IWE III 2.17 1

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

WPROWADZENIE DO

ŚCIERALNOŚCI

IWE III

2godz.

IWE III 2.17 2

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Nauka o procesach zachodzących na styku powierzchni współpracujących
ze sobą ciał stałych –TRYBOLOGIA – nauka o ścieralności.

Współczesne konstrukcje pracują w warunkach silnego obciążenia:
-Mechanicznego,

-Cieplnego,

-Chemicznego.

Może to doprowadzić do przyspieszonego procesu zużycia trybologicznego.

Zwykłe tarcie:

Statyczne

dynamiczne:

v

Fs

Fs

P

P

Fs=

µsP

µs>µk

Fs=

µkP

IWE III 2.17 3

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Własności trybologiczne:

1.

Współczynnik tarcia

µ,

2.

Intensywność zużycia I,

3.

Odporność na ścieranie R i zatarcie.

Rodzaje tarcia:

Rodzaj ruchu:

ślizgowe

toczne,

Stan ruchu:

statyczne

kinetyczne,

Miejsce występowania:

zewnętrzne

wewnętrzne

Rodzaj materiału:

c. Stałe

c. Stałe

płyn

Styk ciał:

suche

płynne

graniczne

mieszane

IWE III 2.17 4

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

otoczenie

obciążenie

Działanie systemu
trybologicznego

prędkość

temperatura

Opory tarcia

Procesy inne

zużycie

IWE III 2.17 5

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Tarcie wewnętrzne: przemieszczanie cząstek cieczy pomiędzy ciałami stałymi

Tarcie techniczne suche: bez udziału żadnego innego ciała pomiędzy trącymi o siebie ciałami
stałymi.

T=Tadhezji+Tkohezji

Tadhezji -wynikłe z oddziaływania powierzchni styku, możliwe jest tworzenie lokalnego połączenia,

Tkohezji -wynikłe ze ścinania nierówności powierzchni.

Tarcie graniczne: pomiędzy powierzchniami ciał stałych b. cienka warstwa smarna (grubość rzędu
cząstek).

Tarcie płynne: istnieje gruba warstwa cieczy lub gazu o znacznej lepkości.

Współczynniki tarcia:

Czyste metale o siebie w powietrzu

0,8-2,0

Stal-stop łożyskowy

0,1-0,5

Ceramika-ceramika

0,05-0,1

Ze smarowaniem hydrodynamicznym

0,001-0,002

W atmosferze wodoru lub próżni

>5 i zatarcie

IWE III 2.17 6

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Przyczyny zużycia części maszyn i urządzeń

Efekt zużycia może być mierzony również liniowo, objętościowo lub porównawczo, np. w stosunku
do wzorca lub typowej stali konstrukcyjnej, np. St3S.

IWE III 2.17 7

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie ścierne

IWE III 2.17 8

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Rys.2

Rys.3

Rys.4

odbywa się przez:

-

rysowanie lub bruzdowanie przy małym obciążeniu,

rys. 2

-mikroskrawanie (szlifowanie)materiałem ściernym
przy dużym nacisku, rys.3

-żłobienie dużymi cząsteczkami pod bardzo dużym
obciążeniem, rys 4

IWE III 2.17 9

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Ilościowa ocena zużycia ściernego

Model Chruszczowa-Babiczewa

Iz=V/L=kN/H

V-objętość oddzielonego materiału, L-droga tarcia, k-wsp. zużycia ściernego (k=24), N-obciążenie, H-
twardość (wciskanie piramidy)

Iz=h/L=kPa/Pt

h-grubość zużywanej warstwy, k-wsp. Proporcjonalności, Pa- nacisk nominalny, Pt-granica płynięcia

Model ścierania Spurra-Newcomba

Iz=nd

3

(1/R

1_

-1/R

g

)=KN/E

n-ilość ziaren przenoszących obciążenie normalne, N-obciążenie, E-moduł Younga, K-wsp. =150-180,
d-szerokość bruzdy wyciśniętej przez ziarno o promieniu R

1

, R

g

-szerokość bruzdy po jej wykonaniu

(mniejszy o skutek działania sprężystości).

IWE III 2.17 10

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Badania jakościowe odporności na zużycie – głównie metody pomiaru sił lub momentów
tarcia:

-metoda Bowdena,

-Hondy i Yamady,

-Kuzniecowa.

Metody ilościowe:

-wgłębienia (pomiar długości),

-wagowa,

-porównanie profilu przed i po próbie,

-metoda sztucznych baz z użyciem penetratorów Vickersa, Knoopa, Brinella,

-pomiar natężenia przepływu, spadku ciśnienia płynu między powierzchniami,

-z użyciem izotopów promieniotwórczych,

-zastosowanie mieszanin pierwiastków ziem rzadkich (Ce, La, Nd, Pr, Sm, Y).

IWE III 2.17 11

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie adhezyjne:

Występuje przy wzajemnym tarciu powierzchni metalowych bez obecności substancji smarnych.
Na szczytach nierówności, w wyniku wzajemnego przesuwania i uplastycznienia powstają lokalne
sczepienia metaliczne. Dalszy ruch powoduje niszczenie tych połączeń i wyrywanie cząstek
metalu – tworzą się dalsze nierówności wynikłe z rozmazania i wyrywania cząstek metalu na
powierzchniach.

