Obiekty techniczne jako obiekty eksploatacji ulegają starzeniu - procesom przebiegającym z różną intensywnością.

Starzenie obiektu technicznego jest procesem utraty jego wartości. Odróżnia się starzenie fizyczne obiektu technicznego od jego starzenia ekonomicznego.

Starzenie fizyczne obiektu technicznego jest procesem utraty wartości użytkowej, jego własności, a starzenie ekonomiczne jest procesem utraty wartości wymiennej, jego właściwości.

Starzenie fizyczne obiektu technicznego następuje wskutek oddziaływania na ten obiekt, a przez to wymuszania postępowania stanów zużycia fizycznego jego części, takich czynników jak:

• czynniki mechaniczne (opory ruchu, siły napędowe, siły ciężkości, siły bezwładności, siły sprężystości),

• czynniki elektryczne (przetężenia, przepięcia),

• czynniki energetyczne (niekontrolowana przemiana form energii),

• czynniki klimatyczne (niskie i wysokie temperatury, wilgoć, ciśnienie atmos­feryczne, promieniowanie świetlne, wiatr),

• czynniki przyrodnicze (oddziaływanie flory i fauny, burze, powodzie, trzę­sienia ziemi, usuwanie się gruntu),

• czynniki chemiczne i elektrochemiczne,

• czynniki środowiskowe (pył, drgania, chemiczne skażenie otoczenia),

• użytkowanie (niestaranność lub niesumienność operatora, nieoczekiwana niepodatność przedmiotu użytkowania),

• obsługiwanie (niestaranność lub niesumienność obsługującego)

Zużycie fizyczne i jego postacie:

• tribologiczne, tj. zużycie będące skutkiem przemieszczania się względem siebie stykających się, lub oddzielonych warstwą substancji smarujących, powierzchni ciał stałych,

• Erozyjno-ścierne, tj. zużycie będące skutkiem przemieszczania się cząstek ciał stałych lub cieczy względem powierzchni ciał stałych,

• korozyjne, tj. zużycie będące skutkiem chemicznych lub elektrochemicznych reakcji tworzywa części ze składnikami otaczającego środowiska,

• zmęczeniowe, tj. zużycie będące skutkiem wielokrotnych odkształceń sprężystych i plastycznych wywołanych zmiennością obciążeń (mechanicznych, cieplnych) i naprężeń, przejawiających się w warstwie wierzchniej powierzchni ciernych,

• cieplne, tj. zużycie będące skutkiem nieprzewidzianego i niekontrolowanego podwyższenia albo obniżenia temperatury części, w warunkach braku możliwości odprowadzenia lub doprowadzenia ciepła,

• zanieczyszczenia, tj. zużycie tworzywa płynnego wywołane wprowadzeniem produktów zużycia innych tworzyw, przejawiające się zmianą składu fizycznego, a niekiedy nawet składu chemicznego tworzywa płynnego.

Zużycie fizyczne części obiektu technicznego przejawia się w fizycznych zmianach tworzywa tych części, co ma wpływ na zmianę warunków i wyników spełniania przez nie funkcji, nadanych tym częściom przez projektanta, konstruktora i wytwórcę. Zużycie fizyczne obiektu, zwłaszcza niepowstrzymywane, prowadzi do stanu jego niezdatności.

Starzenie ekonomiczne obiektu technicznego następuje wskutek jego starzenia fizycznego i postępu w ofercie rynkowej alternatywnych obiektów technicznych.

Przyczyny uszkodzeń obiektu eksploatacji

• zużycie fizyczne,

• błąd projektowania-konstrukcji,

• błąd wytwarzania (budowy),

• wada materiału dopuszczonego do wytwarzania (budowy),

• błąd w dokumentacji eksploatacyjnej,

• błąd eksploatacji,

• zdarzenie uznawane za losowe,

• zamierzone działanie niszczące.

• Modele A, B, i C opisują intensywność uszkodzeń obiektów jako zależną od czasu ich użytkowania. Jest to głównie zużycie tribologiczne, erozyjne, korozyjne, cieplne lub zmęczeniowe, na które narażone są przede wszystkim te obiekty i ich części, w których dochodzi do bezpośredniego styku z produktem. Modele D, E i F opisują intensywność uszkodzeń obiektów jako w zasadzie (tj. z wyłączeniem okresu początkowego w modelach D i F) nie zależną od czasu ich użytkowania. Dotyczą one głównie techniki elektronicznej, hydraulicznej i pneumatycznej. Modele B, C mogą również opisywać zużycie fizyczne łożysk tocznych. Im obiekt eksploatacji jest bardziej złożony, tym modele E i F trafniej opisują jego zużycie.

• Modele uszkodzeń zróżnicowane zależnością intensywności uszkodzeń od czasu użytkowania obiektu, ze wskazaniem struktury ilościowej przypadków dotyczących wyposażenia w lotnictwie pasażerskim „United Airlines"

• Okres stałej intensywności uszkodzeń, ich stabilizacji, jest interpretowany jako okres niestarzenia się obiektu, chociaż procesy zużycia fizycznego w nim zachodzą. W tym okresie rozpoznanie stanu technicznego obiektu może opierać się na rozpoznaniu zaawansowania procesu zużycia względem stanu początkowego lub granicznego stanu zdatności części obiektu czy obiektu w całości, jeśli diagnosta posiadł taką umiejętność i zna parametry tych stanów. Natomiast okres wzrastającej intensywności uszkodzeń jest interpretowany jako okres właściwego starzenia. Zaobserwowanie wzrostu intensywności uszkodzeń stanowi dodatkową informację ostrzegającą o szybszym zbliżaniu się obiektu do granicznego stanu jego zdatności.

