Pewne ilości wody tworzą z węglowodorami roztwór rzeczywisty, kilka setnych procenta. W większych ilościach woda tworzy z węglowodorami emulsję do kilku, a nawet kilkunastu procent. Po wyczerpaniu się tej możliwości (tworzy emulsję) woda wydziela się jako osobna faza i przechodzi do odstojników .
Działanie wody na oleje jest wyłącznie negatywne:
- zwiększa się agresywność korozyjna
- woda hydrolizuje dodatki uszlachetniające, które przechodzą do osadów
- sprzyja pienieniu się oleju co pogarsza jego własności redogiczne.
c) powietrze
Olej w postaci piany ma dużo mniejszą nośność niż olej bez powietrza. Powietrze rozpuszczone w objętości oleju zwiększa jego lepkość co może zablokować układy filtrujące. Powietrze to również przyspiesza utlenianie w objętości oleju. Niektóre oleje przemysłowe zawierają dodatki, które rozpuszczają pewną niewielką ilość wody oraz inne dodatki sprzyjające deemulgowaniu większej ilości wody. Podobnie jest z powietrzem, wprowadza się dodatki sprzyjające wypieraniu powietrza z objętości oleju (szczególnie ważne w olejach hydraulicznych).
Typowe zmiany starzeniowe na przykładzie oleju silnikowego. rys. s.18
Model 1 opisuje wzrost lepkości w wyniku:
- odparowania lżejszych węglowodorów,
- utleniania węglowodorów oleju bazowego,
- dysperbowania zanieczyszczeń stałych.
Model 2 oznacza powolny spadek lepkości w wyniku:
- ścinania dodatków lepkościowych (wiskozatorów)
- rozcieńczenie oleju silnikowego przez paliwo
Model 3 oznacza przeciek awaryjny z układu chłodzenia bądź np. urwanie się końcówki wtryskiwacza w silniku Diesla
Model 4 oznacza korygujące działanie dolewek odświeżających. Rzeczywista lepkość oleju silnikowego jest wypadkową wyżej podanych procesów składowych. W instalacjach przemysłowych przewagę raczej mają procesy zwrotu lepkości w wyniku utleniania.
Kiedy wymieniać olej w urządzeniu
Generalnie spotyka się dwa systemy:
a) wymiana po osiągnięciu normy czasowej zawartej w instrukcji obsługi np. co 20 000 km.
b) na podstawie oceny rzeczywistego stanu olejów w eksploatacji, wymaga to pobierania okresowego próbek do badań i kontroli podstawowych parametrów użytkowych związanych ze smarowaniem (obowiązkowy jest pomiar wielkości) oraz specyficznymi funkcjami oleju. Olej podlega wtedy wymianie na świeży, gdy któryś z parametrów ocenianych osiąga wartość graniczną. Współcześnie w przemyśle proponowane są bardzo rozbudowane systemy nadzoru eksploatacyjnego nad olejami smarowymi np. system chewron, system firmy Elf, mobi tp. Na podstawie wieloletnich doświadczeń opracowano tabelę z wytycznymi eksploatacji, obowiązkowy jest okresowy system pobierania próbek i porównywania pomiarów z wartościami granicznymi.
Zużywanie tribologiczne jest to proces ciągły niszczących zmian pierwotnego stanu masy, składu chemicznego, struktury, stanu naprężenia i odkształcenia warstwy wierzchniej spowodowane tarciem ciał współpracujących i oddziaływaniem środowiska przejawiającej się w postępującej zmianie wymiarów i kształtów trących się ciał.
Miary zużycia:
- bezwzględne
* zużycie liniowe h (zmiana wymiaru)
* zużycie objętościowe Zv
* zużycie wagowe Zw (zmiana gęstości)
Intensywność zużywania:
Klasy intensywności zużycia (jest ich 12)
12-11 klasa tuleja cylindra- pierścień tłokowy silnika spalinowego
10-9 klasa prowadnice obrabiarek
8-7 klasa łożyska ślizgowe
Przebieg zużywania rys 1.s20
I warstwa wierzchnia dostosowuje się do warunków pracy
Parametry docierania:
1. Chropowatość równowagowa (eksploatacyjna), która nie zależy od warunków technologicznych zależy od warunków tarcia. rys 2. s 20
2. Zmian struktury warstwy wierzchniej rys 3. s 20
1. zużycie smarowe nie filtrowanego oleju
2. zużycie, które ma miejsce przy umacnianiu (elementów) pod wpływem zgniotu
3. zużycie elementów hartowanych i ulepszanych
4. zużycie łożysk tocznych
Klasyfikacja zużycia
Podział wg dominującego elementarnego procesu zużywania tab. s 20
Tabela dotyczy przede wszystkim metali, w procesie zużywania uczestniczą zawsze przynajmniej 2 ciała. Do tych procesów dochodzą jeszcze inne procesy niszczące np. korozja, zniszczenie.
