LABORATORIUM
ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 6
Opracował: Janusz Woz
niak
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej
Temat: Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych.
1. WPROWADZENIE
Materiały polimerowe charakteryzujące się dużą odpornością na ścieranie mają
zastosowanie w układach tribologicznych tam gdzie wymagana jest ich zwiększona trwałość
eksploatacyjna (np. w transporcie: opona samochodowa, skrzynie załadunkowe itp.).
Opory tarcia występują na powierzchni styku oraz w warstwach wierzchnich pary trącej.
Przykładem może być ruch samochodu gdzie muszą być pokonane opory tarcia tocznego.
Tarcie toczne występuje w punkcie styku (parą trącą w tym układzie może być opona
i nawierzchnia), w którym odkształcenie sprężyste materiału powoduje styk strefowy na
pewnym obszarze. Jednakże obok tarcia tocznego w strefie styku występuje tarcie ślizgowe
zewnętrzne na granicy styku oraz tarcie wewnętrzne w odkształconej objętości warstwy
wierzchniej trących ciał. Tarcie ślizgowe występuje także podczas ruszania oraz hamowania
pojazdem. Pojawienie się tarcia ślizgowego jest jedną z przyczyn szybszego zużywania
tibologicznego opon samochodowych. W rzeczywistości zużywanie warstwy wierzchniej jest
skutkiem oddziaływania wszystkich rodzajów tarcia.
Dla lepszego zrozumienia zagadnień związanych z tarciem i zużywaniem niezbędna jest
znajomość przesłanek teoretycznych z dziedziny tribologii.
Do chwili obecnej brak jest jednoznacznej definicji teorii tarcia suchego, która
uwzględniałaby różnorodne czynniki oddziaływujące na parę trącą przy skojarzeniu
metal-tworzywo sztuczne. Opracowano wiele teorii i hipotez odnoszÄ…cych siÄ™ do metali.
Poznanie ich pozwoli zrozumieć złożoność zagadnienia i po przyjęciu pewnych uproszczeń
umożliwi przyjęcie podstawowych zasad tarcia dla materiałów polimerowych.
Do najważniejszych teorii tarcia ciał stałych można zaliczyć:
Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi na
nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni
ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której
1
pojawiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów
adhezyjnych.
Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada, że
w wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił
pomiędzy powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły
przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach
tarcia.
Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949. 1957, 1965). Teoria
la próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania
molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących
ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się również
pod uwagÄ™ rzeczywistÄ… powierzchnie styku.
Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927. Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bilans
energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne
a także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Prace sił tarcia można określić
zatem sumą sktadowych energetycznych. Według Kosteckicgo praca tarcia zewnętrznego
składa się z energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej.
Rzeczywiste oddziaływanie pary trącej podczas procesu tarcia powoduje oprócz sczepiania
się nierówności powierzchni zmianę właściwości warstwy wierzchniej
Warstwą wierzchnią materiału nazywamy warstwę ograniczoną rzeczywistą powierzchnią
przedmiotu, obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni
rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i chemiczne w stosunku do cechy
tego materiału w głębi przedmiotu. Cechy warstwy wierzchniej nadawane w procesie
produkcji zmieniają się na skutek działania czynników eksploatacyjnych.
Powierzchnia styku nawet najlepiej obrobionej powierzchni nigdy nie będzie gładka. Stan
powierzchni elementów części maszyn charakteryzuje jej falistość, błędy kształtu oraz
kierunek rozmieszczenia nierówności. Tak więc rzeczywiste oddziaływanie powierzchni pary
trącej zależne jest od powierzchni styku i własności fizycznych materiałów trących się
elementów maszyn.
Rozpatrując parę trącą (rys.1) mówimy o nominalnej powierzchni styku Sn, konturowej
powierzchnia styku Sk, i rzeczywistej powierzchnia styku Sr [2]:
2
Rys.1 Schemat powierzchni styku S; h  wysokość nierówności
- nominalnej powierzchni styku Sn, która jest powierzchnią w granicach obrysu powierzchni
zetknięcia dwóch ciał. Zależna jest od wymiarów, z pominięciem falistości, chropowatości
i błędów kształtu;
- konturowa powierzchnia styku Sk jest to powierzchnia stanowiąca obrys rzeczywistych pól
styku, zależna od chropowatości i falistości powierzchni oraz od obciążenia;
- rzeczywista powierzchnia styku Sr jest to pole sumy elementarnych powierzchni styku.
Rzeczywista powierzchnia styku występuje w miejscach stykania się nierówności dwóch
powierzchni.
1.1 RODZAJE TARCIA
Pogrubiona ścieżka diagramu (rys.2) przedstawia rodzaje tarcia odnoszące się do badania
właściwości ściernych materiałów polimerowych podczas realizowanego ćwiczenia
laboratoryjnego.
Rodzaje tarcia
tarcie zewnętrzne tarcie wewnętrzne
tarcie statyczne tarcie w ciałach tarcie
tarcie kinetyczne
stałych w płynach
tarcie toczne
tarcie
tarcie
ślizgowe
aerodynamiczne
tarcie suche tarcie
tarcie
mieszane
technicznie
suche
Rys.2 Rodzaje tarcia
3
- tarcie zewnętrzne występuje przy powierzchniowym styku dwóch ciał, jest zależne od
składu i struktury materiałów trących;
- tarcie kinetyczne zachodzi wówczas, gdy dwa stykające się ze sobą ciała pozostają
w ruchu względnym;
- tarcie ślizgowe jest odmianą tarcia kinetycznego i występuje wówczas, gdy prędkości obu
ciał w punktach ich wzajemnego styku są różne;
- tarcie suche ma miejsce wówczas, gdy czyste nierozdzielone żadnym ciałem trzecim
powierzchnie pracy trącej stykają się bezpośrednio ze sobą. W technice nie spotyka się raczej
tego rodzaju tarcia, ponieważ współpracujące ze sobą powierzchnie rzeczywistych elementów
maszyn pokryte są prawie zawsze błonkami tlenków, cząstkami substancji ciekłych lub
gazowych i wówczas występuje tarcie technicznie suche.
1.2 RODZAJE ZUŻYWANIA TOWARZYSZ
CE TARCIU
Zużycie materiału w procesie tarcia nazywane jest zużyciem tribologicznym. Proces ten
powodowany jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją
powierzchni współpracujących elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodzącymi na
powierzchni tarcia. Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia materiałów polimerowych
można zaliczyć [1]:
- zużywanie adhezyjne jest związane z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokalne
szczepienia tych powierzchni co jest powodem pękania wiązań kohezyjnych;
- zużywanie ścierne jest związane z dużą chropowatością powierzchni styku. Występujące
nierówności spełniają rolę mikroostrzy powodując ubytek materiału spowodowany
mikroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem;
- zużywanie zmęczeniowe spowodowane jest przez cyklicznie zmienne odkształcenia
warstwy wierzchniej. Z powodu tego na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których
dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału;
- zużywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia drobnych cząstek o powierzchnię
materiału powodując ubytek materiału zwany erozją;
- zużywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzących między
współpracującymi materiałami, w których zachodzi proces tarcia (np. utlenianie);
- zużywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się dużej ilości ciepła, które powoduje
zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich.
4
2. ZUŻYWANIE ŚCIERNE
Zużycie ścierne występuje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest
spowodowany oddzielaniem czÄ…stek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania
[1, 3, 4]:
- mikroskrawanie polega na wykrawaniu w ścieranym materiale bruzdy przez występ
nierówności lub ziarno ścierne partnera tarcia, które wgłębia się w materiał, odcina cząstki
tego materiału podczas ruchu względnego, spiętrza je i odrywa;
- rysowanie polega na tworzeniu w ścieranym materiale przez wystający element
nierówności ciała współpracującego rysy, częściowo wskutek wykrawania, a częściowo
wskutek odsuwania materiału na boki, jest zjawiskiem pośrednim między mikroskrawaniem
i bruzdowaniem;
- bruzdowanie polega na wgłębieniu występu partnera tarcia w ścierany materiał
i plastycznym wyciśnięciu w nim bruzdy podczas ruchu względnego, wyciśnięty z bruzdy
materiał zostaje spiętrzony wzdłuż jej bocznych ścianek.
Analogicznie będą działać utlenione produkty zużycia w obszarze tarcia.
Odporność na zużycie ścierne jest zależna od:
- składu chemicznego i frakcyjnego luz
nych lub umocowanych cząstek ścierniwa i ich
twardości względnej (w stosunku do twardości materiału zużywanego);
- nacisków jednostkowych;
- częstości wymiany tych produktów w obszarach tarcia (wydmuchiwanie, przemywanie);
- prędkości poślizgu i wielu innych czynników.
Charakter działania ziaren ściernych na ścierany materiał zależy od ich ruchu względem
powierzchni materiału oraz od charakteru i wartości obciążeń przenoszonych przez ziarna.
Ścieranie może się odbywać przez ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach,
przez luz
ne pojedyncze ziarna ścierne, przez warstwę ścierną występującą między
współpracującymi powierzchniami, przez strumień ścierny, ścieranie w środowisku ściernym.
Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych w ramach ćwiczenia
laboratoryjnego można wyznaczyć na podstawie stosunku objętościowego zużycia próbki
wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów w takich samych warunkach
badań.
5
3. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie właściwości ściernych wybranych materiałów
polimerowych. Na stanowisku badawczym podczas tarcia w obecności luz
nego ścierniwa
zostaną przeprowadzone badania ścieralności w jednakowych warunkach pracy (v  prędkość
ślizgania, FN  obciążenie). Na podstawie uzyskanych wyników badań tribologicznych
zostaną określone właściwości ścierne wybranych materiałów polimerowych. Na podstawie
badań tribologicznych należy opracować sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia.
Wnioski z ćwiczenia powinny zawierać wyjaśnienia otrzymanych wyników.
4. METODA BADAC

Metoda badawcza odporności na ścieranie zgodna jest z normą GOST-23.208-79.
Stanowisko to przeznaczone jest do badania materiałów i powłok na zużycie ścierne podczas
tarcia w obecności luz
nego ścierniwa. Zasada badania (Rys.1) polega na tym, że w jednakowych
warunkach pracy (prędkość ślizgania v i obciążenia FN) przeprowadza się badania próbek
wybranych materiałów oraz próbki wzorcowej wykonanej ze stali 45 w stanie znormalizowanym.
Podczas pomiaru badana próbka (1) jest dociskana z określoną siłą (FN) do obracającego się
z ustaloną prędkością obrotową (n) krążka gumowego (2) o średnicy d = 50 mm. Pomiędzy
krążek i próbkę dostarczany jest proszek kwarcowy (3) - elektrokorund nr 90 (wg PN-76/M-
59115) - powodujący ścieranie próbki. Wynikiem pomiaru jest wagowe zużycie próbki
(różnica ciężaru przed i po badaniach), jakie wystąpiło po określonym czasie tarcia
(określonej liczbie obrotów gumowej rolki).
Rys. 1. Schemat metody badawczej: l - próbka z badanej stali, 2 - rolka gumowa, 3 - ścierniwo
6
Na podstawie pomiarów zużycia wagowego określano wskaz
nik odporności na ścieranie Kb
(względną odporność na zużycie) dla poszczególnych materiałów, określany jako stosunek
objętościowego zużycia próbki wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów
uzyskanych w takich samych warunkach badań.
Wskaz
nik ten określano z wzoru:
Zww Å" Áw Nb
Kb =
Å"
Zwb Å" Áb Nw
gdzie:
Zww - zużycie wagowe podczas badania próbki wzorcowej (stali 45),
Zwb - zużycie wagowe podczas badania badanego materiału,
Áw - gÄ™stość materiaÅ‚u próbki wzorcowej,
Á
Á
Á
Áb - gÄ™stość materiaÅ‚u próbki badanej,
Á
Á
Á
Nw - liczba obrotów drogi tarcia próbki wzorcowej,
Nb - liczba obrotów drogi tarcia próbki badanej.
5. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych przeprowadzone zostanie na
stanowisku badawczym Tester T-07 produkcji Międzynarodowego Centrum Naukowego
Eksploatacji Majątku Trwałego w Radomiu (Fot.1).
Fot. 1. Stanowisko badawcze  Tester T-07 : 1  próbka polimerowa, 2  rolka gumowa, 3  regulator prędkości
nasypowej ścierniwa, 4  zbiornik ścierniwa, 5  ramię obciążenia próbki, 6  kontroler pracy testera T-07
7
LITERATURA
[1] Wieleba W.  Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów PTFE ze
stalą , Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,Wrocław 2002.
[2] Jaworski J.  Okładziny cierne do hamulców i sprzęgieł pojazdów mechanicznych , Warszawa 1984.
[3] Hebda M., Wachal A.  Trybologia , Warszawa 1980.
[4] Sokolski P., Ziemba S.  Zużycie elementów maszyn spowodowane tarciem , Warszawa PWN 1969.
8