Wydział Chemiczny PŁ

Kierunek: NANOTECHNOLOGIA, sem. II, rok akademicki 2009/2010

Prowadzący: dr inż. Otmar Dobrowolski

Laboratorium: Mechanika i wytrzymałość materiałów

Badanie właściwości tribologicznych materiałów przy zastosowaniu tribometru T-05 (skojarzenie cierne rolka - klocek)

Tribologia, czyli nauka o tarciu, jako odrębna gałąź wiedzy rozwinęła się w okresie ostatnich pięciuset lat. Słowo to wywodzi się z greckiego „tribos”, co oznacza tarcie. Tribologię da się zdefiniować jako naukę zajmującą się wzajemnym oddziaływaniem powierzchni będących w ruchu względnym, oraz praktycznym wykorzystaniu stwierdzonych tam zależności. Dawniej zajmowano się przeważnie zagadnieniami związanymi z tarciem materiałów sztywnych, z użyciem środka smarnego lub na sucho. Zainteresowanie badaczy tarciem skojarzeń w których jednym z elementów jest elastomer datuje się od lat 20-tych XX wieku.

Pionierem tribologii był Leonardo Da Vinci (II poł. XV-XVI w.). W wyniku prowadzonych eksperymentów doszedł on do wniosku, że tarcie między współpracującymi ciałami nie zależy od powierzchni ich kontaktu, jest natomiast wprost proporcjonalne do przyłożonej siły normalnej. Wyniki jego badań zostały wykorzystane w XVIII w. przez Amountosa który jest autorem stwierdzenia, że tarcie jest cechą materiałową. Hipoteza ta została potwierdzona przez Coulomba, który sformułował wniosek o niezależności tarcia ślizgowego od prędkości poślizgu. Jest on również autorem matematycznej postaci prawa tarcia, sformułowanego wcześniej przez Amountosa:

T=N ;

gdzie: T - siła tarcia,  - współczynnik tarcia, N - siła normalna (nacisk).

Euler wprowadził używane obecnie oznaczenia: -współczynnik tarcia, T-siła tarcia, N-siła normalna.

Wzór ten jest dziś powszechnie stosowany w obliczeniach technicznych pod nazwą prawa Amountosa pomimo tego że nie uwzględnia wszystkich procesów towarzyszących tarciu.

Coulomb jako pierwszy zróżnicował pojęcie tarcia statycznego i dynamicznego. Tarcie statyczne jest to stosunek siły jaką należy użyć dla wprawienia ciała w ruch do siły nacisku działającej na to ciało. Współczynnik tarcia dynamicznego to stosunek siły oporu napotykanej podczas względnego ruchu ciała do siły nacisku.

Prawa tarcia zostały sformułowane przez Eulera brzmiały następująco:

1. współczynnik tarcia jest cechą konkretnego materiału,

2. współczynnik tarcia nie zależy od pola kontaktu,

3. współczynnik tarcia nie zależy od obciążenia,

4. współczynnik tarcia nie zależy od prędkości.

XVIII wieczny uczony Belidor zauważył, że tarcie jest zależne od stanu współpracujących ze sobą powierzchni. Jest on twórcą teorii traktującej powierzchnię ciał stałych jako zbudowaną ze sferycznych wzgórków i dolin (”peak and valley”). Wyprowadził równanie na siłę niezbędną do przekroczenia tarcia statycznego. Wyciągnięte przez niego wnioski były błędne, gdyż uważał, że współczynnik tarcia statycznego nie zależy od rodzaju powierzchni ani od siły nacisku, niemniej jednak jego prace przyczyniły się do rozwoju tribologii.

Dynamiczny rozwój współczesnej tribologii rozpoczął się w początku XX w. W 1919 r. Hardy dowiódł że prawa Amountosa nie są spełnione w przypadku tarcia statycznego. Niemiecki naukowiec Guembel udowodnił eksperymentalnie, że współczynnik tarcia posiada dwie składowe określone przez niego jako tarcie suche i tarcie zniszczeniowe. Postawił tezę, że wraz ze wzrostem siły nacisku zwiększa się rzeczywista powierzchnia kontaktu współpracujących powierzchni. W oparciu o powyższe stwierdzenie, oraz teorię Belidora sformułował wniosek, że liczba punktów kontaktu rośnie aż do momentu gdy wszystkie „wzgórki” znajdą się we wzajemnym kontakcie. Po przekroczeniu wartości odpowiadającego temu stanowi nacisku występuje tylko tarcie suche. Wg. Guembela współczynnik tarcia można opisać równaniem:

p _  (_  _p₁/p ;

gdzie:   naprężenie ścinające, p - całkowite ciśnienie wywierane na próbkę , p₁ - składowa ciśnienia odpowiedzialna za deformacje elastyczne, ₁ - współczynnik tarcia suchego, _ - współczynnik tarcia zniszczeniowego.

W późniejszym okresie tworzono kolejne teorie opisujące mechanizm procesu tarcia.

