Tarcie jest zjawiskiem fizycznym zawsze dotyczącym wzajemnego przemieszczania cząstek materii o różnym stanie skupienia
Tarcie może być:
- zewnętrzne - gdy przemieszczają się połączone ze sobą siłami przyciągania cząsteczki tworzące powierzchnie ciał stałych. Ten rodzaj tarcia charakteryzuje wzajemne oddziaływanie ciał w obrębie ich styku powierzchniowego, które przejawia się oporem względnego przemieszczania ciał w kierunku stycznym do powierzchni styku.
- wewnętrzne - gdy przemieszczają się cząsteczki cieczy oddzielającej powierzchnie ciał stałych (np. przy tarciu płynnym) lub cząsteczki w obrębie jednego ciała stałego (np. przy odkształcaniu ciała).
Pod względem intensywności zużycia tarcie dzieli się na:
zużyciowe - w większości przypadków praktycznych. Związane jest z mniejszą lub większą destrukcją trących powierzchni, przy którym występuje duża intensywność zużycia.
bezzużyciowe - tylko w specjalnych przypadkach. Związane z samoczynnym konstytuowaniem w procesie eksploatacji nowych powierzchni tarcia w wyniku tzw. Selektywnego przenoszenia materiału. Intensywność zużycia jest do kilku rzędów wielkości mniejsza niż przy tarciu zużyciowym.
Zależnie od względnej prędkości trących ciał tarcie dzieli się na:
spoczynkowe (statyczne) - tarcie ciał nie zmieniających swego położenia względem siebie, wyrażające siłę potrzebną, by zainicjować ruch względny trących się ciał.
ruchowe (kinetyczne) - tarcie ciał znajdujących się w ruchu względnym. Wyraża siłę potrzebną, by trące się ciała utrzymać w ruchu.
Ze względu na brak lub występowanie środka smarnego między trącymi się powierzchniami oraz na pełnioną funkcję, tarcie ruchowe dzieli się na:
tarcie fizyczne suche - gdy między powierzchniami trącymi nie może być żadnych innych ciał, a same powierzchnie trące nie mogą być pokryte żadnymi środkami chemicznymi. Występuje bardzo rzadko.
tarcie techniczne suche - gdy powierzchnie trące mogą być pokryte tlenkami i warstewkami zaadsorbowanych gazów i par.
tarcie graniczne - gdy powierzchnie trące obu ciał są oddzielone w strefie styku warstwą substancji smarnej o najmniejszej grubości, zależnej od właściwości reologicznych i przyczepności substancji smarnej do powierzchni ciał trących. Podczas ruchu względnego warstewka substancji smarnej może być łatwo przerwana przez występy mikronierówności powierzchni. Po usunięciu warstwy galwanicznej występuje tarcie suche, co prowadzi do intensywnego zużywania warstw wierzchnich, a nawet do zacierania. Tarcie graniczne powinno więc być stabilne.
tarcie płynne - gdy między powierzchniami trących ciał znajduje się warstewka substancji smarnej o znacznej grubości. W czasie ruchu względnego ciał występy mikronierówności trących o siebie ciał nigdy nie stykają się ze sobą. Opory tarcia płynnego zależą tylko od grubości warstwy substancji smarnej i jej lepkości.
tarcie mieszane - przypadek pośredni miedzy tarciem suchym i płynnym. Występuje powszechnie w węzłach tarciowych maszyn, zwłaszcza przy małych prędkościach względnych, dużych naciskach oraz w stanach nieustalonych.
Zależnie od sposobu przemieszczania się ciał tarcie dzieli się na:
ślizgowe - jest tarciem ruchowym, przy którym prędkości względne ciał w punktach objętych strefą styku są różne i leżą w płaszczyźnie stycznej do powierzchni styku
toczne - jest tarciem ruchowym i występuje gdy jedno ciało toczy się po powierzchni drugiego
toczne z poślizgiem - jest mieszanym tarciem ruchowym ciał, których sposób wzajemnego przemieszczania powoduje w strefie styku jednoczesne występowanie tarcia tocznego i tarcia ślizgowego. Poślizg zależy od szybkości tarcia
Siła tarcia zależy od:
- siły dociskającej trące powierzchnie,
- rodzaju tarcia,
- współczynnika tarcia - który zależy od.
- rodzaju warstw wierzchnich trących ciał,
- rodzaju i właściwości ośrodka znajdującego się między powierzchniami roboczymi,
- prędkości poślizgu,
- temperatury,
- czasu tarcia.
Tarcie ślizgowe
Tarcie ślizgowe jest tarciem ruchowym, przy którym prędkości względne ciał w punktach objętych strefą styku są różne i leżą w płaszczyźnie stycznej do powierzchni styku.
Przy tarciu ślizgowym zachodzą dodatkowe zjawiska, jak:
- wyciskanie na zewnątrz powierzchni styku bardziej miękkiego materiału,
- rysowanie materiału bardziej miękkiego przez wierzchołki nierówności w materiale twardszym,
- przywieranie fragmentów materiału miękkiego do materiału twardszego.
Tarcie ślizgowe występuje głównie w łożyskach ślizgowych i wszelkiego rodzaju połączeniach ślizgowych obrotowych lub postępowo-zwrotnych.
Tarcie toczne
Tarcie toczne jest tarciem ruchowym i występuje wówczas, gdy jedno ciało toczy się po powierzchni drugiego, a ściślej, gdy nie występuje poślizg jednego ciała względem drugiego w obszarze strefy styku.
Tarcie toczne w praktyce nie występuje w czystej postaci. W rzeczywistych warunkach zjawisko czystego toczenia występuje tylko, gdy obydwa współpracujące ciała są wykonane z tego samego materiału oraz mają taką samą średnicę i długość.