• Uszkodzenia obiektów technicznych mogą być nagle, i takie uszkodzenia właściwie są nieprzewidywalne, a mogą też być poprzedzone stanami dopiero zwiastującymi uszkodzenie. Takie stany, dopiero zwiastujące wystąpienie uszkodzenia rzeczywistego, nazywają się uszkodzeniami potencjalnymi. Ważną właściwością uszkodzenia potencjalnego, wykorzystywaną w diagnostyce, jest okres upływający od tego uszkodzenia do uszkodzenia rzeczywistego.

• Rozróżnia się również uszkodzenia funkcjonalne i uszkodzenia utajone. Uszkodzenia funkcjonalne obiektu eksploatacji powodują niezdolność obiektu do zapewnienia przezeń nominalnych (projektowanych) osiągów. Uszkodzenia takie na ogół ujawniają się dysfunkcją obiektu, tj. niespełnianiem przezeń nominalnych funkcji. Natomiast uszkodzenia utajone, w momencie wystąpienia same nie wywołują symptomu mogącego poinformować o tym zdarzeniu, a spowodowana tym uszkodzeniem dysfunkcja obiektu sama nie ujawnia się. Uszkodzenie takie przestaje być utajonym, gdy od tak uszkodzonego obiektu oczekuje się spełnienia jego nominalnej funkcji. Uszkodzeniom utajonym ulegają obiekty spełniające funkcje rezerwowe, zabezpieczające, uruchamiające i kontrolno-pomiarowe.

Stan WW obejmuje podzbiór parametrów określających stereometrię powierzchni i podzbiór parametrów stref podpowierzchniowych.

Na podzbiór parametrów określających stereometrię powierzchni składają się:

• chropowatość i falistość

(Ra, Rz, f),

• rodzaj struktury powierzchni (R),

• profil powierzchni (Rp),

- powierzchniowy i liniowy udział nośny (NP, N,)

Obraz warstwy wierzchniej elementu mechanicznego:

1 — mikropęknięcie,

2 — szczeliny.

3 — rzadzizny,

4 — por,

5 — wyrwy,

6 — wtrącenia

Właściwości mechaniczne materiałów

• moduł sprężystości,

• granica plastyczności,

• wytrzymałość,

• twardość,

• odporność na pękanie,

• wytrzymałość zmęczeniowa,

• odporność na pełzanie

Zjawiska występujące w materiałach w trakcie eksploatacji

• nagłe pękanie

• zmęczenie materiału

• pełzanie

• utlenianie i korozja

• tarcie i zużycie trybologiczne

Korozja jest to proces niszczenia materiałów w wyniku reakcji chemicznych i elektrochemicznych zachodzących podczas zetknięcia się materiału z otaczającym je środowiskiem gazowym lub ciekłym. Proces zaczyna się na powierzchni.

Ze względu na przyczyny zjawiska rozróżnia się dwa rodzaje korozji:

• chemiczną (utlenianie)

• elektrochemiczną

• Rozpoczęty proces korozji, o ile nie ulegnie zahamowaniu, prowadzi do całkowitego zniszczenia detalu.

• Odporność na korozję materiałów zależy głównie od:
  1. Rodzaju materiału - składu chemicznego

• 2. Struktury

• 3. Stanu powierzchni

Szybkość utleniania zależna jest od szybkości dyfuzji jonów tlenu lub metalu przez powstającą warstwę tlenku, jej przewodnictwa elektrycznego i szczelności.

Korozja elektrochemiczna zachodzi w cieczach, zwykle w roztworach wodnych, na skutek przepływu prądu elektrycznego, z jednej części metalu do drugiej, za pośrednictwem elektrolitu. Przykładem jej może być rozpuszczanie metali w kwasach.

Korozja elektrochemiczna (w środowisku wilgotnym)

zachodzi znacznie szybciej niż utlenianie w suchych gazach

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem działania lokalnych ogniw galwanicznych tworzących się na powierzchni metalu.

Lokalne ogniwa korozyjne mogą powstawać:

• wskutek zetknięcia dwóch różnych metali

• w wyniku zetknięcia metalu z wtrąceniami niemetalicznymi

• wskutek częściowej pasywacji metalu, tj. częściowego pokrycia go tlenkami

• w rezultacie naprężeń mechanicznych, występujących w metalu

• jako ogniwa stężeniowe tworzące się wówczas, gdy kawałek metalu styka się z roztworami o różnych stężeniach soli lub tlenu.

• Szereg elektrochemiczny metali:

• Na< Mg< Al< Zn< Fe< Cd< Co< Ni< Pb< H< Cu< Hg< Ag< Au

• ujemne potencjały normalne dodatnie potencjały normalne

• metale “nieszlachetne” metale “szlachetne”

• Każdy metal tego szeregu wypiera następne metale z roztworu ich soli

• Im bardziej ujemna jest wartość potencjału normalnego metalu tym większą posiada on tendencję do przechodzenia do roztworu, czyli mniejszą odporność na korozję elektrochemiczną.

• Przez pasywację rozumiemy zwiększenie odporności metalu na korozję przez utworzenie na jego powierzchni szczelnej i silnie przylegającej ochronnej warstewki tlenków, która chroni metal przed oddziaływaniem otaczającego środowiska.

• Warstewka ochronna może być wytworzona przez utlenienie powierzchni przez tlen gazowy lub jako wynik procesu elektrochemicznego.