Zjawiska towarzyszące tarciu elastomerów

Właściwości lepkosprężyste i adhezja polimerów są zdeterminowane przez ich budowę chemiczną, strukturę fizyczną i warunki eksploatacji. Siła tarcia występująca w skojarzeniu ciernym typu elastomer - twarda bieżnia może zostać rozłożona na dwie składowe: adhezyjną i histerezyjną. Składowa adhezyjna jest zależna od budowy i struktury elastomeru - budowy chemicznej, gęstości usieciowania, rodzaju węzłów sieci, ale również od stanu powierzchni i geometrii kontaktu, właściwości mechanicznych materiału, przyłożonego nacisku, prędkości ruchu, temperatury, i wilgotności. Barquins podaje, że adhezja ma główne znaczenie w przypadku tarcia materiałów wysokoelastycznych, przy niewielkich prędkościach ruchu, gdy bieżnia wykazuje duży stopień gładkości i wysoką sztywność oraz gdy przyłożone obciążenie nie jest zbyt duże. Przy spełnieniu powyższych warunków tarcie będzie zachodzić wg mechanizmu ”stick - slip”.

Składowa histerezyjna siły tarcia wiąże się bezpośrednio z rozpraszaniem energii, do którego dochodzi podczas odkształcania ciała wysokoelastycznego. Głównym źródłem strat histerezyjnych są mikronierówności występujące na powierzchni przeciwpróbki. Gdy elastomer przesuwa się po sztywnych mikronierównościach jego powierzchnia dopasowuje się do ich kształtu, ulegając deformacji. Odkształcenia występujące w warstwie wierzchniej elastomeru cechuje największa amplituda i częstotliwość. Nie oznacza to bynajmniej, że procesy rozpraszania energii dotyczą jedynie tego obszaru, gdyż zachodzą one z różną intensywnością w całej masie materiału. Istotnymi czynnikami są również geometria kontaktu ciernego i współczynnik kształtu. Moore w swej pracy zaleca różnicowanie tarcia na zewnętrzne i wewnętrzne. W obu przypadkach dominującą rolę odgrywa jednak składowa histerezyjna.

Zagadnienia związane z reakcją elastomeru na zadane obciążenie dynamiczne, aczkolwiek badane już od wielu lat, nie zostały poznane w wystarczającym stopniu. Bieliński, Ruciński i Zaborski badali zależność pomiędzy budową i gęstością sieci elastomeru a jego energią powierzchniową. Z ich pracy wynika, że energia powierzchni elastomerów zależy od zastosowanego zespołu sieciującego i gęstości usieciowania. W sytuacji gdy zwiększa się sztywność elastomeru, co ma miejsce przy wzroście gęstości usieciowania lub zwiększeniu zawartości napełniacza, mechanizm tarcia typu ”stick - slip” zostaje zastąpiony przez inny, prowadzący do zużycia ściernego materiału.

Wpływ modyfikacji powierzchni na właściwości tribologiczne jest bezsporny. Usztywnienie cienkiej warstewki wierzchniej elastomeru z jednoczesnym rozwinięciem powierzchni materiału dominuje nad mogącym towarzyszyć modyfikacji wzrostowi adhezji i prowadzi do obniżenia współczynnika tarcia gumy. Wg autorów publikacji wzór opisujący siłę tarcia:

T = T_a+ T_{h ;}

gdzie: T - siła tarcia, T_a - adhezyjna składowa siły tarcia, T_h - histerezyjna składowa siły tarcia,

powinien zostać wzbogacony o składnik uwzględniający jednocześnie zależność pomiędzy składowymi i zjawiska towarzyszące tarciu w masie i na powierzchni materiału. Potwierdzenie tej hipotezy można odnaleźć w istnieniu zależności między współczynnikiem tarcia a pierwszą stałą elastyczności z równania Mooneya - Rivlina, która może być miarą sztywności elastomeru.

Wykonanie ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie i ocena ilościowa właściwości tribologicznych materiałów metalicznych. Wyznaczony zostanie współczynnik tarcia kinetycznego , opisany przez Amountosa zależnością;



gdzie:  - współczynnik tarcia, T - siła tarcia, N siła normalna (nacisk).

Współczynnik tarcia mierzony będzie w funkcji prędkości przesuwu i / lub przyłożonej siły normalnej (nacisku) działającej na skojarzenie cierne.

URZĄDZENIA BADAWCZE

Pomiar siły tarcia przeprowadzamy za pomocą tribometru T-05 o skojarzeniu ciernym typu walec - płaszczyzna (Instytut Technologii Eksploatacji - Radom, POLSKA). Obracający się pierścień wykonany z wulkanizatu) poddajemy tarciu względem przeciwpróbki stalowej.

POMIAR WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNYCH

Pomiar siły tarcia wykonujemy przy prędkościach: v₁ = 10 cm/s, v₂ = 20 cm/s, v₃ = 30 cm/s, v₄ = 40 cm/s, v₅ = 50 cm/s i stałym nacisku normalnym N = 30 N i/lub pod naciskami: N₁ = 10 N, N₂ = 20 N, N₃ = 30 N, N₄ = 40 N, N₅ = 50 N, przy stałej prędkości v = 20 cm/s.

Każda próbka poddawana jest tarciu w ustalonych warunkach v i N w czasie t = 90 s.

Współczynnik tarcia wyznaczamy wg podanego wzoru. Pomiar przeprowadzamy bez użycia środka smarnego.

UWAGA 1 : nacisk podajemy w N

UWAGA 2 : sumaryczny nacisk N powodowany jest przez założone obciążniki oraz masę elementu umożliwiającego ich założenie, która wynosi 0,14kg (1,4N).

SPRAWOZDANIE

Sprawozdanie powinno zawierać:

• opis wykonania ćwiczenia (własnymi słowami!)

• zestawienie wyników pomiarów (tabela i wykresy T = f (v) i T = f (N))

• wnioski

1

---