Tarcie i zużycie spowodowane tarciem



Tarcie jest zjawiskiem najpowszechniejszym w przyrodzie, a

w technice może powodować zarówno skutki negatywne jak i
pozytywne

Negatywne

– opory ślizgania lub toczenia w łożyskach,

prowadnicach, przekładniach zębatych. Ocenia się że
30-50% zużywanej energii jest tracone z powodu oporów
tarcia.

Pozytywne

– w sprzęgłach ciernych, hamulcach,

oponach, podeszwach butów

Tarcie i jego rodzaje



Nauka i wiedza o procesach zachodzących w ruchomym

styku ciał stałych nazywa się

tribologią,

a parametry

opisujące tarcie i zużycie nazywane są

właściwościami

tribologicznymi

.

Tarcie



Do określenia dynamicznych i energetycznych skutków

tarcia służą następujące miary:

Siła tarcia F

t

Współczynnik tarcia  (f)

Moment tarcia -
M

t

Temperatura tarcia - T

t

Ciepło tarcia -
q

t

Rodzaje tarcia

rodzaj styku

Tarcie

(toczne z poślizgiem)

Tarcie statyczne i kinetyczne

Schemat przejścia ze spoczynku do ruchu względnego

dwóch ciał – tarcie statyczne i kinetyczne

Schemat przejścia ze spoczynku do ruchu względnego dwóch ciał



0

=

F

t0

/F

n

 = F

t

/F

n

Schematy tarcia ślizgowego

Model tarcia po równi pochyłej

Model tarcia po płaszczyźnie

Ruch posuwisty Ruch posuwisto-zwrotny

Ruch obrotowy

Ruch wahadłowy

Ruch wiertny









n

t

F

F

tg









n

t

F

F

tg

0

Schemat tarcia tocznego

Współczynnik tarcia tocznego



t

= F

t

/F

n

=

f/h

Styk sztywnej kulki z

odkształconym

sprężyście podłożem

Model tarcia tocznegona przykładzie

sztywnej kulki toczącej się po

odkształconym sprężyście podłożu



Tarcie

zewnętrzne

występuje

wtedy,

gdy

przemieszczają się połączone ze sobą siłami przyciągania
cząsteczki tworzące powierzchnię ciał stałych



Tarcie

wewnętrzne

występuje

wtedy,

gdy

przemieszczają się cząsteczki cieczy oddzielającej
powierzchnię ciał stałych (np. przy tarciu płynnym) lub
cząsteczki w obrębie jednego ciała stałego

Rodzaje tarcia z uwagi na miejsce w którym

zachodzi

Schematy rodzajów tarcia ze względu na

styk powierzchni

Tarcie suche

Tarcie płynne

Tarcie mieszane

Tarcie graniczne

Teorie tarcia suchego



Teorie tarcia suchego: mechaniczne, molekularne,

molekularno-mechaniczne, energetyczne



Teoria Bowdena-Tabora (mechaniczna) oparta jest na

modelu ścinania połączeń tarciowych. Główne założenia:



Silna adhezja i tworzenie połączeń tarciowych

mikronierówności powierzchni (mostki tarcia)



Siła potrzebna do ścięcia mostków stanowi siłę tarcia



Pole rzeczywistej powierzchni styku A

r

zależy tylko

od siły nacisku F

n

i granicy plastyczności R

e

warstwy

wierzchniej materiału bardziej miękkiego

Schemat styku metali

dla teorii Bowdena-

Tabora

Tarcie ślizgowe suche

Schemat styku metali

Stadia tworzenia i ścinania

połączeń tarciowych

Współczynniki tarcia

Smarowanie graniczne metali

Zużycie spowodowane tarciem (zużycie

tribologiczne)



Zużycie tribologiczne jest rodzajem zużycia spowodowanego

procesami tarcia, w którym następuje zmiana masy oraz
struktury i fizycznych właściwości warstw wierzchnich obszaru
styku



Podstawowymi przyczynami zużycia są:



Odkształcenie sprężyste i plastyczne wierzchołków

nierówności i ich silna deformacja prowadząca do
umocnienia



Powstawanie na powierzchni tarcia warstewek

tlenków, zapobiegających wprawdzie zacieraniu, ale z
reguły kruchych i łuszczących się



Wbudowywanie

się

fragmentów

warstwy

wierzchniej jednego materiału trącego w powierzchnię
drugiego



Adhezyjne połączenia stykających się wzajemnie

elementów

powierzchni,

prowadzące

do

przyspieszającego zużycie przenoszenia materiału z
jednej warstwy wierzchniej na drugą



Gromadzenie wodoru w warstwie wierzchniej części

stalowych i żeliwnych, co – w zależności od warunków
pracy – może przyspieszyć zużycie nawet ponad 10-
krotnie



Procesy zużycia tribologicznego można podzielić między

innymi na:

Zużycie ścierne

Zużycie adhezyjne

Zużycie zmęczeniowe

Zużycie z udziałem utleniania

Zużycie wodorowe

Zużycie tribologiczne

Zużycie ścierne



Zużycie ścierne ma miejsce, gdy w obszarach tarcia

współpracujących elementów występują luźne albo utwierdzone
cząstki ścierniwa, lub wystające nierówności twardego materiału

Zużycie ścierne



Podstawowymi procesami zużycia ściernego są:

Intensywność zużycia ściernego zależy od:

Właściwości ścierniwa – twardość, wielkość ziaren, ich kształt

Warunków zużycia – obciążenie, temperatura, prędkość, otoczenie

Bruzdowanie

Mikroskrawanie

Zużycie ścierne - zapobieganie

Twarde materiały

– węgliki spiekane, stale martenzytyczne, stale kobaltowe

Twarde powłoki

– natrysk cieplny, powłoki PVD, CVD

Utwardzania warstw wierzchnich

– nawęglanie, azotowanie, mechanicznie

Skuteczne smarowanie

, np. ciśnieniowe

Filtrowanie olejów i smarów roboczych

Zużycie adhezyjne



Zużycie adhezyjne polega na lokalnym sczepianiu

powierzchni

trących

w

mikroobszarach

rzeczywistej

powierzchni i następnie ich rozrywaniu.

Schemat zużycia adhezyjnego

Zużycie adhezyjne



Występuje przy styku metali, charakteryzujących się

dużym

powinowactwem

chemicznym,

a

także

podobieństwem

struktury

krystalicznej

w

tym

parametrów sieci



Najmniejszą

intensywnością

sczepiania

charakteryzują się metale nie rozpuszczające się w
stanie stałym lub tworzące fazy międzymetaliczne



Proces zachodzi najczęściej przy małych prędkościach

i dużych naciskach w warunkach niedostatecznego
smarowania lub jego braku



Odmianą zużycia adhezyjnego, zwanego sczepianiem

I rodzaju, jest zużycie cieplne, zwane sczepianiem II
rodzaju. Występuje ono jako następstwo wzrostu
temperatury

styku

i

z

reguły

prowadzi

do

katastroficznego zużycia – zatarcia.



Znaczną skłonność do sczepiania ze stalą wykazują:

tytan, chrom, nikiel, miedź, aluminium, cynk, magnez
zaś niewielką – cyna, ołów, bizmut, antymon.

Zużycie adhezyjne - zapobieganie



Odpowiedni dobór materiałów współpracujących



Zapewnienie właściwego smarowania w zakresie

zarówno środka jak i sposobu smarowania

Zużycie zmęczeniowe



Zużycie

zmęczeniowe

występuje

w

warunkach

długotrwałego

cyklicznego

oddziaływania

sprężysto-

plastycznych naprężeń kontaktowych w szczególności w
smarowanych układach tarcia tocznego



Zużycie zmęczeniowe może mieć formę tzw. zużycia

gruzełkowego (pittingu) lub zużycia przez łuszczenie
(spallingu)

Zużycie w wyniki pittingu

Zużycie zmęczeniowe

Zużycie zmęczeniowe - zapobieganie



Odpowiedni dobór rodzaju i właściwości materiału – stal

łożyskowa, stal na szyny kolejowe



Uszlachetnianie warstw wierzchnich materiałów –

nawęglanie, azotowanie

Zużycie przez spalling czyli łuszczenie warstwy wierzchniej

Zużycie z udziałem

utleniania



Jest to stopniowe usuwanie (niszczenie) i odtwarzanie

warstewek tlenkowych na powierzchniach metali i przy
właściwie dobranych warunkach pracy węzła ciernego
jego intensywność jest nieznaczna

Schemat zużycia z udziałem utleniania

pierwotne warstewki tlenków

pierwotne warstewki tlenków

materiał rodzimy

materiał rodzimy

warstwa wierzchnia

warstwa wierzchnia

odtwarzające się

warstewki tlenków

odtwarzające się

warstewki tlenków

Zużycie wodorowe



Istota zużycia wodorowego polega na dyfuzji wodoru

(ze środka smarnego) w głąb stali lub żeliwa, co
powoduje kruche pękanie w mikroobszarach warstwy
wierzchniej i jej niszczenie pod wpływem sił tarcia.



Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużycia

wodorowego: dyspersyjne i przez wykruszanie

Niszczenie

dyspersyjne

Niszczenie

przez

wykruszani

e

Schematy zużycia wodorowego

materiał rodzimy

warstwa wierzchnia

warstwa wierzchnia

materiał rodzimy

Zużycie wodorowe -

zapobieganie



W przypadku stali korzystny wpływ mają dodatki w

postaci chromu, tytanu i wanadu, ograniczające dyfuzję
wodoru do stali.



Należy unikać skojarzeń stali z polimerami, które mogą

być źródłem wodoru



W parach stal-stopy miedzi należy unikać dodatków do

tych stopów które sprzyjają wydzielaniu się wodoru