Ze względu na skutki zniszczenia rozróżnia się korozję:

• równomierną

• międzykrystaliczną

• lokalną:

  • wżerową

  • naprężeniową

  • selektywną

  • kontaktową

• Korozja kontaktowa

• zachodzi w miejscu styku różnych stopów metali np. stali ze stopem miedzi, dzięki czemu powstają lokalne ogniwa prowadzące do znacznego ubytku metalu.

Ochrona przed korozją

Istnieje kilka sposobów ochrony przed korozją:

1. Dobór odpowiedniego metalu lub stopu.

2. Osłabienie agresywności środowiska.

Sposób ten można stosować, gdy ilość ośrodka atakującego jest ograniczona.

• przez usuwanie tlenu z elektrolitów o odczynie obojętnym np. odpowietrzanie wody kotłowej

• stosowanie inhibitorów (opóźniaczy). Są to substancje, które dodane do środowiska agresywnego, zmniejszają wybitnie szybkość procesów korozyjnych.

• 3. Stosowanie ochrony katodowej i protektorowej

• 4. Stosowanie powłok ochronnych

• ochrona katodowa (zewnętrzym zródłem prądu) - polega na utrzymywaniu takiej różnicy potencjałów, aby chroniony metal był zawsze katodą.

• ochrona protektorowa - jest odmianą ochrony katodowej przy użyciu zewnętrzej elektrody o dostatecznie niskim potencjale w szeregu elektrochemicznym

• Szczególnie sprzyjające warunki do wystąpienia kawitacji i do pojawienia się zużycia kawitacyjnego istnieją w hydrodynamicznych łożyskach ślizgowych. Kawitacja może tu występować w następujących przypadkach:

• - w następstwie przerwania warstwy hydrodynamicznej w obszarze podciśnienia, -

• - podczas opływu wszelkich geometrycznych odchyleń od kształtu idealnego,

• - w wyniku drgań czopa lub panewki.

Kawitacja może powstać przy opływie niejednorodności powierzchni w kształcie występu (rys. 3.17a) lub wgłębienia (rys. 3.17b). Rolę niejednorodności geometrycznych mogą spełniać zarówno nierówności powierzchni, jak też rowki smarowe, wszelkie otwory lub ślady zużycia (rysy).

Na ogół dobrą odpornością cechują się żeliwa chromowe, natomiast wszelkie struktury ferrytyczne są mało odporne, a wzrost zawartości węgla powoduje wzrost zużycia kawitacyjnego.

Kawitacją nazywane jest zjawisko powstawania w cieczy obszarów nieciągłości wypełnionych parą lub gazem, wywołane spadkiem ciśnienia do wartości krytycznej. Lokalny spadek ciśnienia w cieczy może być spowodowany wzrostem prędkości wskutek przewężenia strugi, opływem ciała zanurzonego w cieczy, uderzeniem strugi o przeszkodę, falą akustyczną itp.

Podział 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, m-m poziom odniesienia, a_z głębokość bruzdy.

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 F₁/F₂ = 1, mikroskrawaniem, gdy stosunek F₁/F₂ = 0; rysowaniem, gdy materiał jest częściowo odkształcany plastycznie oraz częściowo skrawany w postaci wiórów jako produktów zużywania, gdy stosunek 0 ≤ F₁/F₂ ≥1

Zużycie jest efektem niszczenia materiałów konstrukcyjnych w wyniku działania różnych czynników do których zalicza się :

1) zjawiska i procesy tarcia, powodujące niszczenie warstwy wierzchniej par trących,

2) zjawisko zmęczenia objętościowego, powodujące przede wszystkim pę­kanie wskrośne części w wyniku przemiennych obciążeń (pulsujących, -oscylujących itp.);

3) zjawisko i proces korozji oraz starzenia (niemetali), powodujące na •ogół zmiany wytrzymałości i składu warstwy wierzchniej, rzadziej wnę­trza części;

4) zjawisko erozji, naruszające przede wszystkim powierzchnię podda­ną przepływowi czynnika gazowego lub ciekłego, niekiedy stałego (np. ciągły przepływ po powierzchni piasku ściernego).

Najogólniej procesy zużycia można podzielić ze względu na różne kryteria . I tak ze względu na rodzaj zużycie można podzielić na:

tribologiczne i nietribologiczne,

ze względu na przebieg na:

ustabilizowane i nieustabilizowane,

ze względu na charakter na zużycie:

normalne i patologiczne.

Zużycie tribologiczne zachodzi w wyniku wszelkiego rodzaju tarcia. Zużycie nietribologiczne nie jest wynikiem tarcia i nie jest bezpośrednio związane z oddziaływaniem innych ciał.

Do zużycia nietribologicznego zaliczamy:

erozję, korozje i kawitację .

Techniczne przypadki zużycia

W literaturze wyodrębnionych i opisanych jest wiele technicznych przypadków zużycia. Najbardziej powszechn są:

-zużycie ścierne,

-zużycie adhezyjne,

-scuffing,

-zużycie przez utlenianie,

-zużycie przez łuszczenie (spalling),

-zużycie zmęczeniowe,

-fretting,

-pitting,

-zużycie wodorowe.

Zużycie ścierne

Zużycie ścierne powstaje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania. Taki proces powstaje wtedy, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów znajdują się luźne lub utwierdzone cząstki ścierniwa albo wystające nierówności twardszego materiału, które spełniają rolę umiejscowionych mikro-ostrzy. Analogicznie będą działać utlenione produkty zużycia w obszarze tarcia.