Metale o dużej skłonności do
zużycia:

-tytan, chrom, molibden, miedź,
aluminium, cynk, magnez.

-walce hutnicze, ostrza tnące, wałki,
czopy.

Mała skłonność:

-cyna, bizmut, kadm, ołów, ind.

Powstaje przy dużych naciskach i małych szybkościach tarcia. Zależy od:

-rodzaju materiałów,

-siły wiązań i skłonność do utleniania - ( materiały jednoimienne dają silniejsze uszkodzenia),

-czystości powierzchni –duża czystość – wyższe zużycie,

-siły docisku,

-temperatury – przy wysokiej temp. – zużycie cieplne podobne do zgrzewania tarciowego.

IWE III 2.17 12

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Inne rodzaje zużycia

:

IWE III 2.17 13

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

IWE III 2.17 14

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zmęczenie powierzchni wskutek ścierania

-działania zmiennych sił na powierzchnię,

-kawitacji i innych obciążeń udarowych.

Zużycie ścierne zależy od:

-kąta padania ścierniwa na powierzchnię:

Dla materiałów plastycznych:

-

ma miejsce mikroskrawanie (abrazja): poślizgi=>uskoki=>zużycie abrazyjne,

-

Odkształcenie plastyczne: =>zmęczenie powierzchni.

-Dla materiałów kruchych:

-odwarstwianie kruchych mikropłatków.

Zapobieganie:

1.

Stosowanie materiału o dużej twardości i udarności,

2.

Stosowanie tworzyw jednofazowych (homogenicznych),

3.

Stosowanie materiału wielofazowego z drobnymi twardymi fazami w miękkiej osnowie,

4.

Użycie gładkich powierzchni.

IWE III 2.17 15

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie pod wpływem obciążeń udarowych:

Powstaje w wyniku działania dynamicznego obciążenia ściskającego na ograniczonej powierzchni.

-Materiały kruche pękają w lokalnym obszarze obciążenia,

-Materiały plastyczne odkształcają się – mogą się przy tym umacniać i w dalszej kolejności ulegać
lokalnemu pękaniu.

Typowe konstrukcje:

-tuleje łączników sprzęgieł, walce hutnicze, młoty kuźnicze, matryce, młyny, iglice i rozjazdy szyn.

-Najlepsze materiały – stale austenityczne z 11%Mn i stale 15%Mn-15%Cr.

IWE III 2.17 16

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie pod wpływem wysokich temperatur

-przyspieszona korozja wysokotemperaturowa,

-nieodwracalne zmiany strukturalne (degradacja).

Dla łącznego oddziaływania:

-wysokiej temperatury,

-tarcia,

-środowiska korozyjnego (ciekły metal, gaz zawierający siarkę),

skutkiem będzie spadek własności mechanicznych, plastyczności a głównie odporności na ścieranie
przy wzroście prędkości korozji, której produkty działają jak ścierniwo.

Szczególny przypadek – zmęczenie cieplne.

Powoduje ono powstanie siatki pęknięć
rozpoczynające się od powierzchni i
postępujące w głąb materiału.

Najlepsze materiały to:

-stale martenzytyczne z 5-12%Cr,

-stopy na bazie kobaltu i niklu.

IWE III 2.17 17

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie erozyjne

Wywołane jest cyklicznym działaniem na powierzchnię strugi cieczy lub gazu pod
ciśnieniem. Obecność w cieczy lub gazie drobnych cząstek pyłów lub innego ścierniwa
intensyfikuje zużycie erozyjne.

Zużycie zależy od:

-ilości, wielkości, twardości i kształtu cząstek,

-temperatury,

-środowiska korozyjnego.

Typowe elementy poddane erozji: łopatki turbin.

Najlepsze materiały:

-stopy na osnowie kobaltu,

-materiały ceramiczne i cermetaliczne.

IWE III 2.17 18

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie kawitacyjne:

Powstaje w wyniku przemieszczania powierzchni roboczej w cieczach i gazach z
dużymi prędkościami. Mogą się tworzyć obszary o obniżonych ciśnieniach, w których
następuje odgazowanie lub odparowanie cieczy i następnie rozpad tych obszarów w
wyniku implozji. Związane z implozją uwolnienie energii mechanicznej powoduje
uszkodzenia powierzchni i wyrw.

Elementy podlegające: łopatki turbin, śruby okrętowe, elementy pomp wysokiego
ciśnienia.

Najlepsze materiały:

-stopy na bazie kobaltu,

-Materiały ceramiczne,

-Materiały cermetaliczne.

IWE III 2.17 19

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zużycie korozyjne:

Może wyglądać różnie w zależności od:

-medium korozyjnego,

-Stanu obciążenia,

-Obecności pola elektrycznego (różnicy potencjału) w
środowisku.

Zużycie korozyjne może być zintensyfikowane
podczas współpracy powierzchni w podwyższonej
temperaturze.

IWE III 2.17 20

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Typowe rodzaje uszkodzeń:.

IWE III 2.17 21

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG