wstęp do tribologii

7/25/2019 Wstp Do Tribologii

1/418

STANISAW PAZA LESZEK MARGIELEWSKI GRZEGORZ CELICHOWSKI

Wstp do tribologiii tribochemia

WYDAWNICTWO UNIWERSYTETU DZKIEGO D2005


2/418

REDAKCJA NAUKOWO-DYDAKTYCZNAFOLIA CHIMICA

Henryk Piekarski,Magorzata Jwiak

RECENZENT

Andrzej Kulczyski

REDAKTOR WYDAWNICTWA U

Hanna Wrblewska

PROJEKT OKADKI

Barbara Grzejszczak

Ilustracja na okadce przedstawia topografiwarstwy modyfikowanej aminokrzemionkizarejestrowanza pomocmikroskopu atomowych si

przez G. Celichowskiego i K. Chrobaka

Ksika czciowo sponsorowana przez ZRP ORLEN w Pocku

Copyright by Stanisaw Paza, Leszek Margielewski, Grzegorz Celichowski, 2005

Wydawnictwo Uniwersytetu dzkiego

2005

Wydanie I. Nakad 500 + 40 egz.

Ark. druk. 26,25. Papier kl. III, 80 g, 70100

Zam. 138/3768/2005. Cena z26,

Drukarnia Uniwersytetu dzkiego

90-236 d, ul. Pomorska 143

ISBN 83-7171-909-4


3/418

OD AUTORW

Od koca lat szedziesitych obserwuje siokres intensywnych badanad

tarciem i zuyciem materiaw oraz sposobami ich zapobiegania, z ktrych

najpowszechniejsze stao sismarowanie powierzchni.

Na pocztku lat dziewidziesitych, dziki wczeniu si do tych badafizykw posugujcych si najnowszymi metodami analizy powierzchni cia

staych na poziomie atomowym, nauka zajmujca si tymi badaniami uzyskaa

znaczcy impuls, a wyniki prac naukowych zupenie nowjakoi znaczenie.

Ksika niniejsza zostaa napisana na podstawie ksiki S. PazyFizykoche-

mia procesw tribologicznych wydanej w 1997 r. Obecna jest obszerniejsza

zawiera nowe rozdziay: Wstp do tribologii, Nanotribologia i Materiay

tribologiczne. Mamy nadziej, e ta ksika bdzie zawiera mniej bdw

i niedocigni. Cz pierwsza Wstp do tribologii zawiera podstawow

wiedz o tarciu, zuyciu i adhezji powierzchni ciaa staego, a rozdzia:

Nanotribologia podstawowe informacje o procesach tribologicznych przebie-

gajcych w bardzo maej skali. Dalej zostay omwione zjawiska fizyczne

i fizykochemiczne wystpujce w strefie tarcia, podstawowe informacje

o materiaach konstrukcyjnych i rodkach smarowych i o ich rodzajach, o olejach

syntetycznych oraz dodatkach uszlachetniajcych rodki smarowe. Zakres pre-

zentowanych w tych czciach zagadnie jest ograniczony, jednak zdaniem

autorw wystarczajcy do wyjanienia zoonych zjawisk wystpujcych

w procesie tarcia. I wreszcie ostatnie rozdziay omawiajreakcje tribochemiczne

gwnych dodatkw uszlachetniajcych rodki smarowe oraz zagadnienia

tribochemiczne wystpujce w procesach tarcia z udziaem materiaw cera-

micznych.

Niestety, ze wzgldu na mnogo dostpnych i wieo ukazujcych si

publikacji z tej dziedziny nie moglimy przedstawi problemu tribochemii

w sposb kompletny. Niemniej materia niniejszej ksiki moe by wpro-wadzeniem uatwiajcym zrozumienie tribochemii procesu tarcia.

Winni jestemy te, juna wstpie, wyjanienie, e ze wzgldu na wielkie

trudnoci w analizie wynikw badaspowodowane niezwykle maprzestrzeni,

w ktrej przebiegaj reakcje tribochemiczne, mnogoci parametrw wpywa-

jcych na ich przebieg i nakadajcych siniestety na to niedoskonaoci metod

badawczych i metod analizy powierzchni, niewiele mechanizmw reakcji jest

dostatecznie i jednoznacznie potwierdzonych wynikami bada. Std przedsta-

wiane mechanizmy dziaania dodatkw uszlachetniajcych naley traktowa


4/418

Wstp do tribologii i tribochemia4

niekiedy bardziej jako hipotezy ni niepodwaalne i potwierdzone badaniami

sposoby ich dziaania. Trzeba stwierdzi, e hipotezy s rwnie cenne, jak

i potwierdzone eksperymentem wyniki bada mechanizmw reakcji tribo-

chemicznych, a przekazane informacje mog ukaza nowe horyzonty. Szersze

omwienie prezentowanych w ksice wynikw bada nad dodatkami

siarkowymi miao na celu pokazanie historycznego rozwoju tych bada.

Oddajc do druku t ksik, chcielibymy wyrazi podzikowanie

i wdziczno profesorom: C. Kajdasowi, Z. Rymuzie, M. Winiewskiemu,

A. opusiskiemu, W. Zwierzyckiemu, S. Nosalowi i S. Leniakowi; dyrekto-

rowi naukowemu CNRS S. Partyce, doktorom habilitowanym: L. Starczewskie-

mu i D. Oziminie oraz doktorom: J. Grobelnemu, I. Piwoskiemu, M. Chmurze,E. Maeckiej i A. Zajezierskiej, a take mgr in. E. Korczak i mgr B. Strombek

za cenne dyskusje i rady naukowe oraz za pomoc w przygotowaniach do druku

tej ksiki.

S. Paza wyraa szczeglnwdzicznomgr. in. A. Szczakowskiemu za

zainteresowanie go tribologiponad 30 lat temu.

Stanisaw Paza

Leszek Margielewski

Grzegorz Celichowski


5/418

5

WSTP

Tarcie jest zjawiskiem powszechnie wystpujcym w przyrodzie i technice,

przeciwdziaa ono wzajemnemu przemieszczaniu siatomw, czsteczek i cia

przylegajcych do siebie powierzchniami, midzy ktrymi wystpuje wzajemneoddziaywanie. W tarciu zachodzi rozpraszanie energii. Tarcie jest zjawiskiem

nierozerwalnie zwizanym z prac maszyn i urzdze, za zjawiska zwizane

z tarciem snieodwracalne. Pokonywanie oporw tarcia wymaga w skali globu

bardzo duego zuycia energii. Nauk zajmujc si tarciem i procesami

towarzyszcymi tarciu nazywa sitribologi.

Do bardzo wanych zjawisk towarzyszcych tarciu, majcych due

znaczenie techniczne, zaliczane jest zuycie powierzchni materiaw uczestni-

czcych w tarciu, ich smarowanie oraz zuycie energii na pokonanie oporw

tarcia.

Rozwj nauki i techniki prowadzi do stosowania z jednej strony coraz

bardziej obcionych, a z drugiej strony bardzo nisko obcionych i o coraz

wikszych prdkociach ruchu par trcych w pojazdach, maszynach i urz-

dzeniach mechanicznych. Tempo tego rozwoju jest zalene bardzo midzy

innymi od trwaoci i niezawodnoci dziaania wzw tarcia. Obecne dziaania

zmierzaj do cakowitego wyeliminowania lub zminimalizowania zuycia par

tribologicznych, co jest szczeglnie istotne np. w styku gowicy z powierzchni

twardego dysku, urzdzeprecyzyjnych lub wzw tarcia w robotach.

Tribologia zajmuje siposzukiwaniem ograniczenia skutkw dziaania tarcia,

a co za tym idzie ograniczenia zuycia energii i powierzchni wsppracujcych

ze sobelementw maszyn i urzdzemechanicznych. Istotnrolw osiganiu

tego celu odgrywaj warstwy wierzchnie ruchomych elementw maszyn

i urzdze. Rola procesw fizykochemicznych i chemicznych w formowaniu

tych warstw ma olbrzymie znaczenie praktyczne. Bez odpowiedniej warstwypowierzchniowej aden mechaniczny system z ruchomymi czciami nie

mgby dugo pracowa. Warstwy powierzchniowe powstajw procesie tarcia

w wyniku procesw fizycznych i reakcji chemicznych zwanych tribochemicz-

nymi, przebiegajcych gwnie midzy dodatkami uszlachetniajcymi rodki

smarowe z powierzchniami tarcia. Szybkoi kierunek reakcji chemicznych tam

zachodzcych jest zaleny od warunkw pracy wza tarcia. Utworzona

powierzchniowa warstwa reakcyjna zmienia warunki pracy pary trcej, a te

z kolei wpywaj na dalsze reakcje tribochemiczne. Jak wida, jest to system


6/418

Wstp do tribologii i tribochemia6

samoregulujcy sii zmiany swymuszane wzajemnie zarwno przez zjawiska

tribologiczne, jak i reakcje tribochemiczne.

Odpowiednio uytkowane tribologiczne warstwy powierzchniowe pozwalaj

w wyniku wytworzenia optymalnych eksploatacyjnych warstw wierzchnich

na znaczne obnienie tarcia i przeduenie trwaoci eksploatacyjnej narzdzi,

czci maszyn i urzdze. Ze wzgldu na rozmiary tej ksiki, ograniczajc

z koniecznoci zakres rozwaa, we Wstpie do tribologii podano jedynie

niezbdne definicje i pojcia z zakresu tribologii. Wiedz o tarciu, zuyciu

i materiaach tribologicznych w szerszym zakresie mona znale w podrcz-

nikach i monografiach [18].


7/418

WSTP DO TRIBOLOGII


8/418


9/418

1. Oglne pojcia i definicje 9

1. OGLNE POJCIA I DEFINICJE

1.1. TARCIE I JEGO RODZAJE

Tarciem nazywamy zbir zjawisk wystpujcych w obszarze styku

dwch przemieszczajcych si cia, w wyniku ktrych powstaj oporyruchu. Zalenie od przyjtych kryteriw podziau, wyrnia si rodzaje tarcia

[5] przedstawione na rys. 1.

