Tarcie, ścieranie i zużycie materiału spowodowane tarciem
W skali światowej ok. 30 - 50 % energii produkowanej corocznie pochłaniają opory tarcia występujące w ruchomych częściach maszyn. Wskutek zużycia corocznie eliminowane są setki tysięcy różnych maszyn. Omówimy teraz dwie właściwości ujawniające się w warunkach tarcia występującego pomiędzy materiałami, oraz zużycie materiałów spowodowane tarciem. Właściwości te są niezwykle istotne w większości konstrukcji. Tarcie na powierzchni łożyska jest niekorzystne, ponieważ zużywa się na jego pokonanie dodatkową energię, a zużycie materiału zmienia niekorzystnie tolerancje z jakimi zostało ono wykonane.
Natomiast na okładziny hamulcowe lub na tarczę sprzęgła wybieramy taki materiał, aby tarcie było jak największe; ale i w tych przypadkach zużycie materiału jest z oczywistych powodów niepożądane. Przy pewnych obróbkach materiału, jak np. mielenie lub szlifowanie, celem jest uzyskanie jak największego zużycia przy minimum energii wydatkowanej na tarcie.
Tarcie pomiędzy materiałami
Jeżeli powierzchnie dwóch materiałów stykają się ze sobą, próby przemieszczenia jednego z nich względem drugiego napotykają na opór sił tarcia.
Siła potrzebna do rozpoczęcia poślizgu Fs zależy od siły P normalnej do powierzchni styku w sposób następujący:
Po zapoczątkowaniu poślizgu, siła graniczna tarcia maleje nieznacznie i możemy napisać: gdzie: mk< ms - bezwymiarowy kinetyczny współczynnik tarcia.
Wynik ten wydaje się przeczyć intuicji - jak to możliwe, żeby tarcie pomiędzy stykającymi się materiałami zależało jedynie od siły dociskającej je do siebie, a nie w sposób oczywisty od powierzchni styku? Aby zrozumieć ten mechanizm, musimy zastanowić się jak wygląda geometria typowej powierzchni metalu.
Jeżeli zbadamy powierzchnię dokładnie toczonego pręta miedzianego, wycinając z niego ukośny plasterek, lub jeżeli zbadamy profil nierówności powierzchni tego pręta za pomocą urządzenia zwanego "Talysurf”, rejestruje wszystkie zagłębienia i wypukłości na niej występujące), okaże się, że powierzchnia takiej próbki wygląda jak pokazano na rys. Widać wyraźnie, że powierzchnia ta ma wiele wypukłości ("chropowatości"). Po wypolerowaniu powierzchni metalu bardzo drobnym papierem ściernym, wymiary tych wypukłości maleją ok. 10-krotnie, lecz są one wciąż dobrze widoczne. Pozostają nawet po długotrwałym polerowaniu za pomocą środka polerującego o najdrobniejszym ziarnie. Jeżeli dwie powierzchnie, które uważamy za płaskie, stykają się, nie ma znaczenia jak starannie były one obrabiane i wypolerowane; będą się one stykały tylko w miejscach styku wypukłości.
Każde obciążenie dociskające do siebie powierzchnie będzie przenoszone jedynie w miejscach, gdzie stykają się ich wypukłości, a więc jedynie mały ułamek powierzchni przeniesie to obciążenie.
Początkowo, przy bardzo małym obciążeniu, stykające się wypukłości odkształcają się sprężyście. Jednakże przy rzeczywistych obciążeniach, na wierzchołkach wypukłości występują znaczne odkształcenia plastyczne. Jeżeli na wszystkich wypukłościach wystąpi odkształcenie plastyczne, tak że utworzy się lepszy styk pomiędzy powierzchniami
Rzeczywista powierzchnia styku wyniesie: a=P/Re
Widać, że jeżeli podwoimy wartość siły P, rzeczywista powierzchnia styku a zwiększysię dwukrotnie.
Rozważmy teraz jak geometria powierzchni styku wpływa na tarcie pomiędzy stykającymi się powierzchniami metalu. Jeżeli wywołamy poślizg jednej powierzchni po drugiej, to ruchowi temu przeciwdziałają naprężenia ścinające t na wypukłościach. Naprężenia te są największe w tych miejscach, w których przekrój wypukłości jest najmniejszy, czyli w obszarze rzeczywistego styku.
