Model trybologiczny elem. maszyny:

O - WW - R - WW - O

O - otoczenie, R - rdzeń, WW - warstwa wierzch., Wz - wymuszenie zew. W procesach zurzycia na skutek tarcia współpracujące ze sobą elem. możemy nazwać elementarnym systemem trybolog.

Elementarny system trib. równoległy.

Szeregowy system trib.

Schemat oddziaływań param. wejściowych i procesów trib. na badany układ. Zbiór X-wejście: x1-początkowe własności fizykochemiczne i mechaniczne elem. układu. x2-początkowa postać struktury geometrycznej układu. Czynniki zewnętrzne x3-obciążenie, x4-prędkość przemieszczania się, x5-temp. Otoczenia, x6-kinematyka i dynamika układu. Oddziaływanie innych układów systemu na badany układ: x7-odkształcenia, x8-drgania, x9-potencjał elektryczny itp. Zbiór Y-wyjście: y1-nośność układu (minimalna grubość warstwy olejowej), y2-opory tarcia (straty tarcia), y3-intensywność zużycia, Stany energetyczne układu: y4-stan naprężeń, y5-stany cieplne itd. Procesy tribolog-reakcje fizykochemiczne, przemiany strukturalne i fazowe, transport masy, odkształcenia sprężyste i plastyczne, dekochezja, wydzielanie ciepła. Kochezja-fizyczna właściwość ciał polegająca na wzajemnym przyciąganiu się cząstek wskutek działania sił międzycząsteczkowych (spójność). μ=T/N μ - wsp. tarcia, T-siła tarcia, N-obciążenie normalne. Pod pojęciem tarcia rozumiemy zespół procesów, zjawisk fizykochemicznych występujących w obszarze styku dwóch przemieszczających się względem siebie ciał, w wyniku czego powstają opory ruchu. Hipotezy tarcia: Teoria mechaniczna: Amontosa T=μN (teoria pokonywania nierówności powierzchni). Coulomba T=A+μN (siła tarcia nie zależy tylko od N ale również od adhezji współpracujących ciał). Bowdena T=sτp_t+SwPw (tarcie jest to tworzenie i niszczenie zczepień. Opory tarcia są sumą oporów ścinania nierówności zczepionych i przepychania odkształconego materiału. Teorie molekularne: Tomlinson μ=kE/npx k=n x/l (opory tarcia są oporami przyciągania molekularnego). Dieragina T=μ(N+N₀) N₀=p₀s_r (pokonywanie chropowatości molekularnej). Mechaniczno - molekularna: Kragielskiego μ=T/N=αS/N +β (tarcie jest to suma oporów pokonywania zczepień, chropowatości i przyciągania molekularnego α - wsp. od ścinania, β - wsp. oporów tarcia pochodzących od siły N). Gdzie: T-siła tarcia, N-siła normalna, A-siła adhezji,

τp_t-wytrzymałość na ścinanie połączeń tarciowych, S-pole rzutu powierzchni styku, Sw-pole przekroju poprzecznego bruzdy wyciskowej w procesie tarcia, Sr-pole powierzchni rzeczywistego styku, Pw-średni jednostykowy opór wyciskania materiału, Po-średni jednostkowy opór przyciągania molekularnego, E-energia zurzywana na rozerwanie pary zetkniętych cząstek, n-liczba par zetkniętych cząstek, p-średnia wart siły odpychania cząstek, x-droga jednostkowa przemieszczających się cząstek, l-odległość między środkami kulistych cząstek, α-wsp zależny od adhezyjnych własności ciał trących, β-wsp zależny od mechanicznych własn ciał trących. Rodzaje tarcia: Kryterium podziału: Ruch - spoczynkowe, ruchowe: toczne, ślizgowe. Lokalizację - zewnętrzne: suche, technicznie suche. wewnętrzne: 1 w ciałach stałych: przy odkształc sprężystych, przy odkształc plastycznych. 2 w płynach, gazach i cieczach: płynne, mieszane, graniczne. Tarcie spoczynkowe:

Dwa ciała nie przemieszczają się względem siebie. Wsp tarcia spoczynkowego > od wsp tarcia ruchowego. Wielkość tego wsp zależy od N, rodzaju materj, jakości podłoża, skojarzenia. Tarcie ruchowe - występuje, gdy 2 ciała przesuwają się względem siebie ślizgając się lub tocząc po sobie. T przeciwstawia się ruchowi stwarzając opory tarcia. Wsp zależy od N, rodzaju materj, jakości podłoża, skojarzenia.

