Tarcie w systemach technicznych:

F=µN → µ ≠ const

F = f(N,t,A,T,v,…)

F – siła tarcia, N – obciążenie, t- czas, A- powierzchnia,

T- temperatura, v-prędkość

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Powszechnie występujące mechanizmy zużywania:

- ścieranie,
- erozja i kawitacja,
- adhezja,
- zjawiska zmęczeniowe,

- korozja,
- obliteracja (zarastanie),
- doraźne mechaniczne (odkształcenie plastyczne, złamanie..),
- doraźne cieplne (utrata właściwości materiału, trwałe odkształcenie).

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Podczas współpracujący elementów maszyn

przeważnie aktywuje się jednocześnie więcej niż

jeden mechanizm zużywania.

(np. ścieranie, adhezja, korozja)

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Proces ścierania jest zjawiskiem powszechnie występującym zachodzi
głównie podczas kontaktu między ciałami stałymi w warunkach
niedostatecznego smarowania (tarcie suche, graniczne).

Skutkiem ścierania jest ubytek materiału (równomierny), zmiana struktur
geometrycznych powierzchni (np. zmniejszenie wartości parametrów
chropowatości powierzchni) , czasami zmiana właściwości warstw
wierzchnich w wyniku oddziaływania podwyższonej temperatury (np.
odpuszczenie).

Mechanizmy zużywania - ścieranie

Rafał Talar

Eksploatacja _

W przypadku znaczących różnic twardości, intensywniejszemu ścieraniu
podlega materiał o mniejszej twardości.

Zasada – im twardszy materiał tym bardziej odporny na ścieranie.

Intensywność ścierania zależy także od struktur geometrycznych
powierzchni współpracujących (wysokość nierówności i ich kształt)
oraz struktury warstwy wierzchniej .

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Ścieranie (czyli usuwanie materiału) zachodzi w wyniku podprocesów:

- mikroskrawania (ścinania),

- bruzdowania (powtarzające się odkształcenia plastyczne → zgniot →
kruchość → odspojenie),

- pękania,

- odłupywania elementów struktury ziarnistej (ceramika).

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Produkty ścierania przedostają się często do medium smarującego i biorą
dalszy udział w procesie ścierania jako „trzeci element”.

Podprocesy ścierania uaktywniają się w zależności od właściwości
mechanicznych elementów podlegających ścieraniu.
(ostre twarde nierówności ścinają, obłe twarde nierówności bruzdują i
mogą powodować pękanie, twarde obłe ziarna mogą zostać wgniecione w
miękki materiał,…).

Produkty ścierania unoszone przez medium smarujące często oddziałują
na wiele węzłów kinematycznych.

Mechanizmy zużywania - ścieranie

Rafał Talar

Eksploatacja _

Kosztowne lub trudne do wymiany elementy maszyn chroni się przed
zużyciem ściernym między innymi przez kojarzenie ich z elementami:

- twardości do 80% materiału chronionego,
- twardości od 80% do 100% - w przypadku konieczności długotrwałej
współpracy.

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

W procesach produkcyjnych proces ścierania jest z reguły niepożądany i
prowadzi do powstawania strat.

Wyjątkiem są procesy obróbki wykorzystujące mechanizmy ścierania
(np.: szlifowanie, polerowanie, honowanie, obróbki przetłoczno –
ścierne).

Mechanizmy zużywania - ścieranie

Rafał Talar

Eksploatacja _

Erozja wywołuje ubytek materiału wywołany przeważnie przez
„uderzenia” cząstek stałych o powierzchnie ciała stałego.

Natężenie procesu erozji zależy między innymi od:

- energii kinetycznej cząstek,
- kształtu cząstek,
- właściwości mechanicznych cząstek i ciała stałego narażonego na
oddziaływanie erozji (twardość , udarność),
- kąta padania,
- temperatury,
-właściwości otoczenia (gaz, ciecz, lepkość).

Mechanizmy zużywania – erozja i kawitacja

Rafał Talar

Eksploatacja _

Podprocesy erozji:

- pękanie (kruchy materiał, duży kąt padania, duża energia kinetyczna),

- odkształcenie plastyczne (ciągliwy materiał, umiarkowany kąt padania,
duża energia kinetyczna),

- zmęczenie ( duży kąt padania, umiarkowana energia kinetyczna),

- skrawanie ( mały kąt padania, duża energia kinetyczna),

- topnienie (duży kąt padania, bardzo duża energia kinetyczna),

- degradacja siatki krystalicznej.