Siłę przeciwdziałającą tarciu można wyrazić jako: F=a*tau
W wyniku znacznych odkształceń plastycznych w miejscach styku, wierzchołki wypukłości zostają w obszarze styku a dociśnięte do siebie tak silnie, że powstaje bezpośrednie zbliżenie poszczególnych atomów. Takie złącze może przeciwstawić się naprężeniu ścinającemu o wielkości k, przy którym następuje odkształcenie plastyczne materiału. Stąd siła Fs, przy której rozpoczyna się poślizg jednej powierzchni po drugiej. Nasz model uwzględniający styk wypukłości przewiduje, że ms ok. 1/2, co jest prawidłowym rzędem wartości dla statycznego współczynnika tarcia pomiędzy powierzchniami metalowymi. Dlaczego mk jest mniejsze? Ponieważ w trakcie ślizgania się powierzchni czas, w ciągu którego mogą utworzyć się zbliżenia atom-atom w miejscach kontaktu między wypukłościami powierzchni, jest krótszy i odpowiednio mniejsza jest powierzchnia styku, na której zachodzi ścinanie. Po zatrzymaniu poślizgu powierzchnie punktów styku zwiększają się nieco, wskutek pełzania materiału, a proces dyfuzji wzmacnia połączenie. W konsekwencji wartość m wzrasta do wartości ms.
Wartości współczynników tarcia
Jeżeli powierzchnie metalu oczyści się dokładnie w próżni, prawie niemożliwe jest spowodowanie poślizgu jednej powierzchni po drugiej. Wystąpienie jakichkolwiek sił ścinających zwiększa odkształcenie plastyczne materiału w miejscach styku, których powierzchnia szybko się zwiększa. Prowadzi to do całkowitego zatarcia się powierzchni (m > 5). Problem taki występuje w przestrzeni kosmicznej oraz w atmosferach (np. H2), które usuwają wszelkie warstewki powierzchniowe istniejące na metalu. Najmniejszy ślad tlenu lub H20 znacznie zmniejsza m, ponieważ tworzy się warstwa tlenku, która zapobiega
powstawaniu rozległych połączeń.
W wielu łożyskach nakłada się cienką warstwę miękkiego metalu pomiędzy dwoma metalami o dużej twardości, aby uzyskać słabe złącza o małej powierzchni. Na przykład łożyska z "białego metalu" są wykonane z miękkich stopów cyny lub ołowiu, w których osnowie osadzone są fazy o większej twardości. Brązy ołowiowe zawierają miękkie cząstki ołowiu (które rozsmarowują się, tworząc warstewkę "smaru") umieszczone w miedzi jako osnowie.
Natomiast impregnowane polimerami łożyska porowate uzyskuje się przez częściowe spiekanie miedzi z polimerem (zwykle PTFE), który jest wtłaczany do porów materiału osnowy. Łożyska tego typu nie są przewidziane do pracy "na sucho" (bez smaru), ale jeżeli zawiedzie smarowanie, współczynnik tarcia (dzięki obecności składnika miękkiego) wyniesie 0,1-0,5, a więc będzie na tyle mały, że przegrzanie łożyska nie będzie katastrofalne i nie nastąpi jego zatarcie.
W przypadku poślizgu pomiędzy metalem i polimerami litymi, tarcie jest również
spowodowane obecnością złączy adhezyjnych. Jednakże, w wyniku odkształcenia plastycznego, łańcuchy polimerów będą się ustawiały równolegle do powierzchni poślizgu. Przy takiej orientacji są one podatne na ścinanie i współczynnik m jest mały: 0,05-0,2.
Polimery nadają się świetnie do produkcji niskoobciążonych łożysk, mają one
jednakże pewne wady: cząsteczki polimeru łatwo się ścierają ze ślizgającej się
powierzchni, a więc zużycie tej powierzchni jest duże. Ponadto, w czasie bezruchu części ślizgającej się, pełzanie materiału powoduje rozrost złączy i statyczny współczynnik tarcia ms jest czasem znacznie większy niż współczynnik kinetyczny mk .