Odporność na zużycie ścierne jest zależna od: składu chemicznego i frakcyjnego luźnych 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 oddziaływania 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 luźne pojedyncze ziarna ścierne, przez warstwę ścierną występującą między współpracującymi powierzchniami, przez strumień ścierny, ścieranie w środowisku ściernym. stanowiące ścierniwo.

Powierzchnia metalu po ścieraniu ma wygląd podobny do powierzchni po szlifowaniu. Odspojone poprzez skrawanie ziarna zachowują się jak materiał ścierny i jeśli nie zostaną usunięte ze strefy tarcia intensyfikują proces zużycia.

Zużycie ścierne występuje najczęściej wówczas, gdy między powierzchniami trących ciał stałych znajdują się cząstki ścierniwa oraz gdy istnieje duża różnica twardości obu trących metali. Warunkiem koniecznym wystąpienia zużycia ściernego w procesie tarcia jest większa twardość ciała powodującego zużycie niż twardość ciała zużywanego. Zużycie to objawia się powstawaniem rys na powierzchni równoległej do kierunku tarcia. Proces ścierania może przybierać następujące formy:

• ścieranie przez ziarna umocowane,

• ścieranie w obecności ścierniwa,

• ścieranie w masie ściernej.

Ścieranie przez ziarna umocowane można podzielić na:

• ścieranie przez materiał typowo ścierny, jako płótno lub papier ścierny, pilniki itp.

• ścieranie metali wskutek współpracy z chropowatą powierzchnią.

Ścieranie w obecności ścierniwa zachodzi na skutek przedostania się między powierzchnie trące zanieczyszczeń z zewnątrz lub powstałych w wyniku innych rodzajów zużycia.

Wyróżnia się dwie formy procesów ścierania, różniące się, charakterem wzajemnego oddziaływania skojarzonych powierzchni:

- z przewagą niszczenia mechaniczno-chemicznego (plastyczne odkształcenia WW, jej utlenianie i niszczenie),

- z przewagą niszczenia mechanicznego (doraźne procesy niszczenia).

Zużycie przez ścieranie

Usuwanie  materiału przez cząstki twarde z ostrymi brzegami, które dostają się pomiędzy współpracujące powierzchnie Może być również spowodowane przez powierzchnie twarde lub z ostrymi brzegami i chropowate wierzchołki jednej lub drugiej części współpracującej.

Konsekwencje, to zarysowania, zmiany wymiarów i wytarte skazy na teksturowanych powierzchniach narzędzi.

Zużycie adhezyjne jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej ciał współpracujących w procesie tarcia w wyniku powstawania i rozrywania połączeń adhezyjnych, mikrozgrzein i mikrospoin tworzących się między wierzchołkami nierówności współpowierzchni.

Zużycie adhezyjne pojawia się w następujących warunkach:

— w czasie rozruchu urządzeń,

— w przypadku zakłóceń w dostarczaniu oleju,

— we wszystkich założonych konstrukcyjnie przypadkach smarowania granicznego,

— z zastosowaniem oleju o niedostatecznej lepkości,

— przy nadmiernej prędkości i przeciążeniu,

— w warunkach tarcia suchego.

Zużycie adhezyjne polega na powstawaniu między wierzchołkami nierówności

przeciwległych powierzchni połączeń adhezyjnych oraz ich natychmiastowym rozrywaniu. Jest to tzw. zużycie adhezyjne (sczepianie) I rodzaju i zużycie adhezyjne na zimno. W warunkach większej prędkości i obciążeń wierzchołki nierówności są doprowadzane do stanu ciastowatego lub też ulegają topnieniu. W wyniku wzajemnych oddziaływań powierzchni ulegają one zgrzaniu lub zespawaniu. W efekcie między nierównościami powstają mikropołączenia, tzw. mikrozgrzeiny lub mikrospoiny. Materiał WW ulega przy tym rozmiękczeniu. Ten rodzaj zużycia nosi nazwę zużycia adhezyjnego (sczepiania) II rodzaju lub zużycia adhezyjnego (sczepiania) na gorąco. Zużycie adhezyjne nie ma charakteru jednolitego, a forma jego jest zależna w znacznym stopniu od zakresu tarcia, w jakim występuje.

Zużycie adhezyjne

W niesprzyjających warunkach smarowania i kontaktu lub w razie pracy na sucho pary cierne tworzą nierozdzielne wiązania adhezyjne. Jest to szczególnie prawdopodobne wtedy, gdy materiały powierzchni mają podobny skład lub charakteryzują się szczególnym powinowactwem względem siebie.

Konsekwencje, to zgrzewanie na zimno, zacieranie się, porysowania, nadżerki, zakleszczenia, nawarstwianie się krawędzi, mikropęknięcie narzędzia.

Przeciwdziałanie zużyciu adhezyjnemu:

a) zwiększanie twardości (zmniejszenie plastyczności) powierzchni trących różnymi metodami (utwardzanie mechaniczne przez zgniot, hartowanie, obróbkę cieplno-chemiczną, nanoszenie pokryć elektrolitycznych),

b) tworzenie ochronnych trwałych warstw niemetalicznych (trawienie roztworami kwasów i zasad, fosforanowanie, sulfonowanie itp.),

c) tworzenie struktur wtórnych na powierzchni tarcia i w warstwie wierzchniej (nasycanie tlenem, węglem itp.),

d) dobór materiału o małej skłonności do sczepiania.

