Trybologia jest nauką o tarciu i procesach towarzyszących tarciu.

Zajmuje się opisem zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych itp.), chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia.

Trybotechnika zajmuje się omówieniem technicznych zastosowań trybologii.

Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz smarowanie.

Opory tarcia według szacunkowych obliczeń specjalistów pochłaniają w skali światowej 30-50% produkowanej w ciągu roku energii.

Zagadnienia:

• fizyka, chemia i metaloznawstwo - działające na siebie nawzajem obszary tarcia, znajdujące się w ruchu względnym,

• smarowanie płynne, np. hydrostatyczne, hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne,

• tarcie mieszane ciał stałych,

• smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej itp.,

• badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni elementów maszyn,

• własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia,

• własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych, gazowych i stałych,

• badania nad zastosowaniem substancji smarujących do maszyn,

• przechowywanie, wydawanie i zastosowanie materiałów smarnych.

Zużycie trybologiczne jest to rodzaj zużycia spowodowanego procesami tarcia. W procesach zużycia trybologicznego następuje zmiana masy oraz struktury i własności fizycznych warstw wierzchnich obszarów styku. Intensywność zużywania jest funkcją różnego rodzaju oddziaływań oraz odporności obszarów tarcia warstw wierzchnich.

Zużycie elementów maszyn następuje głównie w wyniku nakładania się skutków różnego rodzaju oddziaływań w warstwach wierzchnich. W procesach zużycia na skutek tarcia, współpracujące elementy można uważać za elementarny system trybologiczny.

Wartość zużycia jest uzależniona od rodzajów procesów zużywania. W pracy tej jest analizowane wyłącznie zużycie spowodowane tarciem. W celu analizy procesów zużywania najwygodniej realizować teoretyczne i eksperymentalne badania trybologiczne. W wielu przypadkach wykorzystuje się do tego celu odpowiednie modele.

Zużycie trybologiczne jest na ogół pośrednią przyczyną powstawania niesprawności maszyny, np. dopuszczalne zużycie na skutek tarcia, np. łożysk ślizgowych silnika, jest określone dopuszczalną wartością luzu.

Nakładanie się skutków tarcia i gwałtowne przejście maszyny w stan niezdatności występują łącznie, np. zużywanie łożyska i „wytopienie” panewki.

W eksploatacji maszyny przyjmuje się podział procesów zużywania trybologicznego:

• zużycie ścierne,

• zużycie adhezyjne,

• zużycie przez utlenianie,

• zużycie zmęczeniowe,

• zużycie chemiczne i elektrochemiczne (korozyjne),

• zużycie kawitacyjne oraz inne rodzaje zużycia.

Na ogół nie ma wyłącznego oddziaływania danego rodzaju procesu zużywania, ale najważniejszy jest ten wiodący.

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 mikroostrzy. Analogicznie będą działać utlenione produkty zużycia w obszarze tarcia.

Model dynamiczny elementarnych procesów zużywania:

a) bruzdowanie,

b) ścinanie nierówności,

c) ścinanie nierówności ścierniwem przez występ nierówności,

d) odkształcanie plastyczne materiału

Ścieranie metali w środowisku ściernym (np. gąsienic pojazdów) charakteryzuje się znaczną energią kinetyczną ziarn ściernych. Styk ziarna ze ścieraną powierzchnią następuje pod działaniem sił wykonujących pracę ścierania i zgniatania materiału. W wielu przypadkach masę ścierną stanowi gleba, w której osnowie znajdują się ziarna mineralne (głównie kwarcowe) stanowiące ścierniwo.

Mechanizm zużywania ściernego ogranicza się w zasadzie do ślizgania i wbijania twardych cząstek ścierniwa w rzeczywistą powierzchnię styku, wskutek czego następuje odkształcanie i skrawanie mikroobjętości metalu warstw wierzchnich.

Zużywanie to można porównać ze szlifowaniem. Jednak proces zużywania ściernego jest nieco bardziej skomplikowany, gdyż udział w nim biorą nie tylko ziarna utwardzone, lecz i ziarna swobodne, które oprócz działania skrawającego są przetaczane i wbijane w jedną z warstw wierzchnich.

Powierzchnia metalu po ścieraniu ma wygląd podobny do powierzchni po szlifowaniu. Uzyskano eksperymentalne zależności między względną odpornością na zużycie ścierne a twardością metali czystych i stali różnych gatunków.

Występuje liniowa zależność między wzrostem względnej odporności na zużycie ścierne a twardością metali (w przypadku, gdy ścierniwo znacznie przekracza twardość ścieranych metali.