Tarcie toczne występuje w łożysku tocznym i przekładniach zębatych. W tarciu tym prędkości względne 2 ciał w strefie styku są sobie równe. Wsp tarcia tocz zależy od: jakości powierzchni, wart siły normalnej, promienia koła przetaczającego się, redz materiałów. A'-chwilowy punkt obrotu, Tt=f N/r , N-nacisk normalny, Tt-siła tarcia tocznego, f-wsp tarcia tocznego, r-promienia przetaczającego się ciała. Tarcie ślizgowe występ w większości elementów trących. W tym tarciu wszystkie punkty styku rzeczywistej powierzchni ślizgają się po sobie i zaczepiając się o siebie powodują określone opory ruchu. Prędkości wzgl ciał w obszarze styku są różne i leżą w płaszczyźnie stycznej do powierzchni styku.Tarcie suche występuje w skojarzeniach, w których nie ma ciała smarującego (smaru), przy skojarzeniach nieślizgowych oraz przy ślizganiu materiałów chropowatych. Tarcie technicznie suche - tarcie przy skojarzeniach, gdzie pow trące mogą być pokryte tlenkami i warstewkami zaadsorbowanych par i gazów

Tarcie płynne występ w obecności czynnika smarującego o znacznej grubości, który oddziela od siebie elementy trące pary trącej. Wart wsp. tarcia zależy od rodzaju i jakości czynnika smarującego, od grubości warstwy czynnika smarującego, jej lepkości oraz prędkości tarcia. T=ηsv/h (η-lepkość dynamiczna, s-pow trących ciał, v-prędkość tarcia, h-grubość warstwy smaru. Tarcie graniczne występ wówczas, gdy warstwa subst smarującej pomiędzy obszarami styku trących się ciał jest tak cienka (o grub do 0,5μm), że subst ta przejawia specyficzne właściwości od stanów energetycznych (pola elektrostatycznego powierzchni) i charakterystyki sorbcyjnej substancji. Tarcie graniczne powinno być stabilne ponieważ przerwanie warstewki smaru powoduje przejście do tarcia suchego, a w konsekwencji do zatarcia. Tarcie mieszane występuje wówczas, gdy część obszarów tarcia styka się ze sobą bezpośrednio (tarcie suche) a część jest rozdzielona warstwą graniczną (tarcie graniczne) lub warstwą cieczy smarującej (tarcie płynne).

Tarcie to jest sumą zjawisk występujących wszystkich lub conajmniej 2 rodzajów tarcia. Występ na ogół przy małych prędkościach ruchu i dużych naciskach jednostkowych (przy uruchamianiu i zatrzymywaniu maszyny). Mamy wtedy do czynienia z niecałkowitym rozdzieleniem obszarów pow tarcia współpracujących elementów. Część obciążenia normalnego jest przenoszona przez mikroobszary bezpośredniego styku, a pozostała część obciążenia przez zespół mikroklinów cieczy smarującej wypełniającej wgłębienia i nierówności.

a - tarcie fizycznie suche, b - tarcie technicznie suche, c - tarcie mieszane, d - tarcie płynne, h - wielkość (grubość) subst smarującej, Rz - wysokość nierówności powierzchni, η_l - lepkość dynamiczna środka smarnego, n - prędkość obrotowa p - średni nacisk jednostkowy. WARSTWA WIERZCHNIA. Warstwa wierzchnia jest to zbiór punktów materialnych zawartych między pow zewnętrzną a pow umowną będącą granicą zmian wartości cech stref podpowierzchniowych powstałych na skutek wymuszeń zewnętrznych.

Sww=Sp v Ssp (Sww - stan warstwy wierzchniej, Sp - stan powierzchni, Ssp - stan stref podpowierzchniowych). 1 - do 5nm (zaadsorbowane zanieczyszczenia), 2 - do 0,5nm (zaadsorbowane gazy), 3 - do 10nm (tlenki i zniszczone kryształy), 4 - do 5μm (odkształcenia), rdzeń (materiał rodzimy).

Sp(Ra; Rz; f; Rs; Rp; N_L; Np). Ra, Rz - chropowatość, f - falistość, Rs - struktura stereometryczna powierzchni, Rp - profil powierzchni, N_L - liniowy udział nośny, Np - powierzchniowy udział nośny.