Zużywanie ścierne = ścieranie:
Jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał w wyniku mikro skrawającego, mikro rysującego i ścinającego oddziaływanie elementów ściernych - cząstek ścierniwa, produktów ścierania, wierzchołków chropowatości i twardych składników strukturalnych.
Mikroskrawanie - jest to zjawisko wykrawania w materiale pewnej mikro objętości przez umocowane elementy ścierne. Warunkiem występowania jest zdolność uniknięcia elementu ściernego na odpowiednią głębokość, musi nastąpić ruch względny f1=0
Mikrorysowanie- zjawisko tworzenia się rysy w materiale przez przesuwający się element ścierny, częściowo w skutek mikroskrawania i częściowo przez odsuwanie materiału na boki f1<f2
Mikrobruzdowanie- zjawisko wyciskania bruzdy przez przesuwający się element f1=f2 rys. s.21
Zdolność do zagłębianie się elementu ściernego zależy od:
- stosunku twardości ściernika Ha do twardości materiału Hm
- kształtu i wymiaru materiału ściernego
- siły
Podział zużywania ściernego.
Zależnie od stopnia swobody elementów ściernych można wyróżnić:
- ścieranie przez ziarno umocowane
- ścieranie w obecności ziaren ściernych (między dwoma elementami)
-ścieranie w masie ściernej (np. w glebie)
Ścieranie przez ziarno umocowane
- wpływ wybranych czynników
1. Wpływ twardości materiału rys. 1 s.21
2.Wpływ twardości ścierniwa i materiałów rys.2 s. 21,s22
6.01.05r- rys1 .s23
Zależność zużycia polimeru od chropowatości elementu metalowego rys. 2 s.23
Wpływ wielkości ziarna na zużycie rys 3 s.23
Wpływ obciążenia na zużycie rys4.s23
Zużywanie ścierne w obecności ścierniwa
Ziarna ścierne przedostaję się miedzy współpracujące powierzchnie. Mogą to być produkty zużycia, olej, medium smarujące itp. Filtry silników spalinowych powinny zatrzymywać (98-99)% zanieczyszczeń.
(0,5-2) g/m³
(500-2000) mg/m³
(5-20) mg/m³ (1-2)%
Mechanizm zużycia ściernego w przypadku obecności ziaren ściernych między trącymi się elementami zależy od:
- twardości elementów
- twardości, wytrzymałości i kształtu ziaren ściernych
- ziarno wnika w materiał bardziej miękki (inkluduje) i powoduje ścieranie bardziej twardego elementu rys1. s24
- ziarno ulega pokruszeniu rys2. s24
- ziarno może się obtaczać rys3. s24
Wpływ wybranych czynników na zużywanie ścieru w obecności ściernika.
1. Wpływ wielkości ziaren rys4. s24
Skojarzenie czop wału-panewka, czopy stalowe, o trzech wartościach twardości Hm1, Hm2, Hm3, panewki z różnych materiałów o różnych twardości Hb1, Hb2, Hb3, skojarzenie olejem, który zawiera cząstki ścierne o określonych twardościach Ha1, Ha2, Ha3 ,Ha4. rys. s25+wzory
- czop twardy- panewka twarda => zużycie niewielkie, ziarna się rozkruszyły, nie mogą wnikać w materiał
- czop twardy- panewka miękka=> zużycie duże wału i panewki
- czop twardy-panewka bardzo miękka=> zużycie bardzo duże panewki, niewielkie wału.
Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (0,005/0,1) eV, wystąpieniu odsorpcji zawsze występuje wydzielenie ciepła (8-80) kJ/md. Zachodzi na małej powierzchni. Te warstewki są odpowiedzialne za tarcie graniczne.
Chemisorpcja- energia wiązania znacznie większa (1/8) eV. Ilość wydzielającego się ciepła (40/400) kJ/md. Wprowadza się dodatki chemiczne aktywne najczęściej: siarka, fosfor, chlor.
Dyfuzja - jest to przemieszczanie materii w kierunku przeciwnym do gradientu stężenia. (np. w ciałach stałych)
Średnie kwadratowe przemieszczenie atomu dyfundującego opisuje się takim równaniem wzory.
Dyfuzja w ciałach stałych zachodzi jeśli temperatura jest większa od tzw. temperatury tamma, temperatury topnienia.