Odporność na zużycie ścierne jest zależna od:

- głębokości i intensywności odkształcenia mikroobjętości metalu warstw wierzchnich;

- głębokości penetracji ziarn ścierniwa w metal warstwy wierzchniej;

- zależności między objętościami odkształconymi i objętościami niszczonymi warstw wierzchnich.

Penetracje cząstek ścierniwa w warstwę wierzchnią trącego metalu powodują często znaczne anomalie w intensywności i mechanizmie zużywania ściernego. Przy znacznych różnicach twardości współpracujących części po pewnym czasie pracy intensywnemu zużyciu podlegać może przede wszystkim metal twardszy. Jest to wynikiem penetracji znacznej liczby ziarn ścierniwa w metal bardziej miękki. Z tego względu na trących powierzchniach tworzy się specyficznego rodzaju „szczoteczka” ścierna, utworzona z twardych ziarn ścierniwa i wiążących je warstw metalu miękkiego. Jako skutek takiego zjawiska metal staje się swoistego rodzaju tarczą szlifierską, która powoduje intensywne skrawanie metalu twardego.

Zużycie adhezyjne (przez sczepianie pierwszego rodzaju) występuje w mikroobszarach plastycznego odkształcenia warstwy wierzchniej, a zwłaszcza najwyższych wierzchołków chropowatości. Powstają wówczas lokalne sczepienia metaliczne powierzchni trących i niszczenie tych połączeń wraz z odrywaniem cząstek metalu lub jego rozmazywaniem na powierzchniach tarcia.

Zużycie adhezyjne występuje przy tarciu ślizgowym o małych prędkościach względnych i dużych naciskach jednostkowych na obszarach rzeczywistej powierzchni styku, jeżeli cząstki obu powierzchni zostaną zbliżone na odległość zasięgu działania sił molekularnych.

Występuje przy styku dwóch powierzchni metalicznych, zwłaszcza gdy stykają się metale jednoimienne, charakteryzujące się dużym powinowactwem chemicznym. Metale mają na powierzchni potencjał sił elektrodynamicznych wywołanych drganiem atomów powierzchniowych.

Tlenki metali mają wiązania jonowe i tworzą potencjał sił elektrostatycznych powierzchni o znacznie mniejszym zasięgu niż siły elektrodynamiczne. Warstewka tlenków metali na powierzchni elementu maszyny tłumi fale elektrodynamiczne, osłabiając potencjał powierzchni. Praktycznie warstewka tlenków na powierzchni metalu zmniejsza oddziaływanie adhezyjne obszarów styku. Przyciąganie adhezyjne występuje między nie zetkniętymi obszarami trących się powierzchni zbliżonymi na odległość zasięgu wiązania między atomami (odległość równa długości parametru sieci). Całkowita siła przyciągania adhezyjnego jest funkcją wartości sił międzycząsteczkowych oraz rzeczywistej powierzchni styku.

Pewną odmianą sczepiania w zużyciu adhezyjnym jest zrastanie tarciowe będące trwałym połączeniem stykających się obszarów trących powierzchni metalowych części maszyn na skutek dyfuzji poprzez pierwotną granicę ich rozdziału. Powstaje ono przy dużych odkształceniach plastycznych oraz wysokiej temperaturze mikroobszarów tarcia. Skłonność do zrastania zależy od rozpuszczalności i szybkości dyfuzji lub samodyfuzji w stanie stałym materiałów współpracujących elementów, czasu styku, wartości odkształcenia plastycznego i temperatury mikroobszarów tarcia.

Zużywanie adhezyjne współtrących elementów maszyn następuje przy prędkościach poślizgu do 0,2 m/s i naciskach nominalnych do 11 MPa. Ścinanie sczepień występuje często, zwłaszcza przy dużych naciskach jednostkowych, powodując na granicy materiału umocnionego wyrwy na powierzchni i przenoszenie materiału na drugą powierzchnię, tj. narosty o większej twardości niż rdzeń. Narosty te mają nieregularne kształty i ostre krawędzie. Działają one jak zamocowane mikroostrza przy skrawaniu.

Wysokie własności mechaniczne (twardość, granica plastyczności itp.) zwiększają odporność na zużycie adhezyjne. Wartość współczynnika tarcia wywołanego oddziaływaniem adhezyjnym stali po stali wynosi 0,5÷1,2.

Intensywność zużywania adhezyjnego ograniczają następujące własności materiałów elementów maszyn:

- zdolność intensywnej adsorpcji i chemisorpcji w niskich temperaturach;

- zdolność tworzenia w procesie tarcia powierzchniowych warstewek tlenkowych o twardości zbliżonej do twardości metali oraz o dużej wytrzymałości i spójności z metalem podstawowym;

- mała plastyczność metalu, wolno wzrastająca ze wzrostem temperatury;

- struktura metali nie tworząca trwałych sieci przejściowych (wiązań międzyfazowych);

- mała wartość współczynnika dyfuzji innych metali.