Smarowanie
Tarcie pochłania dużą część pracy wykonywanej przez ruchome części maszyn. Jest to zjawisko niekorzystne nie tylko z powodu strat energii, ale również dlatego, że wydzielające się przy nim ciepło może uszkodzić lub nawet stopić te części (np. łożyska). Aby zminimalizować siły tarcia, musimy możliwie najbardziej ułatwić poślizg między powierzchniami. Najprostszym sposobem wydaje się "zanieczyszczenie" wierzchołków nierówności powierzchni substancją, która wytrzyma nacisk wywierany na powierzchnię łożyska i dzięki temu zapobiegnie tworzeniu się zbliżenia typu atom-atom pomiędzy tymi nierównościami oraz sama łatwo ulega ścinaniu. Zazwyczaj jednak potrzebne jest tak znaczne zmniejszenie współczynnika tarcia, że nie uzyska
się go stosując cienkie warstewki z miękkiego materiału lub polimeru, wówczas musimy stosować smary. Standardowymi smarami są oleje, smary stałe oraz tłuszcze, jak np. mydło lub tłuszcze zwierzęce. "Zanieczyszczają" one powierzchnię, zapobiegając w ten sposób tworzeniu się połączeń adhezyjnych; ponadto cienka warstwa oleju lub innego smaru łatwo ulega ścinaniu pod wpływem siły ścinającej Fs, co w sposób oczywisty zmniejsza współczynnik tarcia. Nie jest natomiast takie oczywiste zjawisko, że ciekły olej nie jest wyciskany spomiędzy wierzchołków
nierówności powierzchni przez działające tam ogromne siły dociskające. Dzieje się tak dlatego, że nowoczesne oleje zawierają niewielkie ilości (ok. 1%) cząsteczek aktywnej substancji organicznej. Jeden "koniec" takich cząsteczek reaguje z powierzchnią tlenku metalu i przywiera do niej, a pozostałe "końce" wszystkich cząsteczek oleju przyciągają się wzajemnie tworząc "las" ukierunkowanych cząsteczek. Taki "las" może oprzeć się ogromnej sile działającej w kierunku normalnym do powierzchni, dzięki czemu oddziela skutecznie od siebie wierzchołki
nierówności, podczas gdy dwie warstwy cząsteczek mogą z łatwością ulegać wzajemnemu ścinaniu. Ten rodzaj smarowania jest nazywany smarowaniem granicznym. Smarowanie graniczne może obniżyć współczynnik tarcia fu 10-krotnie. Smarowanie hydrodynamiczne jest jeszcze bardziej efektywne.
Zużycie ścierne
Fragmenty materiału, które uległy zużyciu adhezyjnemu, często odrywa ją się od
nierówności powierzchni materiału w czasie jej poślizgu po innej powierzchni. W
substancjach smarujących znajduje się pewna ilość tlenu (aby utrzymać barierę tlenkową pomiędzy ślizgającymi się materiałami), więc te oderwane fragmenty materiału mogą ulec utlenieniu, w wyniku czego powstają twarde cząstki tlenku, które działają na ślizgające się po sobie powierzchnie w taki sposób jak papier ścierny.
Na rysunku pokazano w jaki sposób twardy materiał może, działając jak "pług",
odrywać fragmenty miękkiego materiału, który w wyniku tego ulega poważnemu zużyciu. Zużycie ścierne materiału nie ogranicza się oczywiście do tego mechanizmu, lecz może również być spowodowane obecnością zanieczyszczeń (np. cząstek piasku) lub, w przypadku silnika, produktów spalania (dlatego konieczny jest filtr oleju).
Zużycie ścierne ma miejsce, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów występują utwierdzone albo luźne cząstki ścierniwa, lub wystające nierówności twardego materiału. Zużycie ścierne może następować przez:
• ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach,
• luźne pojedyncze ziarna ścierne, w tym także powstające w obszarze tarcia w wyniku utleniania produktów zużycia,
• warstwę ścierną występującą miedzy współpracującymi powierzchniami,
• strumień ścierny, tj. strumień płynu, w którym są zawieszone cząstki ścierniwa,
• ścieranie w środowisku ściernym, gdy styk ziarna ze ścieraną powierzchnią następuje pod działaniem sił wykonujących pracę ścierania i zgniatania materiału ścierniwa.
Klasyfikacja zużycia ściernego
Podziału zużycia ściernego dokonuje się ze względu na kryterium, którym jest iloraz
powierzchni przekrojów poprzecznych sumy obustronnych spęczeń materiału obok rysy F1 i zagłębienia rysy F2.
Ubytek materiału w warstwie wierzchniej podczas zużycia ściernego związany jest z:
• bruzdowaniem, czyli odkształceniem plastycznym obszarów styku i
spęczenia materiału z obu stron bruzdy, gdy stosunek Fl / F2 = 1,
• mikroskrawaniem, gdy stosunek Fl / F2 = 0,
• rysowaniem, gdy materiał jest częściowo odkształcany plastycznie oraz częściowo
skrawany w postaci wiórów jako produktów zużywania, gdy stosunek 0 < Fl / F2 < 1.