T>Ttamma=(0,3/0,4)Ttop
Rys. s27
Schemat str.27
13.01.05r
rys1. s27
Adsorpcja - jest to zjawisko polegające na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek adsorbaty przez atomy (cząsteczki ciała stałego). Jeżeli unieruchomienie tych cząstek odbywa się siłami Von der Walsa to mówimy wtedy o adsorpcji fizycznej. Jeśli natomiast występuje wiązanie chemiczne wtedy występuje chemisorbcja.
Adsorpcja fizyczna (0,05/0,1) eV
Np. dla olei zwieczących rys2. s27
Adhezja
Przy zbliżaniu się 2 ciał między atomami warstw wierzchnich (ww) dochodzi do oddziaływania, które przyjęto nazywa adhezyjnym, a samo zjawisko powstawania oddziaływań między kontaktującymi się powierzchniami nazywamy adhezją.
odhaesio=szczepianie
Zjawisko powierzchniowego związania się ze sobą warstw wierzchnich różnych ciał pod wpływem przyciągania
Jakie oddziaływanie wywołuje adhezja:
- siły Van der Walsa
- oddziaływania elektrostatyczne
Następuje rozdzielenie ładunku elektrostatycznego
- wiązania chemiczne (metaliczne, jonowe w zależności od budowy ciał.)
Ponieważ oddziaływanie sił Van der Walsa zachodzi pomiędzy dowolnymi rodzajami atomów i cząsteczek dlatego adhezja występuje między wszystkimi materiałami, które można zbliżyć rzędu kilku nm (nanometrów)
Czynniki istotnie wpływające na adhezję ciał stałych
„Czystość powierzchni” rys. s 27
Jeśli pokryjemy płytkę miedzianową - utlenimy rys1.s 28
Obecność warstewek powierzchniowych zmniejsza oddziaływanie adhezyjne:
- obciążenie
- temperatura
Ze wzrostem temperatury rośnie plastyczność materiału.
Jeśli w próżni to temperatura sprzyja, w normalnych warunkach nie.
Adhezja w procesie tarcia rys2. s28
Z adhezją mamy do czynienia tylko na elementarnych powierzchniach styku. Rys3. s28
W ogólnym przypadku adhezja na elementarnych powierzchniach styku trących się metali może przejawić się w następujących formach:
1. Oddziaływanie sił Von der Walsa
2. Sczepiania
3. zrastanie tarciowe
ad1. Oddziaływania sił Von der Walsa zależą od rodzaju trących się ciał, od chropowatości powierzchni, od właściwości warstewek powierzchniowych.
Wartość sił Von der Walsa rośnie ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków. Większe przyciąganie wykazują czyste metale niż ich stopy rys4. s28
Ta forma oddziaływania nie powoduje zużywania się trących elementów, one wnoszą w swój _____ opór tarcia np. gładkie powierzchnie dociskane jakąś siła
Ad2. Sczepianie
Jeśli na stykających się mikroobszarach trących się elementów nastąpi takie zbliżenie, że przejawi się działaniem sił krótko zasięgowych wówczas może wystąpić sczepienie. Jest to bezdyfuzyjne połączenie się mikroobszarów trących się ciał(metalicznych)na skutek wiązania metalicznego na pierwotnej granicy ich rozdziały. Sczepianie wyodrębniająca się odrębność materiały powstała w miejscu pierwotnej granicy rozdziały.
Warunkiem powstania sczepienia jest:
- usunięcie warstewek powierzchni z stykających się mikroobszarów
- uzyskanie odpowiednio dużego pola powierzchni styku metalicznego rys1. s29
Ciepło może ułatwić sczepianie ale bez odkształcenia plastycznego, ono nie może wystąpić.
- jeśli przez pierwotną granicę rozdziału ciał metalicznych na elementarnych powierzchniach styku nastąpi dyfuzja to mamy do czynienia ze zrastaniem tarciowym
Zrastanie tarciowe jest to zjawisko trwałego połączenia stykających się mikroobszarów, trących się ciał metalicznych na skutek dyfuzji przez pierwotną granicę rozdziału.
Zrost tarciowy jest to objętość materiału powstała w pierwotnej granicy rozdziały wyodrębniający się swoją budową i stanem od obu trących się metali.