Scuffing - rodzaj zużycia, na które składają się elementy zużycia ściernego i adhezyjnego. Termin scuffing jest stosowany do określenia formy gwałtownego zużycia spowodowanego przerywaniem warstwy oleju pod odpowiednio dużym obciążeniem. Charakteryzuje się ono zjawiskiem zespawywania i rozrywania połączeń wierzchołków nierówności zachodzącym w mikroobszarach styku.

Scuffing przyjmuje różne formy określane 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. W warunkach takich wytwarza się duża ilość ciepła, która jest zależna od wartości obciążenia i prędkości względnej. Ilość wytworzonego ciepła wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości (prędkość) oraz ze wzrostem intensywności (obciążenie) oddziaływania nierówności.

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.

Zużyciem przez utlenianie - 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. Ten rodzaj zużycia występuje wtedy, gdy intensywność tworzenia warstewek tlenków jest większa od intensywności niszczenia powierzchni przez ścieranie.

Zużycie przez utlenianie występuje przy tarciu ślizgowym i tocznym. Przy tarciu tocznym zużyciu przez utlenianie towarzyszy zawsze zużyciu zmęczeniowemu i przy niedużych intensywności ach odkształceń może być ono dominujące. Przy tarciu ślizgowym zużycie przez utlenienie występuje w przypadku tarcia granicznego, tarcia technicznego suchego.

Zużycie zmęczeniowe - rodzaj 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.

Wskutek nakładania się odkształceń w warstwie wierzchniej w wyniku superpozycji naprężeń własnych i naprężeń od obciążeń zewnętrznych w obszarach spiętrzenia naprężeń tworzą się zmęczeniowe mikropęknięcia powierzchniowe, przechodzące następnie w makropęknięcia. W końcowym efekcie następuje odrywanie od rdzenia kawałeczków metalu. Przy tego rodzaju oddziaływaniu przez długi czas, zależny od parametrów procesu tarcia i jego charakteru oraz od wielkości obciążeń zewnętrznych, nie zachodzą ubytki metalu, a jedynie makroodkształcenia. Po przekroczeniu granicznej liczby cykli obciążeń i dopiero po osiągnięciu granicy zmęczenia przez poszczególne mikroobjętości metalu warstwy wierzchniej występuje ubytek masy. Początek ubytku masy, wywołany zmęczeniem warstwy wierzchniej, uważa się praktycznie za początek końcowego okresu przydatności części maszyny do eksploatacji. Typowe przykłady par trących, w których może wystąpić zużycie zmęczeniowe zostały przedstawione na rys. 8.21.

Efektem procesów zużycia powierzchniowego są miejscowe ubytki materiału warstwy wierzchniej, natomiast w przypadku zużycia zmęczeniowego objętościowego - pęknięcia zmęczeniowe.

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 2-4 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.

Ogólne prawidłowości zużycia przez łuszczenie są następujące: proces zużycia przez łuszczenie, wyrażający się w zmęczeniowym tworzeniu pęknięć metalu warstw wierzchnich, występuje przy tarciu tocznym pod wpływem obciążeń wywołujących plastyczne odkształcenia mikroobjętości metalu w strefie styku.

Podstawowymi czynnikami wpływającymi na intensywność zużycia przez łuszczenie są: głębokość plastycznie odkształconej warstwy wierzchniej oraz intensywność plastycznych odkształceń tych warstw. Grubość odkształconej plastycznie warstwy wpływa na głębokość występowania mikropęknięć, zaś intensywność plastycznego odkształcenia ma wpływ na intensywność zużywania.

Zmiany ilościowe podstawowych charakterystyk zużycia przez łuszczenie są zależne od wartości nacisków jednostkowych przy styku, liczby i częstotliwości cykli obciążenia, wymiarów i kształtu trących elementów, a także od mechanicznych własności metali.

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.

Przy zużywaniu przez pitting można wyróżnić trzy etapy:

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 etapie pierwszym 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. W czasie pierwszego etapu olej działa hamująco na postęp procesów zmęczeniowych, gdyż łagodzi naciski jednostkowe w strefie kontaktu, co wpływa dodatnio na wytrzymałość powierzchniową materiału. W wyniku tego działania zużycie zmęczeniowe w obecności oleju występuje znacznie później niż w przypadku zużywania skojarzenia niesmarowanego.