Szybkość zużycia ściernego może oczywiście być zmniejszona przez zmniejszenie obciążenia. Pod mniejszym obciążeniem cząstki wbijają się płyciej w metal i wyżłobienie w nim jest mniejsze. Ten sam efekt uzyskuje się zwiększając twardość materiału. Zużycie ścierne materiału jest zazwyczaj zjawiskiem niekorzystnym, lecz w niektórych sytuacjach, jak np. przy obróbce
materiałów, byłoby trudno naostrzyć nóż tokarski, wypolerować mosiężne ornamenty lub wiercić otwory w skale, gdyby to zjawisko nie występowało.
Zużycie adhezyjne
jeżeli adhezja pomiędzy atomami A i B jest wystarczająco duża, starty materiał będzie usuwany z metalu A, który jest bardziej miękki. Jeżeli metale A i B
są jednakowo miękkie, obie powierzchnie będą ulegały zużyciu. Rozmiar fragmentów metalu odrywanych z danej nierówności zależy od tego jak daleko od złącza zachodzi ścinanie. Jeżeli obszar utwardzony rozciąga się do wewnątrz takiej nierówności, wystąpi tendencja do odrywania większych kawałków metalu. Tendencja odwrotna wystąpi wówczas, gdy przekrój nierówności wzrasta w miarę oddalania się od złącza.
Zużycie adhezyjne polega na lokalnym sczepianiu metalicznym (adhezji) powierzchni trących w mikroobszarach odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej, a zwłaszcza najwyższych wierzchołków chropowatości zbliżonych na odległość działania sił molekularnych i następnym ich rozrywaniu związanym z odrywaniem cząstek metalu lub jego rozmazywaniem na powierzchniach
tarcia.
Sczepianie adhezyjne występuje przy styku dwóch powierzchni metali, charakteryzujących się dużym powinowactwem chemicznym. O skłonności do sczepiania się metali decydują siły elektrodynamiczne wywołane drganiami atomów powierzchniowych. Zdolność metali do połączeń adhezyjnych zależy przede wszystkim od struktury elektronowej ich atomów, rodzaju sieci
krystalicznej i plastyczności. Metale wzajemnie nierozpuszczalne w stanie stałym lub tworzące fazy międzymetaliczne cechują się najmniejszą intensywnością sczepiania się. Atomy obce w sieci, dodatki stopowe i domieszki zwykle utrudniają sczepianie się. Sczepianiu się sprzyja podobieństwo struktury krystalicznej oraz zbliżone wartości parametru sieci. W podwyższonej temperaturze zwiększa się skłonność do sczepiania się elementów z tego samego metalu lub metali o zbliżonej strukturze krystalicznej. Sprzyjają temu także zgniot oraz
sprężyste odkształcenie sieci.
Zrastanie tarciowe
W wysokiej temperaturze oraz przy dużych odkształceniach plastycznych mikroobszarów tarcia następuje, jako odmiana sczepiania adhezyjnego, zrastanie tarciowe, które polega na trwałym łączeniu się stykających się obszarów trących powierzchni metalowych w wyniku dyfuzji poprzez granicę styku.
Proces ten zależy od wzajemnej rozpuszczalności w stanie stałym materiałów pary trącej, współczynników dyfuzji lub samodyfuzji, temperatury mikroobszarów tarcia, czasu styku i wartości odkształcenia plastycznego.
Skłonność do tworzenia warstw tlenkowych
Oprócz skłonności metali do sczepiania i zrastania drugim czynnikiem decydującym o podatności na zużycie adhezyjne jest skłonność metalu do tworzenia na powierzchni warstw tlenkowych. Tlenki metali o wiązaniach atomowych tworzą potencjał sił elektrostatycznych powierzchni, których zasięg jest mniejszy od sił charakterystycznych dla metali. Warstwy tlenkowe praktycznie nie wykazują skłonności do sczepiania. Warstwa tlenków na powierzchni metalu zmniejsza oddziaływanie adhezyjne obszarów styku metali. Całkowita siła przyciągania adhezyjnego zależy od wartości sił międzycząsteczkowych i rzeczywistej powierzchni styku. Przyciąganie adhezyjne bez trwałych wiązań międzypowierzchniowych nie powoduje zużycia.