Ssp(σ; H; S_T; F; T; C; Ep; W; h). σ - naprężenia własne warstwy wierzchniej, H - mikro i makro twardość, S_T - struktura materiału, F - fragmentacja krystalitów, T - tekstura krystalitów, C - własności chemiczne,Ep - stan energetyczny powierzchni, W - wadliwość materiału, h - grubość ww. Metody badania wad materiału warstwy wierzchniej. Wady materiału warstwy wierzchniej powstają podczas wytopu, przeróbki plastycznej na gorąco, obróbki mechanicznej i cieplnej oraz obróbki powierzchniowej. Występują 2 rodzaje wad materiału w.w.: wytrącenia niemetaliczne i pęknięcia. Wytrącenia niemetaliczne wykrywa się najdokładniej za pomocą mikrosondy. Pęknięcia metalu w.w. wykrywa się przez: 1. Oględziny zewnętrzne. Skuteczność tej metody można zwiększyć przez powlekanie badanej powierzchni olejem. Korodujący metal w szczelinach spowoduje zabarwienie oleju. 2. Nasycenie natą. Badaną powierzchnię pokrywa się naftą na okres ok. 1 godz. Po wyjęciu elementu z nafty i wytarciu powierzchni posypuje się ją np. kredą sproszkowaną. Lokalne plamy na warstwie kredy świadczą o istnieniu szczelinek w w.w. 3. Metoda fluorescencyjna. Badany element maszyny zanurza się w zawiesinie preparatu fluoryzującego. Po wyjęciu obserwuje się w ciemni badaną powierzchnię. Nagromadzony preparat umożliwia ich wykrycie. 4. Nasycenie olejem. Badany element maszyny zanurza się w rozgrzanym oleju i następnie po wyjęciu i wytarciu powierzchnię jego powleka się farbą wapienną. Tłuste plamy świadczą o istnieniu pęknięć. 5. Metody magnetyczne. W metod magnetycznych wykorzystuje się wpływ zewnętrznych wad materiału na jego przenikalność magnetyczną. Metoda umożliwia badanie wad materiału wewnątrz w.w. Pęknięcia powodują lokalne zmniejszenie przenikalności magnetycznej, wskutek czego linie pola magnetycznego ulegają ugięciu. 6. Metoda magnetyczno - akustyczna. Badany elem. maszyny umieszcza się w polu magnetycznym, a cewkę indukcyjną (czujnik) przemieszcza się wzdłuż badanej powierzchni. Zmiany składowej normalnej pola magnetycznego, spowodowane występowaniem pęknięć, wywołują w cewce indukcyjnej przepływ prądu, który po wzmocnieniu daje sygnał dźwiękowy. 7. Metoda rentgenowska. Pewną odmianą metody rentgenowskiej jest stosowanie zamiast promieni rentgenowskich promieniowania gamma, emitowanego przez izotopy promieniotwórcze. 8. Metoda ultradźwiękowa. Metoda umożliwia wykrywanie nie tylko pęknięć, ale również wtrąceń niemetalicznych, pęcherzy i porowatości. Przy dyfraktoskopji ultradźwiękowej stosuje się fale sprężyste o częstotliwości 2 10⁴Hz do 2 10⁹Hz. Wykorzystuje się rozprzestrzenianie fal w ośrodkach stałych, załamanie i odbijanie na granicach ośrodków. 9. Badanie metalograficzne. Badania te są przeprowadzane za pomocą mikroskopów optycznego i elektronowego na skośnych zgładach przekroju poprzecznego warstwy wierzchniej lub na powierzchni badanej. Badanie gradientu wad materiału w.w. jest prowadzone jedną z wymienionych metod w zasadzie przy stopniowym strawieniu materiału. Stan w.w. można określic wtedy, gdy mamy zmierzone wartości, gradienty i rodzaje poszczególnych jej parametrów. Zużycie tribologiczne - jest to rodzaj zużycia spowodowanego procesami tarcia w procesie zużycia, następnie zużycie masy oraz struktury i własności fizycznych warstw wierzchnich obszaru styku. Wyróżniamy następ rodz procesów zużywania tribologicznego: ścierne, chemiczne i elektrochemiczne (korozyjne), athezyjne, przez utlenianie, zmęczeniowe i inne.