W drugim etapie pęknięcia zmęczeniowe powiększają się i obejmują coraz większe części materiału. Dużą i niekorzystną rolę odgrywa olej w rozprzestrzenianiu pęknięć. Olej, znajdujący się w strefie styku w granicach naprężeń Hertza, podlega działaniu wysokich nacisków jednostkowych i wnika w istniejące na powierzchni szczeliny. Zdolność wnikania oleju w szczeliny jest tym większa, im ma on mniejszą lepkość i napięcie powierzchniowe. Dużą zdolność do wnikania mają więc oleje wysokouszlachetniane, zawierające dodatki dyspergująco-detergencyjne. Olej jako ciecz nieściśliwa, wtłaczany pod znacznym ciśnieniem w szczelinę, wywiera działanie rozklinowujące tę szczelinę, powodujące powiększenie jej wymiarów. Dodatki uszlachetniające o dużej zdolności do adsorpcji fizycznej i chemisorpcji, sorbując na powierzchniach wewnętrznych szczelin, wywołują zmniejszenie energii powierzchniowej i zmniejszenie spójności materiału wewnątrz szczelin, wywołanej siłami adhezji. Tak więc oleje z dodatkami powierzchniowo czynnymi wywierają silne działanie rozklinowujące, przez co przyczyniają się do rozprzestrzeniania się pęknięć.

W trzecim etapie warstwa wierzchnia elementu skojarzenia tarciowego ma już znacznie rozwiniętą subtelną siatkę spękań i szczelin. Cząstki cieczy smarującej wypełniające przestrzeń między dwiema trącymi powierzchniami, a zwłaszcza dodatki smarnościowe, tworzą na powierzchniach warstwy graniczne (rys. 8.23). Podczas przetaczania się powierzchni po sobie warstwy te są na przemian ściskane i rozciągane. Ponieważ warstwy te są związane z podłożem siłami adsorpcji lub chemisorpcji, dlatego też w warunkach gwałtownego rozciągania i ściskania warstwy oddziałują one odpowiednią składową ściskającą lub rozciągającą na spękaną warstwę wierzchnią. Oddziaływanie takie przyspiesza pitting, gdyż rozciągane cząsteczki, silnie związane z podłożem, powodują wyrywanie części materiału, które wskutek spękania zmęczeniowego utraciły lub zmniejszyły spójność z rodzimym materiałem.

Fretting jest rodzajem zużycia zachodzącego przy bardzo niewielkich (rzędu ułamka mm) wzajemnych przemieszczeniach stykających się ciał. W szerokim tego słowa znaczeniu, terminem fretting określa się zespół zjawisk mechanicznych, cieplnych, chemicznych i elektrycznych zachodzących w strefach kontaktu ciał, gdy przemieszczają się one minimalnie względem siebie przy ruchu obrotowo- lub postępowo-zwrotnym, w wyniku drgań, pulsacji obciążeń itd. Jest to więc zużywanie w miejscach ,,nominalnie" nieruchomych połączeń.

Cykliczność drgań i związana z nimi amplituda wzajemnych przemieszczeń powoduje, że zużycie przez fretting ma charakter zmęczeniowo-ścierny (drgania powodują zjawiska zmęczeniowe, a minimalne przemieszczenia - zjawiska ścierania). „Czysty” fretting, przy którym nie ma zmian chemicznych powierzchni, zachodzi bardzo rzadko i występuje jedynie w wilgoci. Jeżeli występuje kontakt z aktywnie działającym środowiskiem, wtedy powstaje korozja frettingowa (fretting-korozja), w wyniku której zużycie pojawia się wcześniej i jest intensywniejsze niż przy „czystym” frettingu. Korozja frettingowa występuje najczęściej w parach pracujących przy pewnym naprężeniu (np. elementy osadzone na wałach na wcisk, blachy łączone nitami, narażone na drgania itp.). Naprężenia powodują wzrost energii powierzchniowej i zwiększają reaktywność chemiczną powierzchni, a więc podatność na korozję.

Ze względu na małe wzajemne przemieszczanie ciał produkty zużycia frettingowego zbierają się wokół węzła tarcia. Jeżeli mają one dużą twardość, wówczas działają jak ścierniwo, co przyspiesza zużywanie. Produkty zużycia są zazwyczaj tlenkami metali. Mogą to być tlenki usunięte z powierzchni lub też tlenki utworzone w wyniku utleniania cząstek startego metalu. Przy frettingu stali wokół węzła ciernego gromadzi się delikatnie rozdrobniony brązowy proszek, składający się z różnych tlenków żelaza odznaczających się dużą twardością. Intensywność frettingu zależy od rodzaju stykających się materiałów oraz od rodzaju i wartości wymuszeń, którym podlega połączenie.

---