Rozrywanie sczepień materiału
Rozrywanie sczepień powoduje często na granicy umocnionego materiału ubytki na
powierzchni i tworzenie na drugiej powierzchni narostów o twardości większej od rdzenia. Narosty działają jak mikroostrza umocowane w jednej z powierzchni.
Istota scuffingu
Gwałtowne zużycie spowodowane zachwianiem równowagi termicznej i mechanicznej w wyniku przerwania warstwy olejowej, polegające na zaczepianiu nierówności powierzchni i podwyższeniem temperatury w warunkach, gdy warstwa olejowa istnieje, lecz jest zbyt cienka w stosunku do wysokości nierówności, nazywane jest scuffingiem. Ten rodzaj zużycia łączy w sobie elementy zużycia ściernego i adhezyjnego i polega na sczepianiu się i następnym rozrywaniu połączeń wierzchołków nierówności w mikroobszarach styku.
Zużycie z udziałem utleniania
W przypadku gdy intensywność niszczenia powierzchni przez ścieranie jest mniejsza od intensywności tworzema warstw tlenków, występuje zużycie z udziałem utleniania. Zużycie to polega na niszczeniu warstwy wierzchniej metali i stopów w warunkach tarcia w wyniku oddzielania warstw tlenków utworzonych w strefie tarcia wskutek adsorpcji tlenu oraz warstw roztworów stałych powstałych następnie w wyniku dyfuzji tlenu w odkształcone plastycznie lub sprężyście obszary metalu. Zużycie z udziałem utleniania występuje przy tarciu:
• ślizgowym,
• tocznym.
Przy tarciu tocznym, zużyciu z udziałem utleniania zawsze towarzyszy zużycie
zmęczeniowe.
Zużycie zmęczeniowe
Cykliczne oddziaływanie naprężeń kontaktowych w warstwach wierzchnich
współpracujących elementów tarciowych wywołuje zmęczenie materiału i w wyniku tego miejscową utratę spójności i związane z tym ubytki materiału, co stanowi istotę zużycia zmęczeniowego. Ubytek masy następuje dopiero po przekroczeniu przez poszczególne mikroobszary materiału granicznej liczby cykli obciążenia i granicy zmęczenia. W zależności od parametrów i rodzaju procesu tarcia oraz od wielkości obciążenia ubytek masy poprzedzony jest powstawaniem mikropęknięć, a następnie makropęknięć materiału. Klasyfikacja zużycia zmęczeniowego
Zużycie zmęczeniowe może być:
• powierzchniowe, charakteryzujące się miejscowymi ubytkami warstwy wierzchniej
materiału spowodowanymi obciążeniami kontaktowymi,
• objętościowe, związane z tworzeniem się pęknięć zmęczeniowych w wyniku
wielokrotnych makroskopowych odkształceń sprężystych oraz wielokrotnych odkształceń sprężysto-plastycznych lub plastycznych spowodowanych przez tarcie i wywołujących powierzchniowe pęknięcia zmęczeniowe.
ANALIZA PRZYPADKÓW TARCIA I ZUŻYCIA MATERIAŁU SPOWODOWANEGO TARCIEM
Przeanalizujemy trzy różne przykłady występowania tarcia i zużycia materiału.
- Pierwszy z nich jest przykładem działania czynników omówionych poprzednio
tj. współczynnika tarcia, smarowania i zużycia materiału wywołanego tarciem
Dotyczy cylindrycznego wału lub czopa osadzonego w łożysku poprzecznym.
- Drugi przykład dotyczy zupełnie innej dziedziny, a mianowicie właściwości
ciernych lodu ważnych przy projektowaniu nart lub płóz sani.
- Trzeci dotyczy właściwości ciernych polimerów w kontekście wyboru materiału
na opony przeciwpoślizgowe.
Projektowanie łożysk poprzecznych
W poprawnie pracującym i dobrze smarowanym łożysku poprzecznym właściwości cierne i odporność na zużycie materiału nie są istotne. Współpracujące powierzchnie są oddzielone od siebie cienką, pozostającą pod ciśnieniem, warstwą oleju tworzącą się w warunkach smarowania hydrodynamicznego.