Rys. 1. Rodzaje tarcia [5]

Przyjmujc jako kryterium stan ruchu, rozrnia si tarcie statyczne

(spoczynkowe) i kinetyczne (ruchowe, dynamiczne).Tarcie statyczne pojawia

sipodczas przejcia ze stanu spoczynku w ruch, a take podczas zatrzymania

ruchu. Tarcie kinetyczne wystpuje w czasie ruchu. Tarcie statyczne jest na og

wiksze od kinetycznego. Tarcie ze wzgldu na jego lokalizacj mona


10/418

Wstp do tribologii10

podzieli na dwie zasadnicze grupy: wewntrzne powstajce wewntrz

jednego ciaa, w ktrym przemieszczaj siwzgldem siebie atomy, grupy

atomw, czsteczki chemiczne itp., i zewntrzne powstajce przy

powierzchniowym styku ciaa staego z innym ciaem staym lub pynem

(cieczalbo gazem).

Tarcie wewntrzne w gazach jest niewielkie; ze wzgldu na duodlego

midzy czsteczkami ronie w cieczy, a najwiksze wartoci wystpuj

w ciaach staych, co jest zrozumiae, biorc pod uwag wzrost si spjnoci

midzy atomami czy czsteczkami w tych stanach skupienia.

Tarcie pynne wystpuje wwczas, gdy stae powierzchnie tarcia s

w ruchu i srozdzielone warstwciekego rodka smarowego. Opory ruchu s

wtedy zalene od tarcia wewntrznego cieczy, ktrego miar jest lepko.

Tarcie wewntrzne w ciele staym wystpuje przy smarowaniu staymi

rodkami smarowymi posiadajcymi budowwarstwow, jak np. grafit. Nato-

miast w przypadku tarcia zewntrznego (suchego fizycznego i technicznego)

ciaa stykaj si za porednictwem wierzchokw nierwnoci powierzchni;

wystpuj tu znaczne opory tarcia przejawiajce si oporem wzgldem

przemieszczania si cia, np. w styku tarciowym ruchomych elementw

maszyn.

1.1.1. Tarcie suche

Tarcie suche fizyczne wystpuje wwczas, kiedy w procesie tarcia

dochodzi do styku (kontaktu) czystych powierzchni cia staych; natomiast

w przypadku tarcia suchego technicznego, na powierzchniach wystpuj

zaadsorbowane czsteczki gazw z powietrza atmosferycznego oraz pro-

dukty ich reakcji ze skadnikami powierzchni tarcia, tj. azot, tlen, woda,

a take tlenki, wodorotlenki i inne zwizki.W kontakcie suchym wikszo

energii mechanicznej (od 80 do 95%) jest rozpraszana jako ciep o, reszta jest

zuywana na tworzenie i migracjdefektw, pkanie i zwikszone elektryzowa-

nie powierzchni, cieranie materiaw, deformacj plastyczn, emisj fotonw,

elektronw, jonw i czsteczek obojtnych, wibracjsieci i inne efekty.

Tarcie suche, oprcz zastosowa, w ktrych jest podane np. w prze-

kadniach ciernych, hamulcach, przy styku k z podoem poruszajcego sipojazdu jest bardzo niekorzystne. W praktyce eksploatacyjnej przy obu

rodzajach tarcia suchego mogwystpibardzo due opory tarcia i zuycie, co

bardzo czsto prowadzi do uszkodzenia wza tarcia.

Na rzeczywistych trcych powierzchniach styku wystpuje mechaniczny

opr ruchu spowodowany zaczepianiem o siebie nierwnoci powierzchni oraz

opr spowodowany sczepieniem adhezyjnym. Przyczyn wystpowania siy

tarcia s zjawiska fizyczne i chemiczne. S one wspzalene, a odpowiednie

siy tarcia nie s prost ich sum. Ich rola w tarciu i wystpujce wsp-


11/418


zalenoci nie zostay jeszcze cakowicie wyjanione. Tarcie obserwowane

w skali mikroskopowej w czasie i w przestrzeni jest procesem losowym,

bowiem skadaj si na nie rnorodne zjawiska, ktrych wystpowanie

i intensywno w rnych miejscach powierzchni styku zale od wielkoci

losowych, np. rozkadu nierwnoci topografii powierzchni. Do zjawisk,

ktrych udziaw rozpraszaniu energii w tarciu jest dominujcy, nale: histereza

sprysta, odksztacenie (deformacja) plastyczne i adhezja; ich wystpowanie

moe byjednoczesne.

Opr tarcia wyraa zwykle sia tarcia lub wspczynnik tarcia. Si

tarcia T okrela wzr Amontonsa-Coulomba:

T= N (1)

gdzie:

wielko bezwymiarowa zwana wspczynnikiem tarcia,

N obcienie lub sia normalna.

Wzr (1) jest powszechnie uywany w obliczeniach technicznych, pomimo e

nie uwzgldnia wielu zjawisk towarzyszcych tarciu. Amontons, Coulomb i inni

dawni uczeni badajcy tarcie zaproponowali, by jako przyczyn wystpowania

tarcia traktowa mechaniczne wspoddziaywanie nierwnoci powierzchni

lizgowego styku tarciowego. Aby wystpi ruch, musi by przyoona sia (F)

rwna sile tarcia, wykonana jest praca na wzniesienie nierwnoci po pochyoci

drugiej nierwnoci w stadiach a) i b) (rys. 2). Wtedy wsp czynnik tarcia

= tg. Wikszo energii potencjalnej zmagazynowanej w tej pierwszej fazie

ruchu jest odzyskiwana w czasie ruchu w stadiach c) i d). Tylko maa iloenergii

tarcia jest rozpraszana. Tarcie jest procesem rozpraszania energii; teoria tarcia

dotyczy rozwaanad mechanizmami rozpraszania energii.

Rys. 2. Schemat tarcia lizgowego wedug modelu Coulomba;strzaki wskazujkierunek dziaania si

Spostrzeenia L. da Vinci i G. Amontonsa day podstawdo sformuowania

praw tarcia:

sia tarcia jest wprost proporcjonalna do przyoonego obcienia;

sia tarcia jest niezalena od powierzchni styku.

Oba prawa tarcia s suszne dla wikszoci przypadkw lizgowego tarcia

suchego i powierzchni smarowanych.


12/418


Coulomb stwierdzi, e sia tarcia ma dwie skadowe; pierwsza jest zalena

od obcienia, a druga, zwykle o mniejszej wartoci zalena od adhezji dwch

powierzchni tarcia. Skadowa adhezyjna odgrywa bardzo du rol w tarciu

w nanoskali.

Opierajc si na wczeniejszych ustaleniach L. da Vinci, G. Amontonsa

i pniejszych C. Coulomba, tarcie mona opisa przyjmowanymi w chwili

obecnej trzema prawami:

1) sia tarcia jest niezalena od powierzchni styku,

2) sia tarcia jest proporcjonalna do siy nacisku i jest ona wiksza dla

tarcia statycznego nidla tarcia kinetycznego,

3) sia tarcia jest niezalena od prdkoci.

Szersze omwienie teorii tarcia mona znalew pozycji literaturowej [2].

Tarcie jest gwnie spowodowane wystpowaniem adhezji i odksztacenia cia

staych styku tarciowego.

Rozpatrzmy teraz styk tarciowy przedstawiony na rys. 3. Dwie powierzchnie

s dociskane do siebie z obcieniem N. Ulegaj one odksztaceniu, a do

momentu, kiedy powierzchnia styku A jest wystarczajca do podtrzymania

obcienia bez dalszego odksztacenia.

Powierzchnia styku jest zalena od

twardoci ciaa staego (H) wg wzoru:

H

NA (2)

Aby przesun powierzchnie

wzgldem siebie, musi by uyta sia

F przewyszajca wytrzymao na

cinanie poczenia adhezyjnego.

Wedug modelu Bowdena i Tabora [9],

sia tarcia nie jest proporcjonalna do

obcienia, a do powierzchni styku

i wytrzymaoci ciaa staego na

cinanie.

AST c (3)

gdzie:

Sc wytrzymaona cinanie rwna

sile dziaajcej w paszczynie

poczenia adhezyjnego na jed-

nostk powierzchni niezbdnej

do jego rozerwania,Rys. 3. Tworzenie i niszczenie przez cinaniepoczenia adhezyjnego w styku tarciowym.Strzaki wskazujkierunek dziaania si

A nominalna powierzchnia cina-

nia.


13/418


W rzeczywistoci w styku tarciowym, pod obcieniem, styk midzy

powierzchniami tarcia wystpuje pomidzy odksztaconymi wierzchokami

nierwnoci. Suma powierzchni wszystkich stykw nierwnoci jest rzeczywist

powierzchni styku (Arzecz). Dla wikszoci obcionych materiaw jest ona

tylko ma czci nominalnej powierzchni styku (A). Dla materiaw o duej

sprystoci i plastycznych, ze wzrostem obcienia, powierzchnia nominalna

zblia sido powierzchni rzeczywistej, a powyej pewnych obcieA=Arzecz.

W styku tarciowym przy cinaniu warstw ciskanych o grubociach mole-

kularnychA=Arzecz.

Wytrzymao materiau na cinanie w styku powierzchni zaley od

warunkw tarcia, takich jak: obcienie, prdko lizgania, temperatura,

charakterystyki materiaowe, struktura krystalograficzna, mikrostruktura czy

szybkoutwardzania.

Wytrzymaona cinanie (Sc) jest to sia potrzebna do cicia warstwy

materiau na zdefiniowanej powierzchni i definiowana jest jako sia oporw

ruchu podzielona przez powierzchni, jest proporcjonalna do rzeczywistej

powierzchni styku. Wspczynnik tarcia, wedug Amontonsa, zmienia si

nieznacznie zalenie od rodzaju materiau, podczas gdy wytrzymao na

cinanie moe si zmienia o kilka rzdw wielkoci dla rnych materiaw.

Wynika to z zalenoci tarcia: zarwno od wytrzymaoci na cinanie, jak

i rzeczywistej powierzchni styku. Wytrzymaona cinanie zcza tarciowego

czsto wzrasta ze wzrostem obcienia, co wynika ze znacznego wzrostu

skadowej adhezyjnej w sile tarcia.Sia tarcia jest sumsiy cinajcej i siy potrzebnej na odksztacenie czci

powierzchni styku. Sia ta, generowana pomidzy ciaami w ruchu, skada size

skadowej adhezyjnej i odksztacajcej (mechanicznej). Skadowa adhezyjna jest

efektem powierzchniowym, ktry moe by rozwaany jako przebiegajcy na

gbokoci molekularnej, podczas gdy skadnik mechaniczny jest zwizany ze

zjawiskami w objtoci ciaa staego i jest spowodowany odksztaceniem

w obszarze poniej lizgowej powierzchni styku tarciowego.

Jeli zaoymy, e nie ma wspoddziaywania pomidzy adhezj

i odksztaceniem powierzchni tarcia w obszarze rzeczywistego styku, wtedy

cakowita sia tarcia Tjest wyraona wzorem:

T= Tadh+ Tdef (4)

gdzie:

Tadh skadowa adhezyjna,

Tdef skadowa odksztaceniowa (deformacyjna, mechaniczna); jej wystpowa-

nie jest widoczne jako bruzdowanie i obienie bardziej mikkiej

powierzchni tarcia.

Po podzieleniu obu stron rwnania (4) przez obcienie N, rwnanie

przyjmuje posta:


14/418


= adh+ def (5)

Jeli powierzchnia tarcia jest gadka, wtedy dominuje Tadh, jeli jest

chropowata i smarowana, wwczas adhezja jest bardzo maa, a ronie udzia

skadowej mechanicznej. Przy tarciu lizgowym suchym powierzchni

chropowatych skadowa adhezyjna Tadh jest co najmniej dwa razy mniejsza od

skadowej mechanicznej Tdef.

Dla styku tarciowego z powierzchni czciowo pokryt ciek warstw

skadowadhezyjnwyraa wzr:

clcarzeczadh SSAT 1 (6)

ah

VS lcl

(7)

gdzie:

Arzecz rzeczywista powierzchnia styku,

czpowierzchni niepokryta ciecz,

Sca i Scl rednie wytrzymaoci na cinanie odpowiednio styku suchego

i warstwy cieczy,

l lepkodynamiczna cieczy,

V prdkolizgania,

h grubowarstwy cieczy.Przy rnych twardociach powierzchni tarcia, powierzchnia materiau

bardziej mikka jest bruzdowana i obiona. Im bardziej powierzchnia jest

zbruzdowana, tym wiksza jest skadowa mechaniczna Tdef.Czasem skadowa ta

nazywana jest rwnieskadowbruzdowania.

W czasie odksztacenia plastycznego (bruzdowania) nastpuje rwnie

pkanie, rozrywanie i tworzenie czstek produktw zuycia. Czstki twardszego

materiau, obecne w strefie tarcia, zwikszaj zuycie o rzd wielkoci

w porwnaniu do zuycia spowodowanego nierwnociami powierzchni.

W analizie mikroodksztace rozwaa sipojedyncze nierwnoci doskonale

sztywnego materiau. Zakada si, e def nie zaley od adhezji. Nierwnoci

twardszego materiau penetruj w gb bardziej mikkiego materiau styku

tarciowego i powoduj jego wyobienie, jeli wytrzymao na cinanie jestprzekroczona. Odksztacenie nie tylko zwiksza si tarcia, lecz powoduje take

powstawanie produktw zuycia, ktre nastpnie zwikszajsitarcia i zuycie.

W obliczeniach skadowej mechanicznej siy tarcia przyjmuje si zwykle

cztery modele sztywnych nierwnoci i produktw zuycia o ksztatach:

stokowym, kulistym i cylindrycznym z dwiema orientacjami (rys. 4).


15/418


Rys. 4. Schemat odksztacew ruchu lizgowym na mikkim materiale [8].

Najgrubsze strzaki wskazujkierunek dziaania si

Przy rozpatrywaniu stoka (rys. 4a) z ktem nierwnoci (zwanym tektem

atakujcym) powierzchniaAl, na ktrdziaa sia normalna, wynosi:

2

2

1rAl (8)

sia tarcia oddziauje na bruzdowanpowierzchniAp:

tgrrdAp22

2

1 (9)

Jeli nacisk oznaczymy symbolem P, wtedy obcienie pary trcej jest

rwne:

N=P Al (10)

a sia tarcia (Tdef) wynosi:

Tdef =PAp (11)


16/418


zawspczynnik tarcia:

l

pdefdef

A

A

N

T (12)

Z rwna811 otrzymamy:

tgdef

2 (13)

Poniewa= 90 , zatem:

ctgdef

2 (14)

Dla styku kulistego (rys. 4b) skadowa wspczynnika tarcia wynosi:

R

rdef

3

4 (15)

Dla wzgldnie dugich, w porwnaniu ze rednickuli, bruzd:

212

12

1sin2

r

R

R

r

r

Rdef

(16)

Dla obu cylindrycznych stykw (rys. 4c) udzia tarcia deformacyjnego

liczony jest ze wzoru:

2

1

12

1

d

Rdef (17)

W stykach tarciowych sprystych powierzchni skadowa defT jest bardzo

maa i wtedy wspczynnik tarcia

N

Tadhadh (18)


17/418


Uwzgldniajc powierzchni rzeczywist tarcia Arzecz utworzon pod

wpywem obcieniaN, stosunek obcienia do tej powierzchni wyraa naciskP

wg wzoru:

rzeczA

NP (19)

i wtedy dla poczenia adhezyjnego wspczynnik tarcia po przeksztaceniu

rwna(1), (3) i (19) wyraa wzr:

PASA

rzecz

cadh

(20)

JeliAArzecz, wtedy:

P

Scadh (21)

Pod wpywem obcienia powierzchnia styku (A) jest deformowana do

ustalonej wartoci powierzchni styku, Arzecz, na ktr dziaa obcienie. Jej

wielkookrela wzr (2):

H

NAA rzecz

gdzie:

H twardomateriau.

Aby przesunelement trcy, musi bypokonana wytrzymaona cinanie

poczenia adhezyjnego. Si tarcia T mona obliczy ze wzoru (3); podsta-

wiajc do tego wzoruArzeczze wzoru (2), otrzymujemy wtedy:

H

NST cadh (22)

a

H

Scadh (23)

gdzie:

H twardobardziej mikkiego materiau.


18/418


Dla metali wytrzymao na cinanie cS rwna jest krytycznemu

napreniu cinajcemu . Dla wikszoci metali wystpuje zaleno:

H= 3 (24)

gdzie:

H twardomateriau,

naprenie.

Naprenie moe byliczone ze wzoru:

AN (25)

gdzie:

N obcienie (sia) powodujce wystpowanie naprew materiale,

A powierzchnia, na ktrdziaa obcienie.

Przy wystpowaniu napre zachodzi odksztacenie materiau , zmienia

sipowierzchniaAAt, wtedy naprenie rzeczywiste twyraa wzr:

tt

A

N (26)

lub w powizaniu z odksztaceniem ():

1t (27)

Dla metali wytrzymaona cinanie wyraa wzr:

3

cS (28)

Podstawiajc do rwnania (23) wartoci z rwna (24) i (28), moemy sispodziewa, e wspczynnik tarcia wyniesie ok. 0,2:

2,033

1

H

Sc (29)

Dla metali nacisk ,5 cSP a zatem wspczynnik tarcia liczony z rwna-

nia (21), jest take rwny ok. 0,2. W praktyce, dla wikszoci metali w tarciu


19/418


suchym w atmosferze powietrza .0,1 Rozbienota wynika z faktu wzrostu

powierzchni pocze adhezyjnych w obszarze rzeczywistego styku, co

prowadzi do wzrostu wytrzymaoci na cinanie spowodowane zwikszeniem

adhezji. W wyniku utwardzenia powierzchni nierwnoci styku cinanie nie

zachodzi w bezporednim poczeniu adhezyjnym, a w gbszej (o wikszej

powierzchni cinania) warstwie poczenia, co sprawia, e pojawia si wtedy

skadowa siy tarcia zwana kohezyjn kohT , potrzebna na pokonanie sikohezji

przy cinaniu w materiale styku tarciowego.

W rzeczywistoci sia tarcia skada si z dalszych skadowych i mona j

wyraziza pomocwzoru:

lepkohdefadh TTTTT (30)

gdzie:

kohT odpowiada stracie energii na rozrywanie wizakohezyjnych ciaa,

lepT jest lepkociowym oporem w warunkach zwilania.

Suma skadowych Tadh i Tlep jest efektywn si tarcia dziaajc na

powierzchni, a suma Tdef i Tkoh jest efektywn si dziaajc gwnie

w objtoci ciaa staego.

Ze wzgldu na odmienne waciwoci omawianych wyej materiawsprystych i plastycznych ni materiaw lepkosprystych, oddzielnego

omwienia wymaga tarcie materiaw lepkosprystych. Naprenie, zgodnie

z prawem Hooka, dla cia doskonale sprystych jest zawsze wprost

proporcjonalne do odksztace i nie zaley od szybkoci odksztacenia. Dla

cieczy doskonale lepkich, zgodnie z prawem Newtona, naprenie jest zawsze

wprost proporcjonalne do szybkoci odksztacenia, ale nie zaley od samych

odksztace.