Gdy przy toczeniu się dwóch ciał ich prędkości obwodowe są różne, to występuje tarcie z poślizgiem.
zużycie tribologiczne i jego rodzaje
Rezultatem współpracy trących o siebie elementów jest zużycie tribologiczne rozumiane jako proces niszczenia i usuwania materiału z powierzchni ciał stały w wyniku tarcia, przejawiający się ciągłą zmianą wymiarów i kształtów trących elementów. Przyczyny zużycia mają najczęściej charakter mechaniczny rzadziej mechaniczny połączony z oddziaływaniem chemicznym otaczającego ośrodka.
Podstawowymi przyczynami zużycia są:
- odkształcenie sprężyste i plastyczne wierzchołków nierówności i ich zgniot,
- powstawanie na powierzchni tarcia warstewek tlenków, zapobiegających wprawdzie zacieraniu i głębokiemu -wyrywaniu cząsteczek materiału, ale kruchych, łuszczących się, odpadających, przez co miejsca odsłonięte ulegają powtórnemu utlenieniu itd.,
- wbudowywanie się fragmentów warstwy wierzchniej jednego materiał
trącego w powierzchnię materiału drugiego, co podczas ślizgania powoduje powstawanie rys i zadrapań powierzchni a przy długotrwałej współpracy -niszczenie powierzchni,
- adhezyjne połączenia stykających się wzajemnie elementów powierzchni prowadzące do przyspieszającego zużycie przenoszenia materiału z jednej warstwy wierzchniej na drugą,
- gromadzenie wodoru w warstwie wierzchniej części stalowych i żeliwnych co może przyspieszać zużycie nawet ponad 10-krotnie.
Zużycie tribologiczne i jego rodzaje
- Zużycie ścierne,
- Zużycie adhezyjne,
- Zużycie cieplne,
- Zużycie ścierno-adhezyjne (scuffing),
- Zużycie przez utlenianie,
- Zużycie zmęczeniowe:
* przez łuszczenie (spalling),
* gruzełkowe (pitting),
- Zużycie ścierno-korozyjne (fretting, zużycie zmęczeniowo-cierne),
- Zużycie erozyjne:
* zużycie erozyjne w strumieniu cząstek ciała stałego,
* zużycie erozyjne w strumieniu cieczy (hydroerozyjne),
* zużycie erozyjne w strumieniu cieczy zawierających cząstki ciała stałego (hydrościerne),
* Zużycie kawitacyjne (odmiana zużycia erozyjnego).
Zużycie ścierne powstaje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania. Zużycie adhezyjne
W trakcie tarcia ślizgowego, dla małych prędkości poślizgu (do 0,2 m/s) i dużych naciskach nominalnych (do 11 MPa), może 'wystąpić zużycie adhezyjne.
Wartość współczynnika tarcia wywołanego oddziaływaniem adhezyjnym stali po stali wynosi 0,5+1,2.
Zużycie adhezyjne występuje zwłaszcza na wierzchołkach nierówności przy styku dwóch powierzchni metalicznych. Jest ono tym większe, im większe powinowactwo wykazują stykające się metale.
Zużycie ścierno-adhezyjne (scuffing) występuje na skutek łącznego oddziaływania zużycia ściernego i adhezyjnego.
Scuffing przyjmuje różne formy określane w literaturze jako:
- lekki,
- umiarkowany,
- intensywny.
W przypadkach szczególnie ciężkich warunków pracy obserwuje się nawet oznaki zadzierania powierzchni.
Zużyciem przez utlenianie nazywa się proces niszczenia warstwy wierzchniej elementów metalowych przy tarciu wskutek oddzielenia warstewek tlenków powstałych w wyniku adsorpcji tlenu w obszarach tarcia, dyfuzji tlenu w odkształcone plastycznie i sprężyście mikroobjętości metalu z jednoczesnym tworzeniem warstewek stałych roztworów.
Zużycie cieplne
Odmianą zużycia adhezyjnego, zwanego sczepianiem I rodzaju, jest zużycie cieplne, zwane sczepianiem II rodzaju.
Występuje ono przy dużych prędkościach względnych współpracujących ślizgowo powierzchni oraz przy dużych obciążeniach. Jest spowodowane niedostatecznym smarowaniem lub przerwaniem warstwy smaru, nagrzaniem się powierzchni trących, zmianą właściwości powierzchni (wzrost plastyczności powodujący rozmazywanie metalu).
Zużycie zmęczeniowe jest rodzajem zużycia, w którym miejscowa utrata spójności i związane z nią ubytki materiału są spowodowane zmęczeniem materiału w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń kontaktowych w warstwach wierzchnich kojarzonych elementów tarciowych.
Rozróżnia się dwa rodzaje zużycia zmęczeniowego
- przez łuszczenie (spalling),
- gruzełkowe (pitting)
Zużycie przez łuszczenie (spalling), występuje w warunkach tarcia suchego lub niedostatecznego smarowania. Objawia się miejscowymi ubytkami materiału w kształcie łusek Intensywność zużycia przez łuszczenie jest duża i zależy od głębokości odkształcenia plastycznego, wartości nacisków jednostkowych, liczby i częstotliwości cykli obciążenia, wymiarów i właściwości mechanicznych trących elementów;
Zużycie gruzełkowe (pitting), występujące w warunkach tarcia ze smarowaniem. Smar chroni powierzchnie przed zużywaniem adhezyjnym, a ponadto spełnia rolą amortyzatora obciążeń przenoszonych z jednej powierzchni na drugą. W początkowym okresie tarcia obecność smaru wpływa korzystnie na zużycie tribologiczne.
Fretting jest rodzajem zużycia zachodzącego przy bardzo niewielkich (rządu ułamka mm) wzajemnych przemieszczeniach stykających się ciał.