Pod wpływem obciążenia działającego na czop łożyska wał przemieszcza się w łożysku tak, że luz występuje prawie zawsze tylko z jednej jego strony. Olej jest lepki i obracający się wał rozprowadza go w łożysku. Ponieważ grubość warstewki oleju maleje w kierunku obszaru, gdzie współpracujące powierzchnie są najbardziej do siebie zbliżone, ciśnienie w warstewce oleju wzrasta i "podtrzymuje" wał przeciwstawiając się działającej sile F. Ciśnienie osiągane w tych warunkach może wynosić ok. 1-10 MPa. Jeżeli olej jest wystarczająco lepki, jego warstewka w najcieńszym miejscu ma wystarczającą grubość, aby całkowicie oddzielić współpracujące ze sobą powierzchnie. W warunkach idealnego smarowania hydrodynamicznego nie będzie styku między tymi powierzchniami nawet na
wierzchołkach nierówności; nie wystąpi również zużycie materiału. Ponadto poślizg powierzchni będzie się odbywać poprzez ścinanie w samej warstewce oleju. Dzięki temu, przy smarowaniu hydrodynamicznym współczynniki tarcia zmniejszają się do wartości 0,001-0,005. W warunkach idealnych smarowanie hydrodynamiczne jest bardzo korzystne. W praktyce w łożysku występują zwykle zanieczyszczenia, np. twarde cząstki krzemionki, drobne opiłki itp. Jeżeli cząstki zanieczyszczeń są grubsze niż warstewka oleju w jej najcieńszym miejscu, pojawi się zużycie materiału. Istnieją dwa sposoby rozwiązania tego problemu. - zastosowaniu materiału twardszego niż zanieczyszczenia. Czopy wału korbowego utwardza się, stosując specjalne obróbki cieplno--chemiczne lub cieplne (nie utwardza się powierzchni samego łożyska), - wykonane łożyska z miękkiego materiału. Jeżeli jest on dostatecznie miękki, cząstki zanieczyszczeń zostaną wgniecione w powierzchnię łożyska i nie będą powodowały zużycia materiału. Taka właściwość materiału łożyska jest nazywana zdolnością wchłaniania twardych cząstek. Inne problemy wynikające ze stosowania miękkiego materiału na łożyska. Smarowanie hydrodynamiczne zachodzi tylko przy dostatecznie dużych szybkościach obrotowych czopa. W momencie uruchamiania silnika lub jazdy z małą prędkością, występuje smarowanie graniczne. W takich warunkach współpracujące powierzchnie częściowo się stykają i występuje zużycie materiału (dlatego trwałość silnika jest mniejsza, gdy pojazd wykorzystuje się dojazdy na małe odległości). We współczesnych samochodach wymiana zużytego wału korbowego jest trudna i kosztowna, podczas gdy łożyska są tanie i można je stosunkowo łatwo wymienić. Zmniejszenie zużycia łożysk, jak wykazano w poprzednio (zużycie adhezyjne) uzyskuje się przez wykonanie ich z miękkiego materiału jak np. stopów cyny czy ołowiu. W praktyce rozwiązuje się ten problem przez wykonanie tylko cienkiej warstwy z miękkiego materiału. Warstwa ta pracuje w taki sposób, jak kawałek plasteliny ściśnięty pomiędzy dwoma drewnianymi klockami: początkowo odkształca się ona bardzo łatwo, lecz w miarę jak staje się coraz cieńsza, potrzebny jest coraz większy nacisk, aby spowodować jej dalszy wypływ na boki. Ponieważ plastelina jest "uwięziona" pomiędzy drewnianymi klockami, do jej całkowitego wyciśnięcia musielibyśmy użyć nieskończenie dużego nacisku. Zasadę ograniczonego odkształcenia plastycznego wykorzystuje się przy konstrukcji łożysk: łożysko pokrywa się cienką (ok. 0,03 mm) warstwą miękkiego stopu, która jest dostatecznie gruba, aby "wchłonąć" większość cząstek zanieczyszczeń, a jednocześnie wystarczająco cienka, aby przenosić nacisk wywierany przez czop łożyska. Cienka warstwa miękkiego materiału odgrywa ponadto istotną rolę w razie ustania smarowania łożyska, kiedy jego temperatura wzrasta gwałtownie na skutek tarcia, co zwykle prowadzi do powiększenia powierzchni styku metal--metal, powstają wiązania pomiędzy atomami materiału czopa i atomami materiału łożyska i następuje zatarcie. Cienka warstwa miękkiego łatwo topliwego materiału pokrywająca panewkę ulegnie wtedy ścinaniu; może ona nawet ulec miejscowemu stopieniu. Pomoże to zabezpieczyć powierzchnię czopa łożyska przed poważnym uszkodzeniem jak również będzie przeciwdziałać pękaniu części silnika w razie nagłego zatarcia współpracujących powierzchni. Trzecią zaletą pokrywania łożyska cienką warstwą miękkiego materiału jest uzyskanie zdolności panewek do dostosowywania się do kształtu czopa. Niewielka niewspółosiowość w ustawieniu elementów łożyska może zostać skorygowana samoczynnie dzięki odkształceniu plastycznemu materiału warstwy. Oczywiście trzeba uzyskać kompromis pomiędzy zdolnością przenoszenia obciążeń i zdolnością samoczynnego korygowania kształtu przez te warstwę.