Model dynamiczny elementarnych procesów zużycia ściernego. Zużycie ścierne - jest to proces niszczenia w.w. współpracujących elem., w wyniku skrawającego, rysującego i ściskającego oddziaływania mikronierówności powierzchni, cząstek obcych, ściernictwa lub produktów zużycia znajdujących się w strefie tarcia. a) bruzdowanie, b) ścinanie nierówności, c) ścinanie nierówności ścierniwem przez występujące nierówności, d) odkształcanie plastyczne materiału. Zużycie ścierne jest procesem dominującym w zużyciu tribologicznym i stanowi ok. 80% wszystkich zużyć. Występuje zwykle w warunkach tarcia ślizgowego, często w obecności cząstek obcych (ścierniwa). Objawia się to zużycie dużym ubytkiem masy oraz dużym uszkodzeniem powierzchni. Zmniejszanie tarcia: 1-zastosowanie smarowania i przepływ produktów zużycia przez odpowiednie filtry, 2-zastosowanie struktur, które są twarde oraz nakładanie twardych warstw, 3-przez obróbkę cieplno-chemiczną (nawęglanie, azotowanie), 4-obróbkę cieplno-powierzchniową (hartowanie powierzchniowe). Zużycie athezyjne - występuje głównie przy tarciu ślizgowym elem maszyn pracujących przy małych prędkościach względnych i dużych naciskach jednstkowych oraz przy dużych prędkościach, dużych naciskach i wysokich temp. i jest spowodowane tworzeniem się a następnie niszczeniem (ścinaniem) powstałych połączeń athezyjnych. Zdolnośc metali do szczepiania zależy głównie od struktury elektronowej atomów, rodzaju sieci przestrzennej i makroskopowych cech plastycznych. Dużą skłonność do szczepień ze sobą mają: Cr, CO, Ni, Mo, Al, Zn, Mg, Cd. Małą: Sn, Bi, Cd, Pb, In. Zapobieganie: a) zastosowanie smarowania, b) zastosowanie mat odpornych (zwiększenie twardości), c) zastosowanie mat o małej skłonności do szczepiania, d) nałożenie warstw, powłok niemetalicznych (fosforowanie, szczawianowanie), e) zastosowanie powierzchni tlenkowych (bo warstwy tlenkowe mają wiązania niemetaliczne). Zużycie przez utlenianie - zużycie w.w. elem metalowych podczas tarcia na skutek ścierania (oddzielanie warstewek tlenku powstałych w wyniku adsorbcji tlenu w obszarach tarcia). Występuje przy tarciu ślizgowym i tocznym. Jest znacznie mniejsze niż inne rodzaje zużycia. Zapobieganie:

Zużycie zmęczeniowe - jest rodzajem zużycia, w którym ubytki materiału są spowodowane zmęczeniem mater w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń kontaktowych w.w. stykających się elem. Nakładaja się napręż własne i pochodzące od obciążenia zewnętrznego. Powstają zmęczeniowe mikropęknięcia powierzchniowe przechodzące następnie w makropęknięcia. Dzielimy je na: zużycie przez łuszczenie (spalling), w obecności oleju (pitting) i ścierno-korozyjne (fretting). Zużycie przez łuszczenie - występuje przy toczeniu lub toczeniu z poślizgiem i polega na stopniowym narastaniu naprężeń i zmęczeniowym pękaniu warstw metalu w.w. objawiające się miejscowym ubytkiem materiału w kształcie łusek. Jest to spowodowane cyklicznym obciążeniem wywołującym plastyczne odkształcenia mikroobjętości w strefie styku. Jest to zużycie na powierzchni i występuje w warunkach tarcia suchego lub niedostatecznego smarowania, towarzyszy mu proces utleniania. Zapobieganie: a) metody regeneracyjne w.w. Zużycie pitting typu powierzchniowego powstające na skutek cyklicznego oddziaływania naprężeń kontaktowych w w.w. stykających się elem skojarzeń tarciowych. 1. Zmęczenie i inicjacja zapoczątkowanych pęknięć, 2. Rozwuj i rozprzestrzenianie się pęknięć w wyniku rozklinowującego działania oleju, 3. Wyrywanie przez olej cząstek metalu, które zmniejszyły lub utraciły spójność z macierzystym materiałem. Zużycie ścierno-korozyjne zachodzi na skutek drgań w wyniku cyklicznych obciążeń mechanicznych i silnego oddziaływania korozyjnego środka.

---