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Krople cieczy mogą wywoływać zużycie erozyjne części maszyn pod
warunkiem ich dostatecznej prędkości.

Maksymalne ciśnienie wywołane prze padającą kroplę pod kątem
prostym:

p=ρ*vs*v

vs - prędkość dźwięku w padającej cieczy,
v – prędkość padania,
ρ – gęstość.

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Kawitacja zachodzi na granicy ciał stałych i cieczy podczas gwałtownych
zmian ciśnienia (w skali mikro i makro). Kawitacja prowadzi do
nierównomiernego ubytku materiału ( wżery ) .

Zmiany ciśnienia mogą powodować powstawanie i zapadanie się pęcherzy
parowych. Gwałtowne zapadanie się pęcherzy parowych wywołuje fale
uderzeniowe oddziałujące na powierzchnie ciała stałego.

Im ciecz charakteryzuje się większym napięciem powierzchniowym tym
większe tworzą się pęcherze parowe o dużej energii.

Mechanizmy zużywania – erozja i kawitacja

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania – erozja i kawitacja

Rafał Talar

Eksploatacja _

Kawitacji najłatwiej zapobiegać przez dodatki zmniejszające napięcie
powierzchniowe cieczy.

Kawitacja nasila się w zanieczyszczonych cieczach (występuje efekt
synergii z procesem erozji).

Natężenie zmian kawitacyjnych zmienia się lokalnie w przypadku
materiałów o niejednorodnej strukturze np.: żeliwo (tworzą się wyspy i
zagłębienia).

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Zużywanie adhezyjne ( zrastanie na zimno i gorąco) prowadzi do ubytku
materiału i jednocześnie przenoszenia materiału między parą ślizgową.
Na powierzchni o większej wytrzymałości pojawiają się nalepienia
(narost), na powierzchni o mniejszej wytrzymałości kratery. W przypadku
powierzchni o zbliżonej wytrzymałości kratery i nalepienia pojawiają się
obok siebie.

Zużycie adhezyjne występuje podczas tarcia ślizgowego z dużymi
naciskami jednostkowymi. Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie
fragmentów powierzchni ślizgowych na odległość zasięgu działania sił
molekularnych. Lokalnie tworzą

się

wiązania metaliczne między

powierzchniami trącymi (narost). W dalszym etapie może dojść do
oderwania się (dekohezji) fragmentu ciała o mniejszej wytrzymałości
(krater).

Mechanizmy zużywania - adhezja

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania - adhezja

Rafał Talar

Eksploatacja _

Proces zużywania adhezyjnego powoduje wzrost współczynnika tarcia,
prowadzi do szybkiego zniszczenia węzła kinematycznego.

Adhezja jest ‘katalizatorem zużywania’.

Zużywanie adhezyjne doprowadzające do lokalnego topnienia materiału
nazywa się zacieraniem i prowadzi do trwałego unieruchomienia węzła
kinematycznego.

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Powierzchniowe zużycie zmęczeniowe (w tym pitting)- zachodzi w
wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń stykowych (nacisku) i
naprężeń

termicznych,

w

warstwach

wierzchnich

węzłów

kinematycznych (przeważnie smarowanych).

W wyniku superpozycji naprężeń wewnętrznych i naprężeń stykowych
(duże wartości, EHL), oraz ich redystrybucji dochodzi do lokalnych
przekroczeń wytrzymałości i powstawania mikropęknięć. W kolejnej
fazie mikropęknięcia propagują w wyniku działania karbu i ciśnienia
oleju. W ostatniej fazie fragment materiału zostaje odspojony od
powierzchni tworząc krater.

Mechanizmy zużywania – zmęczenie powierzchniowe

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania – zmęczenie powierzchniowe

Rafał Talar

Eksploatacja _

Zużyciu zmęczeniowemu sprzyjają:

- wewnętrzne naprężenia rozciągające,
- „niedoskonałości powierzchni”, (mogą powstać podczas eksploatacji)
- wady podpowierzchniowe,
- granice strukturalne pod powierzchnią styku,
- oleje EP z dodatkami przeciwzatarciowymi.

Mechanizmy zużywania – zmęczenie powierzchniowe

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _

Kontrola cieczy smarujących krążących w obiegu pozwala na wykrycie
odspojonych w procesie zużywania cząstek części maszyn.

Na podstawie liczby odspojonych cząstek oraz ich rozmiaru, kształtu
można wnioskować o zachodzących w maszynie mechanizmach zużycia i
ich natężeniu.

Mechanizmy zużywania

Rafał Talar

Eksploatacja _