Zależnie od temperatury trzeci etap zrostu może przebiegać następująco:
a) w zakresie niższych temperatur zrastanie zachodzi w stanie stałym
b) w zakresie wyższych temperatur zrastanie zachodzi w stanie ciekłym jednego lub obu materiałów
ad a) Zrastanie w stanie stałym różni się od sczepiania tym, że skłonność do zrastania zależy od wzajemnej rozpuszczalności w stanie stałym trących się metali. Budowa zrostów dwóch różnych metali jest odmienna od budowy każdego z nich. Wartość odkształcenia plastycznego niezbędna do utworzenia zrostu jest znacznie mniejsza niż do utworzenia sczepienia
ad b) Zrastanie w stanie ciekłym
Przy dużych prędkościach może nastąpić nadtopienie, wtedy zrastanie polega na dyfuzji roztopionego metalu w metal, który się nie roztopił przy podwyższonej temperaturze. Przy podwyższonych temperaturach zrastanie tarciowe polega na wzajemnej dyfuzji i rozpuszczeniu metalu stałego w ciekły.
Namazywanie metalu na nie roztopiony metal
- siły Von der Walsa rys.2 s29
- sczepianie rys3. s29
- zrastanie tarciowe, szczepianie__ rys 4. s29
20.01.05
Wybrane hipotezy sczepiania adhezyjnego
1. Hipoteza warstewkowa - utworzenie zatarcie jest możliwe wtedy, gdy z powierzchni kontaktujących się metali zostaną usunięte pokrywające je warstewki reakcyjne (tlenków) lub warstewki sztuczne wytworzone.
HW - twardość warstewki
HN - twardość metalu podłoże
hW - wysokość warstewki
hN - wysokość nierówności
HW/HN>1 hW/hN>1 -> utworzenie szczepienia adhezyjnego
2. Hipoteza dyfuzyjna - łączenie metali w stanie stałym (s*a) następuje w skutek dyfuzji powodującej przerastanie ziaren przez pierwotną granicę rozdziału.
t=10do-9 podzielone 10do-6s
jest za niska temperatura
może wystarczy odkształcenie plastyczne?
Rys 1. s30
3. Hipoteza wiązań metalicznych - uwarunkowane powstaniem wiązań metalicznych przez pierwotną granicę rozdziału.
4. Hipoteza wzajemnej rozpuszczalności trących się metali - zakłada ona, że skłonność metali do sczepiania określa ich zdolność do tworzenia roztworów stałych.
Reguła Hurue-Rothery'ego wyróżnia czynniki mający wpływ na tworzenie roztworów stałych.
Strukturalny (jednakowy typ sieci krystalicznej)
Wielkość atomu (zbliżone wielkości średnic atomowych, różnica poniżej 15 %)
Elektrochemiczne (położenie metali pod względem chemicznym tym większa jest ich zdolność do wytwarzania roztworów stałych)
Wartościowość względna (im bardziej jednakowa tym lepiej sprzyja tworzeniu roztworów stałych)
Podział wg L≠Coffine ze względu na tworzenie roztworów stałych
a) pełna skłonność do sczepiania Fe-Cu, Zn-Cu
b) częściowa skłonność do sczepiania Al-Fe, Fe-Ti
c) ograniczona skłonność do sczepiania Fe-Ag
Z punktu widzenia skłonności tworzenia sczepień adhezyjnych jest łączenie materiałów równoimiennych. Nawet metale, które nie wykazują rozpuszczalności do tworzenia roztworów stałych również mogą wykazywać skłonności do sczepień.
Wszystkie metale wykazują większą lub mniejszą skłonność do szczepień
Hipoteza energetyczna - sczepianie rozwija się w kilku etapach:
- utworzenie kontaktu fizycznego
- aktywacja powierzchni styku (odkształcenie plastyczne lub wzrost temperatury)
- utworzenie wiązania metalicznego rys 1.s 31
*Zużywanie trybo-chemiczne rys2. s31
Def. Polega ono na adsorpcji aktywnych składników otoczenia (tlenu z powietrza, siarki, fosfory itp. ze środka smarowego) na trących się powierzchniach, ich dyfuzje w odkształcone plastycznie mikroobszary warstwy wierzchniej a następnie tworzenie warstewek reakcyjnych i usuwaniu ich mechanicznie w skutek ścierania, wykruszania, zmęczenia.
1. Czynnikiem aktywującym jest odkształcenie plastyczne.
2. Warstwa reakcyjna jest mieszaniną związków chemicznych z metalem pary tarcia.
3. Grubość warstewek 10-100nm
Wpływ na grubość właściwości warstewek na wpływ:
- reaktywność rys3. s31
Zużywanie trybo-chemiczne zachodzi przy tarciu tocznym.