Sczepianie II rodzaju:

a) uszlachetnianie składnikami stopowymi, specjalna obróbka cieplna,

b) stwarzanie warunków obniżających pracę tarcia przez zmniejszanie . współczynnika tarcia, w wyniku stosowania smarów i olejów o odpowiednich właściwościach,

c) zmniejszanie temperatury powierzchni trących przez odpowiednie chłodzenie, zwiększanie przewodności cieplnej i pojemności itp.

Zużycie przez utlenianie jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstawaniu powierzchniowych ubytków materiału w wyniku tworzenia się tlenków w procesie tarcia oraz ich usuwania pod działaniem siły tarcia.

Zużycie przez utlenianie polega na adsorpcji tlenu na powierzchni tarcia, dyfuzji tlenu w odkształcone plastycznie i sprężyście mikroobjętości metalu z jednoczesnym tworzeniem się warstewek stałych roztworów i związków metalicznych metali z tlenem, które następnie oddzielają się pod działaniem sił tarcia. Zużycie to, często określane mianem zużycia normalnego, jest uważane za jedyny do przyjęcia proces zużycia. Zachodzi ono wtedy, gdy szybkość tworzenia warstewek tlenków jest większa od szybkości ich ścierania z powierzchni tarcia.

Zużycie przez utlenianie zachodzi przy tarciu ślizgowym i przy tarciu tocznym. Jest to najbardziej charakterystyczny rodzaj zużycia stopów wieloskładnikowych - metali o dużej wartości granicy plastyczności i dużej twardości. W praktyce zużycie to zachodzi najczęściej w połączeniu z innymi rodzajami zużycia.

Przebieg zużycia przez utlenianie można podzielić na trzy etapy:

- odkształcenie i aktywizacja,

- powstawanie struktur wtórnych,

- niszczenie struktur wtórnych.

Styk ślizgowy prowadzi do reakcji chemicznej. Produkty reakcji wpływają na procesy trybologiczne na powierzchni, na przykład pary elementów mogą zakleszczyć się.

Zużycie trybo-chemiczne w operacjach skrawania wynika z dyfuzji. Mówiąc ogólnie, zużycie trybo-chemiczne wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Częstą przyczyną zużycia trybo-chemicznego jest utlenianie.

Skutki trybo-utleniania obejmują korozję ścierną.

Scuffing jest rodzajem zużycia, na które składają się elementy zużycia ściernego i adhezyjnego.

Termin scuffing jest stosowany do określania formy gwałtownego zużycia spowodowanego przerywaniem warstwy oleju pod odpowiednio dużym obciążeniem. Charakteryzuje się ono zjawiskiem zespawywania i rozrywania połączeń wierzchołków nierówności zachodzących w mikroobszarach styku.

Scuffing przyjmuje różne formy; jest określany w literaturze jako lekki, umiarkowany i intensywny. W przypadkach szczególnie ciężkich warunków pracy obserwuje się nawet oznaki zadzierania powierzchni.

Scuffing jest więc wynikiem wzajemnego oddziaływania nierówności powierzchni w warunkach przerywania warstwy olejowej .

Scuffing jest zatem skutkiem szczególnie gwałtownego zaczepiania nierówności powierzchni w warunkach, gdy warstwa olejowa istnieje, lecz jest zbyt cienka w stosunku do wysokości nierówności. Wystąpienie scuffingu powoduje zachwianie równowagi termicznej i mechanicznej, wskutek czego proces ten rozwija się często w sposób lawinowy lub też jego intensywność jest bardzo duża.

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. Ubytek masy poprzedzony jest powstawaniem mikropęknięć, a następnie makropeknięć materiału.

Zużycie zmęczeniowe może być:

• powierzchniowe, charakteryzujące się miejscowymi ubytkami warstwy wierzchniej,

• objętościowe, związane z tworzeniem się pęknięć zmęczeniowych .

• Zmęczenie powierzchniowe

• Powtarzające się, naprzemienne naprężenia mechaniczne prowadzą do tworzenia się i rozprzestrzeniania pęknięć pod obciążoną powierzchnią, która zostaje w ten sposób zniszczona.
  
  Konsekwencje, to pęknięcia poprzeczne i wierzchołkowe, pitting i mikro pitting (szczególnie w styku tocznym), pęknięcia narzędzia.

• Zmęczeniowe (objętościowe) procesy starzenia

• Obciążenia działające w najróżnorodniejszych obiektach najczęściej zmieniają się w czasie. Przyjęto je nazywać, jak również odpowiadające im naprężenia, obciążeniami i naprężeniami zmiennymi albo rzadziej cyklicznymi.

• Naprężenia zmienne wywołują w materiale bardzo złożony splot zjawisk i zmian zależnych od wartości i tych naprężeń oraz liczby cykli. Są to zjawiska i zmiany zmęczeniowe. Rozwijają się sukcesywnie aż do zniszczenia obiektu.

• Granicą zmęczenia lub wytrzymałością zmęczeniową Z nazywa się największe naprężenie „sigma max”, przy którym próbka czy element nie ulegają zniszczeniu po osiągnięciu umownej granicznej liczby cykli Ng. Ta liczba cykli, zwana również bazową liczbą cykli lub potocznie bazą, wynosi 2• 10⁶=20• 10⁶ — w zależności od materiału i badanego elementu.