W rzeczywistoci wystpuj odchylenia od tych zasad; odksztacenia ciaa

staego lub szybko odksztacenia cieczy mog by nieproporcjonalne do

napre i mog od nich zalee w bardzo zoony sposb. Takie anomalie

wystpuj zazwyczaj w ciele staym przy przekroczeniu granicy sprystoci.

Naprenia mog rwnie zalee rwnoczenie od odksztace i od ichszybkoci. Te anomalie czasowe charakteryzuj ciaa jako kombinacje ciaa

staego i lepkiej cieczy, ktre nazywamy lepkosprystymi. Objawem

lepkosprystoci jest np. niezachowanie staego odksztacenia nawet przy

maych napreniach; odksztacenie postpuje dalej z upywem czasu, czyli

ciao peza. Najlepszym przykadem ciaa lepkosprystego jest guma.

Kiedy poddajemy ciao stae odksztacaniu, wtedy naprenie potrzebne do

utrzymania go w tym stanie bdzie stopniowo malao, czyli ulegnie relaksacji

(osabianiu). Jeli przy relaksacji napreprbkw nagy sposb poddaje si


20/418


odksztaceniu, naprenie potrzebne do utrzymania tego odksztacenia na staym

poziomie jest funkcj czasu. Czas relaksacji jest czasem potrzebnym do

penego ustpienia (rozlunienia) napre.

Sia tarcia wystpujca w styku tarciowym materiaw lepkosprystych jest

sumskadowej adhezyjnej i histerezyjnej:

T = Tadh+ This (31)

Warstwy wierzchnie materiaw lepkosprystych w kontakcie tarciowym

wykazujdue straty histeryzyjne z powodu wewntrznego tumienia. Tumienie

wewntrzne polega na pochanianiu energii na zmianorganizacji przestrzennejmakroczsteczek materiau lepkosprystego. Praca wewntrzna musi by

wykonana przez si tarcia (si styczn), aby przewyszy cykliczn strat

energii spowodowan histerez materiau. Jest to znane jako histerezyjna

skadowa siy tarcia, ktra jest generalnie dua w procesach tarcia materiaw

lepkosprystych, np.: gumy, elastomerw, szerzej polimerw.

Sia tarcia moe wzrosn, gdy czstka produktu zuycia materiau

lepkosprystego lub polimeru przyczepi si do powierzchni tarcia i zostanie

jeszcze raz zdeformowana, co spowoduje dodatkowe zuycie energii na

pokonanie oporw tarcia.

W kontakcie mikronierwnoci wok stykajcych si nierwnoci obu

powierzchni tarcia mogsitworzymeniski cieczy; wtedy na pokonanie tarciatakich powierzchni dodatkowo musi by zwikszona sia tarcia o jej skadow

;menT jest to sia potrzebna na zniszczenie tych meniskw gwnie w momencie

rozpoczcia ruchu.

Na rys. 5 przedstawione s wszystkie przypadki skadowych siy tarcia

wystpujcych w styku tarciowym.

Rys. 5. Skadowe siy tarcia: Tmen meniskowa, Tadh adhezyjna, Tlep lepkociowa,Tdef mechaniczna, Tkoh kohezyjna


21/418


Wielkosiy tarcia przy maych obcieniach zaley od powierzchni styku

A, a przy duych obcieniach od wielkoci obcieniaN. Wartosiy tarcia

wyraa wzr:

NcAcT 21 (32)

gdzie:

1c i 2c stae.

W tarciu zdominowanym przez adhezj, c2 jest wzgldnie mae; dua

wartoc2wystpuje, gdy adhezja jest maa i wtedy tarcie zgodne jest z prawem

Amontonsa.

Wielko wspczynnika tarcia wedug modelu adhezyjnego Deryagina ze

cinaniem w midzyfazie (w objtoci materiau) [1] obliczona z wykorzysta-

niem wzorw (1), (19) i (25) wynosi:

0PPAT

rzecz (33)

gdzie:

T sia tarcia,

Arzecz rzeczywista powierzchnia styku,

P nacisk zewntrzny,

P0 nacisk w styku tarciowym zgodny z wzorami (19) i (25) i rwny napreniu

przy cinaniu poczenia adhezyjnego.

Dla materiaw plastycznych i niemetali adhezyjny wspczynnik tarcia

liczy size wzoru:

P

Sc (34)

gdzie:

Sc jak we wzorze (3),

P jak we wzorze (19), staa.

Szczegowe omwienie adhezji i jej roli w procesie tarcia podane jest

w rozdziale 3.1 i 3.2, natomiast rol lepkoci cieczy i meniskw omwiono

w rozdziale 3.3. i w rozdziale 5 o smarowaniu.


22/418


1.1.2. Tarcie pynne

Dla zmniejszenia tarcia zewntrznego najprostszym sposobem jest

rozdzielenie powierzchni tarcia rodkiem smarowym. W eksploatacji maszyn

jest to najkorzystniejszy sposb obniania oporw tarcia oraz ograniczenie lub

wyeliminowanie niekorzystnych skutkw dziaania tarcia.

Wprowadzenie midzy powierzchnie trce substancji smarowej

powoduje zmian tarcia zewntrznego na tarcie wewntrzne w substancji

smarowej, mamy wtedy do czynienia z tarciem pynnym. Jest to rodzaj

tarcia, w ktrym powierzchnie tarcia oddzielone s warstw rodka

smarowego o takiej gruboci, e w czasie trwania tego procesu nie

wystpuje stykanie si wierzchokw mikronierwnoci obu powierzchni.

Wystpuje wtedy tylko tarcie wewntrzne rodka smarowego, czyli tarcie

pynne.Opr tarcia pynnego zaley od gruboci warstwy rodka smarowego,

jego lepkoci i prdkoci lizgania. W tarciu pynnym, w ktrym powierzchnie

s idealnie rozdzielone warstw rodka smarowego, energia jest rozpraszana

w niej podczas cinania cieczy. Generowane ciepo odprowadzane jest ze rodka

smarowego przez powierzchnie ciaa staego wza tarcia do otoczenia.

Wiemy ju, e istotn rol w procesie tarcia odgrywa tzw. trzecie ciao

wypeniajce obszar pomidzy powierzchniami tarcia. Jest to cienka warstwa

rodka smarowego oraz produktw jego przemian tribochemicznych i pro-

duktw zuycia. Gwna rola substancji smarowej polega na rozdzieleniu

powierzchni pary trcej warstwtej substancji zmniejszajcej opory tarciai zuycie tribologiczne. Ponadto rodek smarowy odprowadza ze strefy tarcia

ciepo, zanieczyszczenia i produkty zuycia, zabezpiecza powierzchnie przed

korozj, uszczelnia ukad smarowy oraz spenia rwnieinne funkcje specjalne,

jak np. elektroizolacyjne itp. W realnych wzach tarcia rozpatrywanych

makroskopowo wystpuj wszystkie rodzaje smarowania: graniczne,

mieszane, pynne oraz tarcie suche. Smarowanie pynne dzieli si na

hydrodynamiczne i elastohydrodynamiczne.

Smarowanie hydrodynamiczne wystpuje w styku tarciowym wtedy,

gdy powierzchnie tarcia rozdzielone s warstw cieczy, powstajc na

skutek generowanego w niej cinienia w wyniku przepywu lepkiej cieczy

w zbienym kanale smarowym (efekt klina smarowego), rwnowacego

zewntrzne cinienie, ktre jest mae i nie powoduje odksztacenia spr-ystego staej powierzchni tarcia.Warunki smarowania hydrodynamicznego s

regulowane przez fizyczne waciwoci cieczy, gwnie lepko i wzgldn

prdkoruchu powierzchni.

W styku lizgowym mona uzyska warunki tarcia pynnego przez sma-

rowanie hydrodynamiczne (rys. 6)


23/418


Rys. 6. Smarowanie hydrodynamiczne w oysku lizgowym

Pomidzy czopem a panewktworzy siciga warstewka oleju wystpuje

wic tarcie pynne. Wielko siy tarcia w smarowaniu hydrodynamicznym

w przypadku trwaej pynnej warstwy rodka smarowego, wtedy gdy czop

i panewka scile wsposiowe, wyraa wzr:

h

AVT

(35)

gdzie: lepkodynamiczna,

V prdkolizgania,

A wielkowsppracujcych powierzchni tarcia,

h grubowarstwy rodka smarowego.

We wzorze tym:

h

V (36)

gdzie:

szybkocinania.

Po podzieleniu obu stron przezA:

A

T (37)

Poniewaze wzoru (3) ,cSA

T zatem


24/418


cS

(38)

Szybkocinania(

)jest to prdkolizganiaV podzielona przez grubo

warstwy hi liczona jest ze wzoru:

cS

h

V

dt

d

(39)

Smarowanie elastohydrodynamiczne (EHD) jest rodzajem smarowania

hydrodynamicznego, przy ktrym naciski w styku tarciowym s bardzodue (> 700MPa). Powoduj one bardzo duy wzrost lepkoci cieczy

i odksztacenie spryste powierzchni tarcia. Ten rodzaj tarcia wystpuje

w oyskach tocznych, przekadniach zbatych i w ukadzie krzywka

popychacz (rys. 7). Cinienia w stykach tych ukadw s ponad tysic razy

wiksze niw oyskach lizgowych, gdzie wystpuje smarowanie hydrodyna-

miczne.

Rys. 7. Przykady wystpowania smarowania EHD (ciemniejsze powierzchnie):

a) przekadnia zbata, b) mechanizm krzywka popychacz, c) oysko toczne

1.1.3. Tarcie graniczne i mieszane

W eksploatacji maszyn najkorzystniejsza jest praca urzdzew warunkach

smarowania hydrodynamicznego, w ktrym o wielkoci oporw tarcia decyduje

grubo warstwy i lepko rodka smarowego. W ukadach rzeczywistych

niejednokrotnie dochodzi do tarcia granicznego. W tarciu granicznym szczegl-

nie du rol w zmniejszaniu oporw tarcia i zuycia odgrywaj fizykoche-

miczne i chemiczne waciwoci rodka smarowego, determinowane jego skadem

chemicznym, oraz rodzaj i waciwoci powierzchni ciaa staego wza tarcia.