Dwa podejścia:
- stosowanie dodatków do środków smarnych
- działać od strony materiału
ZUŻYWANIE WODOROWE- jego istota polega na stopniowym niszczeniu warstwy wierzchniej w skutek adsorpcji wodoru na stali i żeliwa i jego dyfuzji w głąb materiału.
Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużywania wodorowego stali i żeliw:
-dyspersyjne zużywanie-dopuszczalna
-wykruszanie
Gdy jednym z elementów jest tworzywo sztuczne w wyniku tarcia powstaje wodór gdy smar zawiera wodę.
ZUŻYCIE ADHEZYJNE-zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał na skutek powstawania szczepień adhezyjnych między wierzchołkami nierówności oraz ich rozrywaniu i oddzielaniu przy ruchu względnym powierzchni.
DEWPOINT rys1.s32
ZACIERANIE ADHEZYJNE rys2.s.32
OGNISKO ZACIERANIA-obszar sczepiania adhezyjnego o wymiarze krytycznym, którego powstanie implikuje niestabilność tarcia i niszczenie trących się ciał zwiększające intensywnością, co może doprowadzić do unieruchomienia trących się elementów.
Def. zacierania adhezyjnego
ZATARCIE- zatrzymanie ruchu węzła ślizgowego w skutek dominacji tarcia zlokalizowanego w głębi warstwy wierzchniej powodującego jego trwałe uszkodzenie.
ZACIERANIE-zbiór zjawisk zlokalizowanych w węźle ślizgowym, głównie w głębi warstwy wierzchniej powodujących zwiększone i niestabilne tarcie, których rozwój może doprowadzić do tarcia. rys3.s32
27.01.05r
UKSZTAŁTOWANIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE
Postulaty dotyczące ukształtowania warstwy wierzchniej, sformułowane na podstawie kinematycznego modelu zacierania adhezyjnego. Tab.s33
Odporność na zacieranie kół zębatych nawęglanych i hartowanych wyk. s.33
Model bloke
Przerwanie ciągłości warstewki smaru następuje wówczas gdy dla danej kombinacji materiału pary trącej i chemicznie nieaktywnego smaru następuje przekroczenie określonej temperatury krytycznej w strefie tarcia wzór s.33
Nie aktywny smar- to bez dodatków
Model obliczeniowy zacierania gorącego wzór s.33,34
Nie wystąpi zacieranie gdy wzór s.34
FRETTING
Fretting jest to zjawisko naruszenia warstwy wierzchniej dwóch elementów będących we względnym ruchu ślizgowym posuwisto-zwrotnym, o małej amplitudzie nie większej niż 100 mikrometrów (300).Jest to stosunkowo najmniej rozpoznawany rodzaj zużycia, nie został wciąż określony jego mechanizm, nie ma frettingu ogólnej uznanej definicji.
Fretting spowodowany jest mikro przemieszczeniami względnymi kontaktujących się elementów które mogą być spowodowane:
a)drganiami zespołu lub maszyny
b)ruchami roboczymi elementów
W drugim przypadku chodzi o takie przypadki jak łożyska pracujące przy ruchu wahadłowym o bardzo małej amplitudzie, styki piór resorów pionowych, styk powierzchnie oporowej sprężyny z gniazdem.
Inny podział skojarzeń elementów, elementów których zachodzi fretting to:
1. Połączenia nominalnie nieruchome, w których odkształcenia sprężyste jednego lub dwóch elementów są przyczyną frettingu. Należą tu:
- połączenia śrubowe czopów, wałów lub osi z kołami zębatymi pasowymi
- połączenia śrubowe, nitowe zatrzaskowe
- liny stalowe, połączenia sworzniowe
rysunki s34
Schemat rozwoju pęknięcia zmęczeniowego na skutek zmęczenia frettingowego sch. s34
2.Połączenia wykonujące okresowo względny ruch- niektóre typy zaworów, łożyska wahliwe, zestaw kolejowy z automatyczną zmianą rozstawu kół.
Dla pierwszej grupy skojarzeń groźnym następstwem frettingu jest zmiana pasowania, utrata szczelności np. połączenia nitowego, powstanie karbu na wale lub osi, co może doprowadzić do złomu zmęczeniowego.
Dla drugiej grupy skojarzeń podstawowym niebezpieczeństwem jest unieruchomienia skojarzenia wskutek nagromadzenia się produktów zużycia.
Produktami frettingu są tlenki o objętości właściwie większej niż objętość luźnego metalu z którego zostały utworzone. Dlatego powodują one m.in. „kasowanie luzu” i unieruchomienie połączenia. W przypadku lin stalowych gdzie przyczyną frettingu są mikroprzemieszczenia splecionych włókien (drucików) dochodzi do ich wybrzuszenia.