• Obecnie obliczenia zmęczeniowe prowadzi się na ogół metodami fenomenologicznymi, umożliwiającymi obserwację jedynie końcowego efektu

• złożonych procesów zmęczeniowych. Obliczenia są prowadzone przy założeniu braku defektów w badanych materiałach, przy czym wytrzymałość zmęczeniowa jest opisywana tzw. krzywą Wöhlera

• Zużycie przez łuszczenie (spalling) polega na stopniowym narastaniu naprężeń w warstwie wierzchniej skojarzonych elementów tarciowych (toczenie lub toczenie z poślizgiem) przy suchym styku w granicach naprężeń Hertza, w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń kontaktowych, a następnie na tworzeniu się mikropęknięć i rozprzestrzenianiu się ich, powodujących odpadnięcie cząstki materiału od podłoża. Może ono wystąpić również w elementach niedostatecznie smarowanych.

• Objawia się miejscowymi ubytkami materiału o kształcie łusek oddzielanych podczas tarcia od podłoża. Zużycie przez łuszczenie powstaje w czasie 2 do 4 razy krótszym w porównaniu z zużyciem przez pitting, a ubytki materiału są w tym przypadku dużo większe.

• Procesom zużywania zmęczeniowego przez łuszczenie towarzyszą procesy utleniania materiału warstwy wierzchniej. W czystej postaci zużycie przez łuszczenia występuje przy tarciu tocznym metali twardych o wysokiej granicy plastyczności.

• Zużycie przez łuszczenie jest uwarunkowane wyłącznie narastaniem naprężeń wewnątrz warstwy wierzchniej wskutek bezpośredniego styku trących elementów, w których w wyniku narastania naprężeń rozwijające się mikropęknięcia dochodzą aż do powierzchni, powodując całkowitą utratę spójności cząstki metalu z podłożem.

• W procesie zużywania przez łuszczenie materiał warstwy wierzchniej umacnia się pod wpływem plastycznych odkształceń, których wartość wyraźnie się zwiększa oraz rośnie gradient naprężeń.

• Zużycie przez pitting (zużycie gruzełkowe) jest zużyciem zmęczeniowym, spowodowanym cyklicznym oddziaływaniem naprężeń kontaktowych, powstających w warstwach wierzchnich elementów skojarzeń tarciowych (toczenie lub toczenie z poślizgiem przy smarowanym styku w granicach naprężeń Hertza). Jest to więc zużycie zmęczeniowe występujące w obecności oleju.

• Można wyróżnić trzy etapy zużywania przez pitting:

• 1) zmęczenie materiału i inicjacja pęknięć,

• 2) rozwój i rozprzestrzenianie się pęknięć w wyniku rozklinowującego działania oleju,

• 3) wyrywanie przez olej cząstek metalu, które zmniejszyły lub utraciły spójność z macierzystym materiałem.

• W pierwszym etapie zmęczenie materiału następuje w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń. Inicjację pęknięć i powstanie pierwszego mikropęknięcia wiąże się zazwyczaj z miejscem największego wytężenia materiału, tj. z wędrującym punktem Bielajewa. Niezależnie od możliwości inicjacji pęknięć w punkcie Bielajewa mogą one także powstawać na powierzchni materiału nawet wtedy, gdy stosunek siły stycznej do normalnej nie jest równy 1/3. Wszelkie wady powierzchni i nieciągłości struktury mogą stanowić źródło inicjacji pęknięć zmęczeniowych.

• Aczkolwiek do tej pory brak jeszcze pełnych uogólnień, to można jednak potwierdzić pewne prawidłowości, mianowicie:

• — dodatki EP (Extreme Pressure) na bazie chloru zmniejszają odporność na pitting,

• — dodatki EP na bazie siarki wpływają nieznacznie na obniżenie odporności na pitting,

• — dodatki EP na bazie fosforu mogą znacznie zwiększać odporność na pitting,

• — dodatki polarne (kwasy stearynowe, tłuszczowe itp.) zwiększają niebezpieczeństwo pittingu. Obecność wody w oleju zmniejsza odporność na zużycie przez pitting, po- nieważ oddziałuje korozyjnie.

• Decydujący wpływ na przebieg procesu zużycia zmęczeniowego ma obciążenie skojarzenia. Trwałość zmęczeniowa jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi nacisku jednostkowego.

• Wzrost obciążenia niekoniecznie musi być wywołany zmianą oddziaływań zewnętrznych. Może on także pochodzić od obciążeń dynamicznych, spowodowanych np. niewłaściwym montażem i niewyważeniem, lub uwarunkowanych specyfiką konstrukcji i skojarzenia,

• Zużycie przez fretting jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w elementach poddanych działaniu drgań lub niewielkich poślizgów przy ruchu postępowo-zwrotnym, w wyniku cyklicznego oddziaływania obciążeń oraz intensywnego korozyjnego oddziaływania środowiska. Zużycie to określa się często mianem frettingu-korozji. Poniżej podano warunki występowania frettingu.

• 1. Prędkość względna podczas frettingu jest o wiele mniejsza niż w wypadku innych form zużycia. Przykładowo, przy ruchu harmonicznym o amplitudzie A= 2,5 µm i częstotliwości f= 50 Hz, prędkość maksymalna v = 0,125 mm/s. Zniszczenia przez fretting zauważono nawet przy prędkości względnej 150 mm/rok.

• 2. Powierzchnie stykają się podczas całego okresu współpracy, co sprawia, że produkty zużycia nie mogą się wydostawać ze strefy styku.

• Charakterystyczną cechą frettingu jest barwa produktów zużycia. Na stali produkty frettingu-korozji są bardziej czerwone niż przy zwykłej korozji, a na aluminium mają barwę czarną, podczas gdy produkty zwykłej korozji są białe.