25/418


Jeeli warstwa rodka smarowego znajdzie si w zasigu oddziaywa si

molekularnych ciaa staego na granicy rozdziau faz ciao stae ciecz,

wwczas swoboda przemieszczania si czsteczek rodka smarowego najbli-

szych powierzchni zostaje znacznie ograniczona, a tarcie wystpujce w tych

warstwach nazywa sitarciem granicznym.

Tarcie graniczne jest rodzajem tarcia, przy ktrym objto rodka

smarowego jest niewystarczajca, aby oddzieli cakowicie od siebie

warstwrodka smarowego powierzchnie tarcia. Obie powierzchnie tarcia

s pokryte wtedy warstwami zaadsorbowanymi fizycznie skadnikami

rodka smarowego lub/i produktami reakcji tribochemicznych.Wystpuje

wtedy tarcie pomidzy tymi warstwami i ten proces tarcia przebiega,

w porwnaniu do tarcia pynnego, ze znacznie wikszym rozpraszaniem energii;

wspczynnik tarcia jest wikszy od 0,1; rwnie zuycie powierzchni tarcia

moe byznaczne. Tarcie graniczne wystpuje, gdy nie sspenione warunki dla

zaistnienia warstwy hydrodynamicznej, czyli gdy lepko rodka smarowego

jest zbyt maa, ruch wzgldny zbyt wolny, wystpuje niekorzystna geometria

styku lub zbyt dua chropowatopowierzchni.

W tym rodzaju smarowania na powierzchni tarcia wystpujliczne zjawiska

fizykochemiczne i zachodzw nim i na powierzchni tarcia reakcje chemiczne

skadnikw rodka smarowego.

Warstw graniczn nazywa si przypowierzchniow, uporzdkowan,

jedno- do kilkudziesicioczsteczkow warstw cieczy lub/i staych produk-

tw reakcji tribochemicznych znajdujc siw zasigu pola oddziaywasipowierzchni ciaa staego. Oddziaywanie tych si powoduje orientacj czste-

czek w warstwie granicznej, co zwiksza przestrzenne uporzdkowanie czsteczek

i ich upakowanie w jej objtoci. To z kolei zwiksza lepko i gsto cieczy

w strefie przypowierzchniowej. Wysoki stopie uporzdkowania, zwikszany

dodatkowo wysokimi cinieniami wystpujcymi w styku tarciowym, powoduje

rwnie zwikszenie oddziaywa midzyczsteczkowych; powstaje warstwa

ciaa quasi-krystalicznego. Oddalajc si od powierzchni warstwy wierzchniej

w gb rodka smarowego, oddziaywania powierzchni sabn, struktura warstwy

granicznej staje sicoraz mniej uporzdkowana, a jej czsteczki scoraz bardziej

ruchliwe. Trwao adsorpcyjnej warstwy zaley od siy jej wizania z po-

wierzchni tarcia mierzonej ciepem adsorpcji, iloci, stopniem upakowania

i uporzdkowania adsorbatu.Tworzenie cienkiej powierzchniowej warstwy granicznej zachodzi w wyniku

adsorpcji fizycznej i chemisorpcji oraz reakcji chemicznych skadnikw rodka

smarowego z powierzchni tarcia. Utworzone warstwy zapobiegaj wystpo-

waniu bezporedniego styku ciao stae ciao stae pary trcej, i w wyniku tego

powstawaniu sczepie adhezyjnych; tym samym zmniejszaj opory tarcia

i zuycie, przeciwdziaajrwniezacieraniu.

Tarcie mieszane jest rodzajem tarcia, w ktrym wystpuj oba typy

tarcia, tj. graniczne i pynne. Tarcie mieszane ma miejsce, podobnie jak


26/418


w tarciu granicznym, w wzach tarcia maszyn i urzdze, zwaszcza przy maych

prdkociach wzgldnych, duych naciskach oraz w stanach nieustalonych pracy

wza tarcia. W rzeczywistych wzach tarcia najczciej mamy wanie do

czynienia z tym rodzajem tarcia. W tych warunkach dochodzi do styku trcych

ciastaych w punktach najwyszych nierwnoci powierzchni, a udziay tarcia

pynnego oraz granicznego szmienne.

Procesy tribologiczne przebiegaj z najwiksz intensywnoci na po-

wierzchni tarcia i w warstwie podpowierzchniowej. Wpyw gbszych warstw

maleje w miar oddalania si w gb materiau pary trcej. W rozwaaniach

tribologicznych istotn rol odgrywa te warstwa wierzchnia styku

tarciowego, ktrdefiniuje si jako warstwmateriau styku tarciowego,

ograniczon z jednej strony powierzchni, a z drugiej granic wewntrz

materiau, okrelajc kres zaniku zmian fizykochemicznych i struktu-

ralnych spowodowanych zjawiskami tarciowymi na powierzchni tarcia.

Zmiany te wystpuj take na etapie wytwarzania wza tarcia w procesie

technologicznym. Std wyrnia siwarstwy technologiczne i eksploatacyjne.

Technologiczna warstwa wierzchnia w procesie tarcia w pewnych jej

obszarach na powierzchni i/lub w caej warstwie poddawana jest oddziaywa-

niom zewntrznym. Waciwoci tribologiczne warstwy wierzchniej sokrelone

przez jej waciwoci fizykochemiczne. Podstawow rol odgrywa struktura

metalograficzna, ktra okrela pozostae inne waciwoci, takie jak:

mechaniczne (twardo, plastyczno, naprenia wasne, wytrzymao

zmczeniowa, odpornona zuycie tribologiczne), chemiczne (adsorpcja, chemisorpcja, reakcje tribochemiczne, odpornona

korozj),

elektrochemiczne (odpornona korozjelektrochemiczn),

termofizyczne (przewodnocieplna, rozszerzalno, adhezja),

elektryczne,

magnetyczne.

W wyniku mechanicznych oddziaywa w tarciu na warstw wierzchni

technologiczntworzy siwarstwa eksploatacyjna i moe wystpipogorszenie

jej waciwoci tribologicznych.

W styku tarciowym mona wyrni trzy podstawowe przemiany:

mechaniczne, cieplne i fizykochemiczne, przebiegajce rwnoczenie z rn

intensywnoci.

1.1.4. Tarcie lizgowe i toczne

Ze wzgldu na rodzaj ruchu wystpuje gwnie tarcie lizgowe i toczne,

rzadko wiertne. Na rys. 8 przedstawiono schematycznie tarcie lizgowe

i toczne.


27/418


Rys. 8. Tarcie: a) lizgowe i b) toczne; strzaki wskazujkierunek dziaania si

Tarcie lizgowe jest to taki rodzaj tarcia, przy ktrym prdkoci obu

ciaw punktach ich wzajemnego styku s rne.Takie tarcie spotykane jest

w wielu elementach maszyn, jak np. w koach zbatych, oyskach lizgowych,

prowadnicach maszyn, ukadach tokowych, sprzgach i hamulcach.

Tarcie toczne wystpuje przy toczeniu si ciaa o ksztatach kulistym,

stokowym i cylindrycznym. W punkcie wzajemnego styku dwch cia,

prdkoci srwne, a czas trwania styku w przypadku ciasztywnych dy

do zera.Opory tarcia s tu odwrotnie proporcjonalne do promienia toczcego

si ciaa i wprost proporcjonalne do obcienia. Tarcie spoczynkowe w przy-

padku tarcia tocznego jest znacznie mniejsze ni tarcie kinetyczne. Tarciutocznemu towarzyszy z rnym udziaem tarcie lizgowe.

Wspczynnik tarcia tocznego jest znacznie mniejszy od wspczynnika

tarcia lizgowego. Warto wspczynnika tarcia tocznego zaley od waci-

woci sprystoplastycznych materiau oyska oraz od wartoci siy normalnej

(obcienia). Im wiksza twardostykajcych sicia, tym mniejsza warto.

Wspczynnik tarcia tocznego opisany jest wzorem:

rN

Mt

(40)

gdzie:

M= Tf,M moment tarcia [N m],T sia tarcia [N],

f odlegowypadkowej siy nacisku [m],

N obcienie oyska [N],

r promiekulki lub rolki [m].


28/418


1.2.TRIBOLOGIA,TRIBOCHEMIA,MIKRO/NANOTRIBOLOGIA

Jak wida ze wstpnych, wyej przedstawionych rozwaa, zjawiska

zachodzce w procesie tarcia s bardzo skomplikowane. Aby je lepiej

zrozumie, poczono wysiki w rnych dziedzinach nauki i techniki, ktre

wyksztaciy niezalen dyscyplin zwan tribologi. Pierwszy raz pojcie

tribologii pojawio siw 1966 r. w Anglii [10]. S trzy nieznacznie rnice

si midzy sob definicje. Ta podana niej oddaje najbardziej to, czym si

tribologia zajmuje.

Tribologia jest nauk i technik zajmujc si wspoddziaujcymi

powierzchniami we wzgldnym ruchu i wynikajcymi z tego zalenociamipodstawowymi i praktycznymi. Zajmuje siona opisem zjawisk fizycznych

(gwnie mechanicznych oraz cieplnych, elektrycznych i magnetycznych),

chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia.

Tribologia obejmuje badanie zjawiska tarcia w przyrodzie i technice,

w szczeglnoci zajmuje si poznaniem tego procesu w maszynach i urzdze-

niach. Przedstawiony na rys. 9 uproszczony model ukadu tribologicznego,

okrelony jest przez jego skadniki, ich waciwoci i wspoddziaywania

pomidzy nimi.