Cechy charakterystyczne frettingu
1.Prędkość względna przy frettingu jest dużo mniejsza niż dla innych rodzajów zużycia.
Przykładowo przy ruchu harmonicznym o amplitudzie A=100nm i częstotliwości f=50Hz prędkość średnia wynosi (wzory str.35)
Jest to prędkość przy której wytworzenie i zachowanie ciągłości warstewki smarnej jest prawie niemożliwe.
2. Powierzchnie stykają się podczas całego procesu współpracy co bardzo utrudnia lub uniemożliwia wydostawanie się produktów z użucia ze strefy kontaktu.
3. Produkty zużycia mają charakterystyczną barwę. W przypadku stali produkty frettingu przypominają proszek kakaowy ale o barwie bardziej czerwonej niż produkty zwykłej korozji. Al-mają barwę czarną podczas gdy produkty korozji są białe
4. Powierzchnia pokryta jest wgłębieniami („wżery frettingowe”), występują na niej także pęknięcia zmęczeniowe.
Mechanizm frettingu - hipotetyczny
Oddziaływanie mechaniczne na elementarnych powierzchniach styku powstanie:
1) Odkształcenie plastyczne i umocnienie materiałów oraz usunięcie - starcie - warstew tlenkowych -powstają tlenkowy (pierwotne) produkty zużycia
2) Między fizycznie czystymi mikroobszarami kontaktujących się metali dochodzi do utworzenia szczepień adhezyjnych (zimnych) - warunki są tam wyjątkowo sprzyjające -> bardzo mała prędkość
3) Sczepienia adhezyjne są niszczone w wyniku czego powstają metaliczne produkty zużycia, które są rozdrabniane i utleniane -> powstają tlenkowe (wtórne) produkty zużycia
4) Ruch względny elementów skojarzenia w skali makroskopowej nie istnieje, dlatego produkty zużycia nie mogą zostać wyprowadzone, ich gromadzenie się doprowadza do wzrostu nacisków pod wpływem których zbierają one na stykające się elementy jak ziarna ścierne powodując powstanie na powierzchnię wgłębień, często określanych nieelegancko jako „wżery frettingowe”
5) Ponieważ warstwa wierzchnia przenosi także naprężenia, które generują pęknięcia zmęczeniowe
6) Oddziaływania mechaniczne mogą być i najczęściej są intensyfikowane przez oddziaływania korozyjne -> stąd spotykane czasem określenie zużycie cierno-korozyjne (mało precyzyjne).
Jak widać mechanizm frettingu jest bardzo złożony, ma on bowiem kilka składowych:
- tribochemiczną, adhezyjną, ścierną, zmęczeniową, korozyjną,
Nic więc dziwnego że wciąż stanowi przedmiot badań.
Schemat powstawania i rozwoju zniszczeń przy frettingu
a) gromadzenie się cząstek w przestrzeniach między stykami wierzchołków nierówności (rys.1 s36)
b) łączenie stykających się przestrzeni w większe obszary (rys2)
c) wzrost warstewki tlenków (rys3)
d) krzywo liniowe głębienie jako rezultat silnego oddziaływania ściernego (rys.4)
Ważniejsze czynniki wpływające na fretting schemat str. 36
Ważniejsze czynniki wpływające na fretting
Podobnie jak w przypadku wszystkich węzłów trybologicznych na mechanizm i intensywność frettingu mają wpływ:
- wymuszenia zewnętrzne
- otoczenie
- struktura i właściwości węzła
1. Amplituda oscylacji
Istnienie oscylacji jest warunkiem występowania frettingu dlatego jej amplituda jest uznawana za jeden z najważniejszych parametrów wywierających wpływ na jego intensywność wyk. s37
Można mówić o trzech wartościach progowych oscylacji:
I - poniżej nie poślizgu występują tylko odkształcenia sprężyste (i plastyczne) mikroobszarów co może być przyczyną zmęczenia po jej przekroczeniu występuje cząstkowy poślizg
II - pełny poślizg
III - granica między frettingiem a oscylacyjnym ślizganiem, jej przekroczanie jest związane z usuwaniem produktów zużycia ze strefy kontaktu obecność tych produktów wpływa na przebieg frettingu. Jeśli są one usuwane z obszaru styku to przebieg zachodzących tam zmian zostaje zmodyfikowany i wtedy nie można już mówić o frettingu.