Cienka warstwa wykonana z ołowiu i cyny może w ciężkich warunkach pracy ulec zużyciu przed osiągnięciem normalnego czasu eksploatacji łożyska. Zwykle w dzielonych panewkach łożysk silników, umieszcza się pomiędzy warstwą miękką a podłożem stalowym drugą, grubszą warstwę wykonaną z twardszego materiału najczęściej stopu miedź-ołów lub aluminium-cyna. Ta druga, nieco twardsza warstwa jest jednak wystarczająco miękka, aby zapobiec natychmiastowemu zniszczeniu czopa łożyska.
Materiały do produkcji nart i płóz
W latach minionych narty, jak również płozy, stosowane w sprzęcie lotniczym wykonywane były przeważnie z woskowanego drewna. W temperaturach powyżej -10°C tarcie woskowanego drewna o śnieg jest bardzo małe - współczynnik m wynosi ok. 0,02. Gdyby tak nie było, samoloty nie mogłyby startować z pasów pokrytych ubitym śniegiem i ruch turystyczny w Szwajcarii uległby poważnemu ograniczeniu. W temperaturze poniżej -10°C zaczynają występować niekorzystne zjawiska: współczynnik m gwałtownie wzrasta do wartości ok. 0,4. Od czego zależy tarcie pomiędzy nartami i śniegiem. Lód różni się od większości materiałów tym, że podczas ściskania jego temperatura topnienia obniża się. Powszechnie sądzi się, że pod naciskiem nart śnieg ulega stopieniu, ale nie jest to prawda. Pod ciężarem potężnie zbudowanego narciarza rozłożonym na powierzchni nart temperatura topnienia lodu obniży się o ok. 0,0001°C. Nawet jeżeli założymy, że ten ciężar jest przenoszony tylko przez nierówności powierzchni śniegu, i że powierzchnia kontaktu nart ze śniegiem wynosi tylko 10 -3 nominalnej powierzchni nart, temperatura topnienia obniży się tylko o 0,1 °C. Tak więc topnienie śniegu pod naciskiem nart nie może tłumaczyć zmniejszenia tarcia w takim stopniu, jak widzimy to na rys. W czasie, gdy narciarz zaczyna zjeżdżać po stoku, praca wykonana przy pokonywaniu sił tarcia zamienia się na ciepło wydzielane przy powierzchni poślizgu. Ciepło to jest wystarczające do stopienia warstwy lodu, w wyniku czego w miejscach styku nart z nierównościami powierzchni śniegu wytwarza się cienka warstewka wody: narciarz ślizga się po tej warstewce. Mechanizm tego zjawiska jest dokładnie taki sam jak w łożysku wykonanym ze stopu ołów-miedź, w którym w miejscach lokalnego przegrzania ołów się topi, tworząc ciekłą warstewkę działającą jak smar - w rezultacie współczynnik m maleje. Poniżej -10°C, wytworzone w ten sposób ciepło jest odprowadzane tak szybko, że lód nie zdąży się stopić, a ponieważ przewodność cieplna samych nart jest znaczna, w niskich temperaturach narty wyposażone w zewnętrzne elementy metalowe (np. w aluminiowe lub stalowe krawędzie) będą wolniejsze niż narty pozbawione takich elementów. W niskich temperaturach mechanizm tarcia jest taki sam, jak w przypadku metali: nierówności powierzchni lodu przylegają do nart i muszą ulec ścięciu w czasie poślizgu. Wartość współczynnika m (0,4) jest tutaj zbliżona do wartości obliczonej za pomocą modelu ścinania. Wartość ta jest stosunkowo duża - wystarczająco, aby bardzo utrudnić start samolotu i zwiększyć 10-krotnie pracę potrzebną do ciągnięcia naładowanych sań. Zastanówmy się w jaki sposób można ten współczynnik tarcia zmniejszyć. Rozwiązanie tego problemu jest banalne. Z danych widzimy, że przy poślizgu pomiędzy materiałem ceramicznym i polimerem współczynnik m może wynosić tylko 0,04. Wśród polimerów wykazujących mały współczynnik tarcia znajduje się PTFE (teflon) i polietylen. Pokrywając narty lub płozy sań jednym z tych materiałów, uzyskujemy mały współczynnik tarcia, który pozostaje mały nawet jeżeli temperatura jest tak niska, że ciepło tarcia nie jest wystarczające do wytworzenia warstewki wody pomiędzy stykającymi się powierzchniami. Obecnie produkowane narty i płozy przeznaczone dla sprzętu lotniczego mają ślizgi pokryte teflonem lub polietylenem. Komitet Olimpijski sprzeciwił się zastosowaniu tych materiałów do pokrycia płóz w bobslejach, uważając że szybkości osiągane w tym sporcie są i tak już bardzo duże.