Zwykle ukad skada si z trzech elementw: ciaa staego (prbka),

przeciwciaa (przeciwprbka), skadnika wystpujcego midzy nimi (ciao

porednie trzecie ciao). Przeciwciao najczciej jest ciaem staym, moe

by rwnie ciecz, gazem albo ich mieszanin. Ukad (system) tribologiczny

skada si z elementw wza kinematycznego tworzcego par trc; jest on

w kontakcie z bliskim i dalekim otoczeniem. W ukadach technicznych ciaem

porednim s rodki smarowe, zawierajce rozpuszczone w nich skadniki

otoczenia (azot, tlen, wod, pyy itp.), oraz warstwy zaadsorbowane. Czasem

ciao porednie nie wystpuje.

Rys. 9. Uproszczony model ukadu tribologicznego


29/418


Dynamiczny w ostatnim dziesicioleciu rozwj mechanizmw urzdze

precyzyjnych i ukadw pamici komputerowych stawia bardzo wysokie

wymagania odnonie do zmniejszenia tarcia i zuycia wsppracujcych w nich

powierzchni tarcia. Procesy tribologiczne czsto decyduj o jakoci pracy,

niezawodnoci i trwaoci takich urzdze. Powane problemy tribologiczne

spotyka si w wytwarzaniu i eksploatacji ukadw pamici komputerowych

(skojarzenie gowica magnetyczny nonik informacji), w produkcji mikro-

ukadw elektromechanicznych (MEMS-w) oraz w produkcji i eksploatacji

wielu innych urzdzemechatroniki.

Wystpujce problemy tribologiczne czsto na poziomie czsteczkowym,

a nawet atomowym, wymagaj nowego podejcia do bada. Badaniami tymi

zajmuje si mikro/nanotribologia. Mikro/nanotribologia obejmuje badania

procesw tarcia i zuycia na poziomie od mikroskopowego do atomowego.

Rozszerzenie bada od makro- do nanoskali daje nowe spojrzenie na

podstawowe problemy tribologii [11]. Zrnicowanie roli poszczeglnych

czynnikw oddziaywajcych na tarcie w caym zakresie bada przedstawione

jest na rys. 10. Przechodzc od makro- do nanoskali, maleje znaczenie

waciwoci mechanicznych, a ronie rola powierzchni i w caym zakresie

rwniejej topografii, maleje skadowa tarcia mechanicznego, a ronie skadowa

adhezyjna. Przechodzc od nano- do makroskali, ronie cigle znaczenie

w tarciu ciepa.

Rys. 10. Kombinacje czynnikw oddziaywajcych na tarcie [11]

W konwencjonalnych ukadach tribologicznych tarcie jest zwykle skutkiem

odksztace mechanicznych i mikroniszczenia powierzchni, a szybkie i due

zuycie wystpuje z powodu znacznych obcie mechanicznych. Cakowita

eliminacja zuycia jest czsto koniecznym do spenienia warunkiem poprawnego

funkcjonowania systemu mikro/nanotribologicznego (i caego urzdzenia). Na

przykad w wypadku twardych dyskw magnetycznych pamici komputerowych


30/418


nie powinien wystpibd w odczycie informacji nawet po 10 000 000 obrotw

dysku, tzn. przy duej gstoci zapisu (obecnie rzdu 106bitw/mm

2) dopuszcza

sizuycie nonika rzdu jednej warstwy atomowej na 10100 km drogi tarcia.

Problemy mikro/nanotribologii wynikajnie tylko z wymiarw ukadw tribo-

logicznych i warunkw wsppracy elementw, lecz take z tego, e rozpatry-

wanie zjawisk rozciga siod skali mniejszej od 1 nm do wymiarw realnego

materiau. Szczegowe informacje o mikro/nanotribologii przedstawione s

w oddzielnym rozdziale tej ksiki.

Proces tarcia i zuycia przebiega pod wpywem energii mechanicznej.

Pod wpywem tej energii zachodz w obszarze tarcia procesy fizyczne

i chemiczne. Wiadomo, e wystpowanie napre w materiale, a szczeglnie

w warstwie powierzchniowej bardzo czsto wpywa na jego reakcje chemiczne

ze skadnikami otoczenia. Na pocztku poprzedniego stulecia Ostwald [12]

zauway, e energia mechaniczna wpywa na reakcje chemiczne. Chemi

zajmujc si reakcjami chemicznymi inicjowanymi energi mechaniczn

nazwamechanochemi. Podajej nastpujcdefinicj: mechanochemia jest

gazichemii zajmujcsichemicznymi i fizykochemicznymi zmianami

substancji o wszystkich stanach skupienia pod wpywem energii mecha-

nicznej.

Heinicke [13] podadefinicj tribochemii: tribochemia jest gazi nauki

zajmujcsichemicznymi i fizykochemicznymi zmianami ciaa staego pod

wpywem energii mechanicznej. Tribochemia wedug obecnego rozumienia

jest dziaem tribologii, ktry zajmuje si zjawiskami fizykochemicznymii reakcjami chemicznymi wystpujcymi w styku tarciowym, jest blisza

definicji mechanochemii. Reakcje tribochemiczne przebiegajnie tylko w styku

tarciowym, ale rwnie odgrywaj du rol w technologii chemicznej

i w procesach metalurgicznych.


31/418

2. Zuycie tribologiczne i jego rodzaje 31

2.ZUYCIETRIBOLOGICZNEIJEGORODZAJE

Zuycie tribologiczne jest to rodzaj zuycia powierzchni tarcia spowo-

dowany procesem tarcia. Jest to proces niszczenia i usuwania materiau

z powierzchni tarcia ciaa staego; nastpuje wtedy zmiana masy lub/i

wymiarw i ksztatw oraz struktury i waciwoci fizycznych trcych

elementw.

Na rys. 11. Przedstawiono ogln klasyfikacj procesw zuywania zewzgldu na przyczyny, przebieg i skutki.

Rys. 11. Oglna klasyfikacja procesw zuywania wedug kryterium:a przyczyn, b przebiegu, c skutkw

Przyczyny zuycia maj najczciej charakter mechaniczny, rzadziej mechaniczny poczony z oddziaywaniem chemicznym otaczajcego orodka.Wartoci zuycia s gwnie uzalenione od rodzajw procesw zuywania.Zuycie tribologiczne mona klasyfikowastosujc rne kryteria; jest to proceszoony zmieniajcy sizalenie od duej iloci czynnikw nawpywajcych.

Zuycie mierzy siwedug rwnania Archarda:

HkNI = (41)

gdzie:

I intensywno zuycia jako objto zuytego materiau przypadajca najednostkdugoci drogi lizgania,

k wspczynnik zuycia (zawsze mniejszy od 1),N obcienie normalne,H twardobardziej mikkiego materiau.


32/418


Istnieje kilka rodzajw zuycia tribologicznego. Na rys. 12 podane spodstawowe, elementarne procesy zuycia.

Rys. 12. Rodzaje zuycia [7]

W rzeczywistoci nie wystpuje tylko jeden rodzaj zuycia, towarzyszmuw wikszym lub mniejszym stopniu inne; omawiajc je, mamy na uwadze, etylko jeden z nich jest procesem wiodcym i to on decyduje o rodzajui wielkoci zuycia. Przedstawiony za Kosteckim [14] rys. 13 oraz tab. 1charakteryzuj intensywno niszczenia tarciowej warstwy wierzchniej przezrne rodzaje zuycia oraz zwizane z nimi wystpujce wspczynniki tarcia gbokooraz prdkojej niszczenia.

Rys. 13. Intensywno zuycia warstwy wierzch-niej metalowych czci maszyn wywoana rnymirodzajami zuycia: a utleniajce, b ciernemechaniczno-chemiczne, c cierno-korozyjne(fetting), d cieplne, e adhezyjne, f cierne(mechaniczne) [14]


33/418


Tabela 1

Charakterystyka poszczeglnych rodzajw zuycia [14]

Rodzaj zuyciaWspczynnik

tarcia

Gbokoniszczeniawarstwy wierzchniej

[mm]

Prdkoniszczeniawarstwy wierzchniej

[m/godz.]

Utleniajcecierne mechaniczno-che-

micznecierno-korozyjneCieplne

Adhezyjne

cierneZmczeniowe stykowe

(pitting)

0,010,1

0,050,3

0,101,0

0,540

0,11,0

0,0010,01

do 0,1do 0,5

do 34

do 1

do 0,5

do 5

0,050,1

do 0,5do 0,5

1015

15

0,550

Z analizy tych danych oraz podobiestwa zuycia tribochemicznego doutleniajcego wynika, e zuycie tribochemiczne, utleniajce i ciernemechanochemiczne ze wzgldu na intensywno s dopuszczalne w czasieeksploatacji maszyn; pozostae nios ze sob skutki katastrofalne i s nie do

przyjcia w prawidowej pracy wzw tarcia. Schematyczny opis czterechgwnych rodzajw zuycia zobrazowany jest na rys. 14.

Najczciej spotykanym rodzajem zuycia jest zuycie cierne, dominujcew warunkach tarcia suchego, obejmujce ok. 8090% wszystkich rodzajwzuycia tribologicznego. Jest to proces zwizany z waciwociami objtocio-

wymi materiau i jest wyczniemechanicznym procesem zuycia.Polega on zwykle na oddzielaniu

maych czstek materiau warstwywierzchniej w warunkach tarcia przez

wystpujce nierwnoci powierz-chni oraz obecne w obszarach tarcia

elementy speniajce rol cierniwa,twardsze od materiau powierzchnitrcych. Zwykle s to czstki cia

obcych lub produktw zuycia.Kiedy czsteczki te poruszaj sirazem ze rodkiem smarowym,

posiadaj one energi kinetycznpowodujc zuycie zwane ero-zyjnym.