Częstotliwość oscylacji
Ze zmianą częstotliwości oscylacji następuje zmiana: prędkości względnej co implikuje zmianą temperatury oraz czasu utleniania powierzchni. Zmniejszenie częstotliwości przy stałej amplitudzie zwiększa czas utleniania, dlatego można oczekiwać wzrostu zużycia.
Zwykle zużycie frettingowe ze wzrostem częstotliwości stabilizuje się na pewnym poziomie (pozostałe wymuszenia - bz) rys s.37
Obciążenie normalne
Znaczne uszkodzenia frettingowe mogą wystąpić już przy małych naciskach. Jeśli amplituda oscylacji jest stała, to zużycie frettingowe zwykle zwiększa się liniowo. Trudność w określaniu wpływu obciążenia na fretting polega na tym, że w większości stanowisk badawczych wzrost obciążenia powoduje spadki amplitudy oscylacji rys s.37
Wpływ wilgotności powietrza
Wywiera znaczący i złożony wpływ na zużycie frettingowe. Dla żelaza - największe zużycie zaobserwowano dla wilgotności względnej wynoszącej 10 % rys s.38
W suchym powietrzu - drobne cząstki, 100% wilgotności 4 razy większe. Istnieją doniesienia lit. o efekcie smarującym cząstek sadzy i jednoczesnym intensyfikowaniu korozji.
Wpływ twardości trących się materiałów
Wzrost twardości zwiększa odporność na zużycie frettingowe. Waga tego wpływu może być jednak różna. Można przyjąć, że wzór str.38
Wpływ chropowatości
Z wielu badań wynika, że im mniejsza chropowatość, tym większe zużycie frettingowe -> większa jest skłonność do tworzenia sczepień. szczepień przypadku większej chropowatości warstewki są odkształcone plastycznie co prowadzi do ich złanczania i umocnienia . Dzięki temu nierówności przenoszą część przemieszczeń stycznych w wyniku odkształceń sprężystych, nie dopuszczając do wystąpienia mikropoślizgów. Ponadto na chropowatej powierzchni produkty frettingu mają się gdzie pomieścić przez jakiś czas, dzięki temu nie tworzą się wgłębienia frettingowe.
Wpływ substancji smarującej
W skojarzeniu narażonym na fretting środek smarowy:
1) Utrudnia dostęp tlenu
2) Zmniejsza opory tarcia
3) Utrudnia powstawanie szczepień adhezyjnych
W ogólnym przypadku zmniejszają się wielokrotnie zużycia frettingowe. W celu zmniejszenia frettingu stosowane są zarówno oleje smarowe jak równiej smary plastyczne i stałe. Najbardziej skuteczne są oleje smarowe bo najłatwiej dopływają do obszaru styku gdzie fretting występuje. Ich stosowanie jest jednak ograniczone przede wszystkim ze względu na twardość w ich utrzymaniu w obszarze styku - czyli ze względu na wyciekanie. Smary plastyczne mają lepszą zdolność utrzymania się w obszarze styku, jednak trudniej przedostają się do elementarnych powierzchni styku, ponadto zlepiają się z produktami zużycia i doprowadzają do unieruchomienia węzła. Jako smary stałe najczęściej stosowane są MOSZ, PTFE, grafit i inne. Problem smarowania skojarzeń, w których występuje fretting jest trudny do rozwiązania.
Sposoby ograniczania frettingu
Wybór sposobu zależy od konkretnego węzła i musi być dostosowany do jego specyfiki.
Sposoby konstrukcyjne:
- zastąpienie połączenia nitowego spawanego
- eksmitacja drgań -> maksymalne zwiększenie u („mi”)
- zmniejszenie oporów tarcia przez zastosowanie smarowania
- dobór odpowiednich materiałów na elementy skojarzeń
- zmniejszenie koncentracji naprężeń powodujących fretting (rys s.39)
- sfazowanie powłok
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE
Ten rodzaj zużycia jest charakterystyczny dla węzłów tarcia tocznego, aczkolwiek w ograniczonym zakresie. Występuje również w węzłach ślizgowych. Jedną z cech charakterystycznych węzłów tocznych jest duża różnica krzywizny współpracujących elementów - elementu tocznego i bieżni łożysk tocznych, krzywki i ślizgu, zębów kół itd., a konsekfęcją występowanie naprężeń kontaktowych, bo styk jest punktowy lub liniowy. Cykliczne obciążenie warstwy wierzchniej toczących się (trących) elementów powoduje ich zmęczenie, z w konsekwencji zużycie.
Def. Zużycie zmęczeniowe - zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej polegające na powstawaniu miejscowych ubytków w skutek zmęczenia materiału wywołanego cyklicznym oddziaływaniem obciążeń w obszarze styku.