• Charakterystyczną cechą frettingu jest także obecność pęknięć zmęczeniowych na zniszczonej powierzchni.

• Wodorowe zużycie metalu – zjawisko łuszczenia się współpracujących powierzchni metali na skutek wnikania w wysokiej temperaturze wodoru w strukturę tych powierzchni. Prowadzi to do nieodwracalnych zmian, które zdecydowanie przyśpieszają proces niszczenia metali. Efektem jest zniszczenie warstwy wierzchniej oraz tzw. zmęczenie materiału.

• Proces tego typu zużywania polega na niszczeniu warstwy wierzchniej wskutek adsorpcji wodoru na powierzchni stali i żeliwa i jego dyfuzji w głąb materiału co powoduje kruche pękanie w mikroobiętościach warstwy wierzchniej i jej niszczenie pod wpływem sił tarcia. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużywania wodorowego stali i żeliw: dyspersyjne i wykruszanie.

• Dyspersyjne polega na rozluźnianiu struktury przypowierzchniowych warstw stali i żeliw i oddzielaniu drobnych cząstek wskutek działania sił tarcia. Wykruszanie wodorowe występuje, gdy warstewka przypowierzchniowa zostanie nasycona wodorem i jednocześnie następuje odkształcenie warstwy wierzchniej wskutek działania sił tarcia. Wodór wypełnia pustki w zdeformowanej strukturze tej warstwy i przy obciążeniach nie mając ujścia powoduje naprężenia prowadzące do tworzenia szczelin a następnie wykruszania materiału z warstwy przypowierzchniowej. Zużywanie wodorowe zaobserwowano na powierzchniach wirników i tarcz rozrządu pomp naftowych, w układach hamulcowych (przenoszenie żeliwa na okładziny cierne z tworzyw sztucznych). Zużywanie wodorowe występuje także przy tarciu tocznym. Aby zapobiegać procesom zużywania wodorowego należy przy wyborze materiałów węzła tarcia uwzględnić ich skłonność do nawadniania. Należy unikać skojarzeń stali i żeliw z polimerami. Zmniejszać możliwość wnikania wodoru do materiału poprzez wprowadzanie do niego chromu, tytanu i wanadu.

• Korozja jest to zbiór procesów chemicznych, elektrochemicznych i fizykochemicznych, powodujących starzenie fizyczne elementów maszyn, wywołane oddziaływaniem makro i mikrośrodowiska. Zjawisko korozji metalu polega na tym, że w jego warstwie wierzchniej przebiega chemiczna lub elektrochemiczna reakcja wielofazowa, w wyniku której metal przechodzi w stan utleniony (jonowy).

• Ze względu na mechanizm procesów korozji wyróżnia się:

• — korozję chemiczną,

• — korozję elektrochemiczną.

• Korozja chemiczna podlega podstawowym prawom chemicznej kinetyki reakcji wielofazowych i obejmuje te przypadki korozji, którym nie towarzyszy powstawanie prądu elektrycznego (korozja w nieelektrolitach, korozja w suchych gazach).

• Korozja elektrochemiczna podlega prawom kinetyki elektrochemicznej i obejmuje przede wszystkim te przypadki korozji, w których istnieje możliwość przepływu prądu elektrycznego (np. korozja metali w elektrolitach).

• W zależności od warunków, rozróżnia się następujące rodzaje korozji:

• 1) korozja gazowa metali zachodzi w atmosferze suchych gazów; najczęściej jest to proces przebiegający w podwyższonej temperaturze,

• 2) korozja w nieelektrolitach obejmuje przypadki działania na metal agresywnych związków organicznych niewykazujących wyraźnego przewodnictwa elektrycznego (np. korozja w ropie naftowej i jej pochodnych o dużej zawartości siarki),

• 3) korozja w elektrolitach odbywa się w obecności wilgoci, wody naturalnej oraz roztworów wodnych,

• 4) korozja ziemna (glebowa) jest spowodowana agresywnym działaniem gleby,

• 5) korozja atmosferyczna przebiega w normalnej atmosferze lub atmosferze wilgotnego gazu; jest to najbardziej powszechnie występujący proces korozji,

• 6) elektrokorozja jest spowodowana przepływem prądu i różnicą potencjałów od źródła zewnętrznego (np. prądy błądzące w okolicy uziemionych słupów linii wysokiego napięcia czy trakcji elektrycznej),

• 7) korozja kontaktowa występuje w warunkach kontaktu dwu elementów konstrukcji wykonanych z metali o różnym potencjale elektrochemicznym (łatwo zauważyć ten przypadek w miejscach złącz elementów karoserii samochodów),

• 8) korozja naprężeniowa jest wywołana jednoczesnym działaniem środowiska korozyjnego i naprężeń statycznych,

• 9) korozja zmęczeniowa (zmęczenie korozyjne) jest wywołana jednoczesnym działaniem środowiska korozyjnego i naprężeń zmiennych w czasie,

• 10) korozja punktowa (wżerowa) jest spowodowana działaniem mikroogniw galwanicznych, utworzonych między spasywowaną powierzchnią metalu a leżącymi na niej wyraźnie zlokalizowanymi strefami, które nie zostały spasywowaneZużycie erozyjne jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej polegają- ce na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w wyniku mechanicznego i korozyjnego oddziaływania cząstek ciał stałych lub cieczy o dużej energii kinetycznej .

