Próbę badania tarnamidu wykonaliśmy dla następujących danych :

- prędkość V= 0.5 m/s,

- siła normalna Fn= 33 N,

- temperatura odniesienia T = 53 oC regulowana przy pomocy termostatu,

- chropowatość tarczy Ra = 0.25 - 0.30 m,

- materiał: trzpień - poliamid

- tarcza stal 45,

- sprzęgło - RPS 32,

- próba przeprowadzenia dla 1000 m,

- średnica trzpienia (niska)

-wilgotność powietrza 55%

Nacisk powierzchniowy przedstawia się wzorem:

, gdzie: S=d2

TARCIE

cechy ruchu

rodzaj styku

rodzaj ruchu

---