Guma (kauczuk) o dużym współczynniku tarcia
W wielu zastosowaniach, jak np. okładziny hamulcowe, tarcze sprzęgła, obuwie
wspinaczkowe i przede wszystkim opony samochodowe, wymagane jest możliwie
największe tarcie. Guma poddana tarciu zachowuje się inaczej niż metal.
Przy dociskaniu do siebie dwóch powierzchni metalowych większość odkształceń w miejscach styku między tymi powierzchniami ma charakter odkształceń plastycznych, oraz że tarcie pomiędzy tymi powierzchniami jest wywołane działaniem sił ścinających na złącza utworzone w miejscach styku.
Guma odkształca się w sposób sprężysty aż do bardzo dużych wartości naprężeń. Jeżeli zetkniemy gumę z jakąś powierzchnią, odkształcenia w punktach styku będą sprężyste. Oczywiście również pod działaniem sił sprężystych atomy w punktach styku będą zbliżane do siebie, wystąpi adhezja, a wprowadzenie powierzchni w poślizg będzie wymagało działania siły ścinającej. Dlatego opony samochodu trzymają się dobrze suchej szosy. Jeżeli szosa jest mokra, sytuacja zmienia się: cienka warstewka wody i błota pomiędzy gumą i nawierzchnią szosy działa jak smar. Warstewka ta podda się ścinaniu przy naprężeniu znacznie niższym niż przy suchej szosie i konsekwencje tego mogą być niebezpieczne. W takich warunkach, aby zapobiec poślizgowi samochodu, musi zadziałać inny mechanizm tarcia. Wszystkie drogi mają silnie chropowate nawierzchnie. Nierówności nawierzchni wgniatają się w oponę, powodując jej znaczne miejscowe odkształcenia. W czasie poślizgu opona przesuwa się po chropowatości nawierzchni. Obszar gumy, który został sprężyście odkształcony przez chropowatość nawierzchni, teraz ulega relaksacji, podczas gdy guma tuż za tym obszarem ulega ściśnięciu napotykając nierówność nawierzchni.
Ale wszystkie gumy wykazują pewien brak elastyczności. Gdy guma jest ściśnięta, praca włożona równa się co do wartości powierzchni pod górną krzywą; lecz jeśli usuniemy naprężenie, to nie odzyskamy całej energii z powrotem. Część jej zostanie rozproszona w formie ciepła - jest to część pokazana jako obszar zakreskowany pomiędzy krzywymi. A więc, aby wprowadzić oponę w poślizg na szorstkiej nawierzchni, musi być wykonana praca, nawet jeżeli opona jest silnie zatłuszczona. Opracowano specjalne gumy o wysokiej stratności (zwane gumami o szerokiej pętli histerezy), które charakteryzują się dużą odpornością na poślizg nawet na mokrej nawierzchni. Gumy te mają jednak jedną oczywistą wadę. Również w normalnych warunkach jazdy ściany opony ulegają dużym odkształceniom sprężystym, w wyniku których wytwarzają się znaczne ilości ciepła. Wyjściem jest wykonanie opony z materiału o małej stratności, a bieżnika z materiału o dużej stratności - jest to jeszcze jeden przykład zastosowania materiału złożonego - kompozytu. Opony przeciwpoślizgowe z bieżnikiem o dużej stratnością (dla maksymalnej przyczepności) i ścianami o małej stratności (dla zmniejszenia nagrzewania się).