• Zużycie erozyjne występuje w urządzeniach, w których przemieszczają się z dużą prędkością strumienie mas cieczy lub gazu, wraz z zawartymi w nich cząstkami ciał stałych. Dotyczy to elementów maszyn przepływowych, rurociągów itp.

• Ze względu na rodzaj cząstek wywołujących erozję zużycie erozyjne można podzielić na:

• — zużycie w strumieniu cząstek ciała stałego,

• — zużycie w strumieniu cząstek cieczy (hydroerozję),

• — zużycie w strumieniu cząstek cieczy zawierających cząstki ciała stałego (zużycie hydrościerne).

• Zużycie kawitacyjne jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, pole- gające na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w wyniku mechanicznego i korozyjnego oddziaływania cieczy smarującej lub innej cieczy stanowiącej środowisko pracy, w następstwie zachodzących w niej zjawisk kawitacyjnych.

• Kawitacja jest to zjawisko polegające na tworzeniu się wewnątrz cieczy (w miejscach, gdzie ciśnienie obniża się poniżej prężności pary nasyconej w danej temperaturze) obszaru ograniczonego od reszty cieczy powierzchnią nieciągłości i wypełnionego niejednorodną mieszaniną gazowej i ciekłej fazy danego płynu.

• Zużycie kawitacyjne objawia się w postaci miejscowych ubytków materiału. Ubytki te mają postać wżerów w kształcie kraterów lub ich skupisk, często w formie zagłębień z napływami na obrzeżach.

• Ograniczanie zużycia tribologicznego

• Zużycie tribologiczne zwykle jest określane intensywnością zużycia (stosunek zużycia do czasu), która - różnie dla poszczególnych rodzajów tarcia - zależy głównie od dopuszczalnych prędkości wzajemnego ruchu trących powierzchni i dopuszczalnych (nie powodujących przyspieszonego zużycia lub zatarcia) nacisków jednostkowych.

• Ogólnie można stwierdzić, iż należy stosować takie techniki wytwarzania

• i eksploatacji, które umożliwiają pracę w warunkach tarcia bez bezpośredniego kontaktu ciał stałych (tarcie bezzużyciowe) , a w przypadkach tarcia zużyciowego - zmniejszają intensywność zużycia, pozwalają na przenoszenie dużych nacisków jednostkowych, rozszerzają strefę zużycia przez utlenianie i nie dopuszczają do zużycia w warunkach sczepień I i II rodzaju, oraz przez takie kształtowanie powierzchni, aby były one dostosowane do współpracy ze środkiem smarnym, czyli takie, aby charakteryzowały się dużym udziałem nośnym z wgłębieniami spełniającymi rolę zasobników smaru (np. powierzchnie gładzone i dogładzane oscylacyjnie, nagniatane oscylacyjnie lub mirnośrodowo, kulowane).

• Ogólne kierunki zmniejszania zużycia przy tarciu zużyciowym :

• -dobór właściwości warstw wierzchnich do warunków zużycia tribologicznego (obciążenia, pracy, środowiska);

• - takie konstytuowanie warstw wierzchnich, aby efektywna grubość warstwy utwardzonej była większa od głębokości, na której występują maksymalne naprężenia stykowe (położenie punktu Bielajewa);

• - właściwe kojarzenie elementów pary trącej;

• - optymalizację konstrukcji węzłów tarciowych w celu zapewnienia ciągłego smarowania płynnego lub granicznego;

• - doskonalenie stosowanych olejów i smarów;

• - zapewnienie warstwom wierzchnim wysokiej kohezji, żarowytrzymalości żaroodporności, odporności korozyjnej, wysokich naprężeń ściskających o małym gradiencie i innych właściwości szczególnych, słusznych dla określonych rodzajów zużycia:

• Zalecenia szczegółowe dla zużycia:

• ściernego:

• - zwiększanie twardości warstwy wierzchniej powyżej twardości ziarn ścierniwa (pyłu, kurzu, tlenków) poprzez: hartowanie powierzchniowe, obróbkę cieplno-chemiczną (nawęglanie, azotowanie, borowanie), napawanie, natryskiwanie cieplne, powłoki galwaniczne,

• - smarowanie rozdzielające powierzchnie trące i zmniejszające współczynnik tarcia;

• adhezyjnego:

• - zwiększanie twardości i zmniejszanie plastyczności warstwy wierzchniej,

• - skuteczne smarowanie i zmniejszanie nacisków jednostkowych, -stosowanie odpornych na sczepianie warstw wierzchnich (siarkowanie,

• azotowanie, siarkoazotowanie, utlenianie) i powłok galwanicznych (miedziowanie, cynowanie, kobaltowanie), znacznie rzadziej - powłok emalierskich.

• cieplnego:

• - to osiąga się je przez stosowanie smarów odpornych na wysokie temperatury np. dwusiarczku molibdenu, nakładanie powłok metalowych i niemetalowych oraz obniżanie parametrów eksploatacyjnych (zmniejszenie prędkości tarcia i nacisków jednostkowych oraz stosowanie chłodzenia):

• przez utlenianie:

• -zmianę właściwości plastycznych warstwy wierzchniej, wpływających na intensywność tworzenia się tlenków,

• - zmianę budowy chemicznej tlenków w wyniku adsorpcji i dyfuzji;

• zmęczeniowego:

• - podwyższenie granicy plastyczności warstwy wierzchniej poprzez obróbkę cieplną i powierzchniową,

• - stosowanie właściwego smarowania (nie za dużo i nie za mało smaru) i właściwych smarów (np. stałych zamiast płynnych).