Zuycie zmczeniowe przebiega wtedy, gdy wystpuje w warstwiewierzchniej dugotrwae, cykliczne oddziaywanie napre stykowych(sprystoplastycznych). Zuycie to jest spowodowane zmczeniem warstwy

Rys. 14. Gwne rodzaje zuycia,graficzny opis powstawania


34/418


wierzchniej, zwanym czsto zmczeniem powierzchniowym lub stykowym.Wystpuje ono przy wsppracy dwch cia sprystych o prosteji krzywoliniowej powierzchni tarcia lub powierzchniach krzywoliniowych,

stykajcych sipunktowo lub liniowo, gdzie zachodzi tarcie toczne lub toczeniez polizgiem.

Zuycie cierno-korozyjne (fretting) jest zjawiskiem niszczenia warstwy

wierzchniej, polegajcym na powstawaniu miejscowych ubytkw materiauw elementach poddanych dziaaniu drgalub niewielkich polizgw przy ruchu

postpowo-zwrotnym, w wyniku cyklicznego oddziaywania obcie orazintensywnego korozyjnego oddziaywania rodowiska. Bezporedniprzyczynfrettingu jest oddziaywanie mechaniczne. Cech charakterystyczn tegooddziaywania s silne wpywy korozyjne towarzyszce wszystkim stadiomniszczenia. Produktami zuycia cierno-korozyjnego s na og tlenki metalio stosunkowo duej twardoci, dziaajce jako cierniwo.

W czasie tarcia lizgowego, dla maych wzgldnych prdkoci i duychnaciskw, moe wystpizuycie adhezyjnena skutek powstawania poczeadhezyjnych w rzeczywistym styku powierzchni oraz ich cinania przy ruchuwzgldnym powierzchni. Wystpuje ono w mikroobszarach plastycznegoodksztacenia powierzchni warstwy wierzchniej, a szczeglnie na wierzchokachnierwnoci. Warunkiem wystpienia sczepienia jest zblienie wsppra-cujcych powierzchni na odlego mniejsz od zasigu dziaania simolekularnych oraz brak warstw adsorbowanych lub tlenkowych, majcych

wizania o charakterze niemetalicznym i dlatego nie wykazujcych skonnocido tworzenia zcz adhezyjnych. Zuycie adhezyjne wystpuje zwykle przystyku dwch powierzchni metalicznych. Im wiksza energia powierzchniowametali, tym atwiej zachodzi i jest mocniejsze sczepienie adhezyjne.Zwikszenie tej energii uzyskiwane jest przez wzrost temperatury powierzchnistyku i zgniot.

Odmian opisanego zuycia adhezyjnego jest zuycie cieplne, zwane tesczepianiem II rodzaju. Wystpuje ono przy duych prdkociach wzgldnychwsppracujcych lizgowo powierzchni oraz przy duych obcieniach, ktrymtowarzyszy wysoka temperatura powierzchni. Jest ono spowodowane niedosta-

tecznym smarowaniem lub przerwaniem warstwy rodka smarowego, nagrza-niem si powierzchni trcych, w nastpstwie ktrego nastpuje wzrost

plastycznoci powierzchni, a nawet nadtapianie metalu. Trwae poczeniemetaliczne powstaje w wyniku dyfuzji atomw z jednej na drugpowierzchnitarcia; powstajwtedy tzw. zrosty tarciowe. Przy zuyciu cieplnym wystpujzespawania (mikrosczepienia cieplno-adhezyjne) i cinanie pocze adhezyj-nych w obszarze styku. Wzrost intensywnoci podanych obu rodzajw sczepiemoe spowodowa proces lawinowy, ktry doprowadza do powanychuszkodzewsppracujcych powierzchni elementw urzdzemechanicznych,a take moe spowodowaich zacieranie i zespawanie.


35/418


Reakcje tribochemiczne przebiegajce w strefie tarcia nie majwpywu (lubtylko minimalny) na przebieg zuycia ciernego, zmczeniowego i cierno--korozyjnego (frettingowego). W przeciwiestwie do tych rodzajw zuycia,w zuyciu tribochemicznym, a szczeglnie w adhezyjnym, przebiegajce tamreakcje tribochemiczne odgrywaj bardzo du rol w ich zmniejszaniu. Stdszerzej omwione bd zjawiska adhezji metali oraz znaczenie adsorpcjifizycznej, chemicznej i reakcji tribochemicznych w przeciwdziaaniu tymrodzajom zuycia.

Zuycie tribochemicznemoe byscharakteryzowane przez styk tarciowydwch powierzchni cia staych reagujcych tribochemicznie ze skadnikamiciaa poredniego i rodowiska; produkty reakcji s stale tworzone i usuwanez powierzchni tarcia.

Zuycie tribochemiczne zalene od rodzaju dominujcego zuyciatowarzyszcego i sposobu jego powstawania mona podzielina cztery rodzaje:

adhezyjne zuycie wierzchokw nierwnoci z jednoczesnym usuwaniemutworzonych tlenkw (jest to zuycie utleniajce);

cierne, reakcje chemiczne metalu ze skadnikami otoczenia dajwarstwprzeciwzuciow, zmniejszajc metaliczny styk; produkty reakcji s cieranez powierzchni tarcia;

zmczeniowe, pkanie warstwy reakcyjnej pod wpywem duego naciskui mikrozmczenia prowadzi do powstawania produktw zuycia;

cierne, cieranie warstwy przeciwzuyciowej przez produkty zuycia.

Uszkodzenie powierzchni tarcia i straty masy s spowodowane przezpowtarzajce si wystpowanie wymienionych czterech procesw. Kinetykatworzenia warstwy reakcyjnej i jej trwao, okrelana przez jej plastyczno,wytrzymao i adhezj do metalu, maj wpyw na wielko zuyciatribochemicznego. Szybko tworzenia warstwy zaley od reaktywnociskadnikw rodka smarowego, gwnie dodatkw uszlachetniajcych,z powierzchni tarcia. Reaktywno ta jest zwikszana przez procesy tarcia.Rysunek 15 przedstawia zaleno wielkoci zuycia od chemicznejreaktywnoci skadnikw rodka smarowego. W wyniku powstawania warstwreakcyjnych maleje udzia zuycia adhezyjnego; dla pewnej reaktywnocichemicznej wystpuje najnisze zuycie tribochemiczne; z dalszym wzrostemreaktywnoci chemicznej powstaje coraz grubsza warstwa reakcyjna. Gruba

i krucha warstwa reakcyjna w procesie tarcia prowadzi do zwikszenia ilocidziaajcych ciernie produktw zuycia, zuycie wwczas wzrasta. Obserwo-wane przejcie od zuycia adhezyjnego przez tribochemiczne do ciernegozwizane jest ze wzrostem chemicznej reaktywnoci dodatkw rodkasmarowego. Chemiczna reaktywno niezbdna do osignicia minimalnegozuycia zaley od obcienia styku lizgowego (nacisk i temperatura) oraztwardoci warstwy. Twardsze warstwy mog zmniejsza zuycie triboche-miczne, ale mogrwnieintensyfikowazuycie cierne.


36/418


Rys. 15. Wpyw reaktywnoci dodatkw na wielkozuycia tribochemicznego

Zuycie przez utlenianie (rodzaj zuycia tribochemicznego) napowierzchni tarcia adsorbuje sitlen, ktry reaguje z metalem, tworzc warstwytlenkowe, ktre smechanicznie usuwane w wyniku cierania i odkruszania od

powierzchni metalu. Zuycie przez utlenianie, czsto okrelane mianem zuycianormalnego, jest uwaane za dopuszczalny proces zuycia ze wzgldu nanajmniejsz jego intensywno. W procesie utleniania elaza tworz si jegotlenki: Fe2O3, Fe3O4, FeO. Twardo stref utlenionych na stali jest wiksza nimateriau rdzenia lub materiau rdzenia umocnionego; w przypadku utlenionegoaluminium wystpuje kilkakrotny wzrost twardoci jego tlenku. Intensywno

procesu zuycia przez utlenienie zaley od: chemicznej aktywnoci skadnikwpowierzchni tarcia, szybkoci dyfuzji tlenu do nich oraz jego atomw poprzezwarstwtlenkw, waciwoci utworzonych warstw tlenkw. Ostatecznie mona

stwierdzi, e intensywnoprocesw zuycia przez utlenienie, identycznie jakdla innych form zuycia tribochemicznego, jest zalena od wielu zjawiskfizykochemicznych i reakcji tribochemicznych wystpujcych w tarciu. Zuycieutleniajce ma miejsce obok zuycia zmczeniowego przy tarciu tocznym orazlizgowym tarciu granicznym i technicznie suchym.

Zuycie wodorowe jest odmian zuycia, w ktrym w niewielkim stopniumaj udzia reakcje tribochemiczne (tworzenie wodoru); jego natura jestcakowicie odmienna od omawianych rodzajw zuycia. Zuycie wodorowespowodowane jest adsorpcj na powierzchni tarcia wodoru i jego dyfuzjw gb warstwy wierzchniej. Wodr przy okrelonym steniu i przy wysokiejzdolnoci dyfuzji rozpuszcza si praktycznie we wszystkich metalach(z wyjtkiem zota i rtci), wywouje zmian ich fizycznych, mechanicznych

i eksploatacyjnych waciwoci, i w nastpstwie przedwczesne zuycie. Przydyfuzji wodoru w gb warstwy przypowierzchniowej i przy jednoczesnymduym odksztaceniu materiau powierzchni wodr wypenia puste przestrzeniew zdefektowanej strukturze. Cykliczne powstawania przemieszczajcej si falinapre (rozciganie-ciskanie) potguje nasycenie wodorem odksztaconych

przy tarciu przypowierzchniowych objtoci materiau. W nastpstwie tychprocesw fizycznych wystpuje rozrzedzenie struktury materiau powierzchni.Zatrzymanie wodoru w obecnych i tworzcych si w procesie tarcia,,puapkach prowadzi z upywem czasu do wzrostu iloci w warstwach


37/418


powierzchniowych wodoru i w nastpstwie do znacznego zwikszeniawewntrznych naprei zmniejszenia ich odpornoci na zuycie.