Zależnie od warunków tarcia, na sucho lub ze smarowaniem, rozróżnia się dwa rodzaje zużycia zmęczeniowego:
- zużycie przez łuszczenie (spalling)
- pitting (zużycie gruzełkowe)
a) zużycie przez łuszczenie występuje wtedy, gdy tarcie toczne lub toczenie z poślizgiem zachodzi na sucho lub gdy węzeł jest słabo smarowany. Zuzywanie to poleha na oddzielaniu się materiału w postaci łusek. Procesowi temu towarzyszy zazwyczaj utlenianie się materiału w strefie przypowierzchniowej. Powierzchnie zużyte przez łuszczenie mają obszerne lecz stosunkowo płytkie ubytki, są stosunkowo rzadko rozmieszczone oraz są pokryte rozwalcowanymi cząstkami wcześniej oddzielonymi.
Zuzywanie tego rodzaju występuje w układach: koło - szyna, słabo smarowanych łożyskach tocznych i przekładniach zębatych, zębatych także w walcach hutniczych rys. s39
b) pitting, zużycie gruzełkowe -> (węzeł smarowany) jest to spowodowane cyklicznym oddziaływaniem obciążeń przy fizykochemicznym wpływie substancji smarującej. Mechanizm pitting jest troche inny niż sparingu. W szczeliny powstałe w skutek zmęczenia wtłaczany jest pod wysokim ciśnieniem środek smarny. Ciśnienie to jest wywołane ruchem tocznym lub toczno - ślizgowym współpracujących elementów -> smarowanie EHD.
Wtłoczony do szczeliny środek smarny rozklinowuje ją i powoduje dodatkowe naprężenia cykliczne -> efekt hydrauliczny. Oleje z dodatkami uszlachetniającymi o dużej zdolności do adsorpcji sorbujące na ścianach szczeliny wywołują dodatkowo zmniejszenie energii powierzchniowej i zmniejszenie wytrzymałości materiału (tzn. efekt platyfikujący Robindera) wewnątrz szczeliny. Podczas przetaczania się elementów tocznych po sobie, przyścienne warstewki oleju są na przemian ściskane i rozciągane. Olej przenosi więc obciążenia ściskające jak i rozciągające na sieć pęknięć oraz szczelin + powodując - w skutek zniszczenia odrywanie cząstek materiału tak więc proces zużywania przez pitting składa się z trzech faz:
1) zmęczeniowe pękanie warstwy wierzchniej i utworzenie mikroszczelin na powierzchni
2) rozklinowujące (hydrauliczne) działanie oleju
3) oddzielanie cząstek w skutek adsorpcji oleju i naprężeń rozciągających styku rys. s40
Jak widać smarowanie olejami z dodatkami uszlachetniającymi intensyfikuje pitting. Jednak obecność smaru modyfikuje rozkład nacisków w obszarze styku, bo mikropęknięcia występują przy smarowaniu znacznie później niż przy tarciu suchym (w tych samych warunkach pitting występuje znacznie później niż łuszczenie)
Cząstki smaru wypełniające przestrzeń między dwoma współpracującymi powierzchniami tworzą na powierzchniach warstwy graniczne. Podczas przetaczania się powierzchni po sobie, warstwy te są na przemian ściskane i rozciągane ponieważ są one związane z siłami adsorpcji to w warunkach wywołanego rozciągania i ściskania warstwy te oddziałują na warstwę wierzchnią siłami normalnymi do powierzchni. Jeżeli czas trwania zjawiska odrywania od powierzchni łańcucha węglowodorowego jest mniejszy niż czas relaksacji to słabym ogniwem szeregu (łańcuch węglowodorowy - cząstka metalu - cząstka smaru) może okazać się wciąż kohezji a nie wiązania sorpcyjne. Jeśli w warstwie wierzchniej istnieją zalążki dekohesji w postaci pęknięć zmęczeniowych to oddzieleniu może ulec cała mikroobjętość materiału -> przyspieszenie pettingu.
Ponadto tarciu tocznemu nieodłącznie towarzyszy mikropoślizg i poślizg a wiec i rodzaj zużycia charakterystycznego dla tarcia ślizgowego nazywamy umownie zużywaniem ściernym. Stosowanie smaru znacząco ogranicza ten rodzaj zużycia. Praca węzła (np. łożyska) zapoczątkowanym (hałas, drganie) pittingiem prowadzi do dużego wzrostu nacisków w obrębie wgłębień -> zniszczenie awaryjne, pęknięcie bieżni, elementu tocznego.