Szczeglnie wyrazicie zuycie wodorowe przebiega w wzach tarciamaszyn, mechanizmw i technologicznych urzdze chemicznych, naftowych,mikrobiologicznych i medycznych, w ktrych wystpuje lub wydziela siwodr. Przy zmianie zawartoci wodoru w stali z 5 105do 15 105m3/kgintensywno jej zuywania zmienia si wicej ni o dwa rzdy. W rnych

procesach technologicznych operacji (nawglanie, hartowanie, mechanicznaobrbka itd.) zachodzi nasycenie obrabianych elementw wodorem. Operacje

technologiczne w rnym stopniu wpywajna zawartowodoru w obrabianymelemencie. I tak wzrost wodoru powoduj(wedug kolejnoci): fosforanowanie,oksydowanie, pokrycie twardym chromem, chromem porowatym, molibde-

nowanie. Stwierdzono, e w procesie dugotrwaej eksploatacji steniezwizanego wodoru w warstwie wierzchniej ronie. Oddziaywanie atomwwodoru z rnymi rodzajami defektw metalu, a take polami jegowewntrznych napre, np. w pobliu mikropkni, posiada wane znaczeniew najbardziej istotnych zmianach wasnoci mechanicznych, ktre okrelajjegoodpornona zuycie. W tarciu z udziaem reakcji tribochemicznych powstajewodr, ktry moe rwnie powodowa zuycie wodorowe. Warunki pracysilnika (1012 MPa, 3000 K) prowadzdo termomechanicznej destrukcji wglo-wodorw paliwa i oleju smarowego z tworzeniem wolnego wodoru i nastpnie

jego adsorpcji na powierzchniach tarcia. W temperaturze 400500 C moe

zajreakcja wglowodorw z wodz wydzieleniem wodoru:

(42)

Katalizatorami tej reakcji s tlenki metali (np. Fe2O3, CuO), sole kwasworganicznych i nieorganicznych. Rwnie dodatki siarkowe mog tworzyw beztlenowych warunkach siarkowodr, ktry reaguje z elazem, tworzcsiarczek elaza i atomowy wodr:

(43)

Na powierzchniach tarcia mog take przebiega reakcje elektrochemiczne

z wydzieleniem wodoru. Wiadomo, e molekularny wodr take przy wysokichcinieniach nie dyfunduje w metal. Dlatego konieczna jest jego dysocjacja naatomy: H2H 2 . Zatem stenie rozpuszczonego wodoru na powierzchni

elementu bdzie zalee od cinienia molekularnego wodoru i stopnia jegodysocjacji, ktry zmienia siz temperatur. Nasycenie metali wodorem zachodzinie tylko na drodze cieplnej dysocjacji wodoru molekularnego w fazie gazowej,

lecz i jego dysocjacji na powierzchni metalu w nastpstwie wystpowaniakatalitycznego oddziaywania tak skadnikw rodka smarowego, jak i samego

H2S+ Fe FeS + 2H

C n H 2 n +2

+ n H 2 O nCO + (2n+1)H2


38/418


metalu. Przy stosunkowo niewysokiej temperaturze tarcia (180220 C)

obserwuje si intensywn dyfuzj wodoru w metalu dlatego, e prdkorozpadu czsteczek wodoru na atomy na powierzchni metalu jest wielokrotniewiksza ni w fazie gazowej. Ta okoliczno ma wane znaczenie, gdynasycenie i przenikanie wodoru w metal okrela prdkoprzebiegu procesw

powierzchniowych przy tarciu na granicy rozdziau faz i ich zuywanie. Ponadtoju przy bardzo maym pokryciu powierzchni metalu wodorem lub tlenemobserwuje si silne zmniejszenie na niej wielkoci adsorpcji organicznychsubstancji (dodatkw uszlachetniajcych rodki smarowe). Wynikiem tego moe

bypogorszenie waciwoci przeciwzuyciowej warstwy granicznej i w efekciezwikszenie zuycia powierzchni tarcia. Wicej informacji na temat zuyciawodorowego mona znale w ksice P. Kuli [15] i pracy habilitacyjnejL. Starczewskiego [16].

aden pojedynczy mechanizm zuycia nie wystpuje przy zmieniajcych siwarunkach tarcia. Zwykle ma miejsce kilka rodzajw zuycia, ktre zmieniajsi przy zmianie warunkw w styku tarciowym. Zmiany te mona za-obserwowa na mapie zuycia (rys. 16) jako zaleno znormalizowanego

nacisku

H

P od prdkoci lizgania. Przedstawiona poniej mapa (rys. 16)

wykonana zostaa dla ukadu: stal stal w kontakcie tarciowym: trzpie tarczaw temperaturze pokojowej i w atmosferze powietrza.

Rys. 16. Mapa zuycia; przejcia pomidzy rodzajami zuycia zalenie od nacisku i prdkocilizgania powierzchni stalowych [8]


39/418


Mapa, jak wida, moe by podzielona na powierzchnie odpowiadajcernym rodzajom zuycia, zalenie od prdkoci lizgania i naciskw, dlazmieniajcego si, od intensywnego do agodnego, zuycia utleniajcego przywyszych prdkociach lizgania i niszych cinieniach. Dla tych samychnaciskw, przy mniejszych prdkociach lizgania, wystpuje zuyciemechaniczne; agodne przy maych cinieniach i intensywne przy wikszych. Na

powierzchni tarcia powstaje wwczas bardzo cienka warstwa tlenkw, ktra nie

wykazuje adnego wpywu na zuycie. Ze wzrostem prdkoci lizganiazwiksza si szybko utleniania, tlenki elaza przeciwdziaaj nadmiernemuzuyciu. Przy jeszcze wikszych prdkociach (ok. 1,0 m/s) wystpuje w wskimzakresie prdkoci nadmierne utlenianie i wtedy zuycie powierzchni jest bardzodue. Dla wszystkich prdkoci lizgania i powyej pewnych naciskwwystpuje zacieranie, a dla pewnego zakresu najwikszych prdkoci lizgania intensywne zuycie poprzez stopienie metalu.

W zmniejszaniu zuycia tribologicznego decydujce znaczenie majwarstwy wierzchnie par tarciowych otrzymane w procesie technologicznym

i ksztatowane w czasie eksploatacji. Technologiczna warstwa wierzchniapowinna byodporna na te rodzaje zuycia, ktre sdominujce w pracy wzatarcia i z jej udziaem. Eksploatacyjna warstwa wierzchnia formowana jestostatecznie w czasie pracy wza tarcia z udziaem rodkw smarowych.Warunki pracy tego wza oraz skad rodka smarowego okrelaj jako

powierzchni wierzchniej warstwy eksploatacyjnej, a w konsekwencji trwao

i niezawodno pracy urzdzenia mechanicznego czy te maszyny. Oglniemona stwierdzi, i naley stosowa takie techniki wytwarzania warstwtechnologicznych, ktre umoliwiajpracw warunkach tarcia bezzuyciowego,

bardzo trudnego do uzyskania, a w przypadkach tarcia zuyciowego zmniejszajintensywnozuycia, pozwalajna przenoszenie duych naciskw

jednostkowych oraz nie dopuszczaj do zuycia ciernego, adhezyjnegoi cieplnego. Zmniejszenie zuycia tribologicznego na etapie technologii osigasi przez wytworzenie warstwy wierzchniej optymalnej dla okrelonychwarunkw pracy wza tarcia (obcienie, temperatura, rodowisko), waciwydobr materiaw i konstrukcji elementw pary trcej. Technologiczne warstwywierzchnie musz mie wiksz efektywn grubo warstwy utwardzonej odgbokoci wystpowania maksymalnego naprenia stykowego. Zuycie bdzie

mniejsze, gdy warstwa technologiczna bdzie miaa wysokkohezj, odpornokorozyjn i inne waciwoci szczeglne, suszne dla okrelonych rodzajwzuycia.

Warstwy technologiczne odporne na zuycie cierne ksztatuje si przezdobr materiau elementu wza tarcia oraz zwikszanie twardoci warstwywierzchniej powyej twardoci ziaren cierniwa (pyu, kurzu, tlenkw)

poprzez: hartowanie powierzchniowe, obrbk cieplno-chemiczn (nawgla-nie, azotowanie, borowanie), napawanie, natryskiwanie cieplne, powokigalwaniczne.


40/418


Przy zuyciu zmczeniowym warstwa wierzchnia musi mie podwy-szon granic plastycznoci, osigan przez jej obrbk ciepln lub po-wierzchniow.

Zwikszenie odpornoci warstwy na zuycie adhezyjne osiga si przezzwikszenie jej twardoci i zmniejszenie plastycznoci. Przypowierzchniowastrefa ekranujca siy powierzchniowe metalu o maej wytrzymaoci nacinanie, silnie zwizana z podoem, o dobrej przewodnoci cieplnej i duejwytrzymaoci na ciskanie, zapobiega zacieraniu.

Zacieranie mona okreli jako zbir zjawisk wystpujcych w wle

lizgowym, zlokalizowanych gwnie w gbi warstwy wierzchniej, po-

wodujcych zwikszone i niestabilne tarcie, ktre moe doprowadzi do

zatarcia (zespawania).

W procesie eksploatacji wza tarcia w czasie docierania i waciwejeksploatacji formuje si powierzchnia warstwy wierzchniej, w ktrej udziarodka smarowego jest bardzo duy. Efektywno rodkw smarowych zaleyod ich waciwoci reologicznych, chemicznych i powierzchniowych orazwaciwoci materiau powierzchni tarcia. Mechanizmy oddziaywania rodkasmarowego z powierzchniwarstwy wierzchniej i tworzenie warstwy granicznejs bardzo zoone. Od nich bardzo zaley zuycie powierzchni tarcia orazwielkowystpujcych oporw tarcia. Rola rodka smarowego jest najwiksza

przy zmniejszaniu i eliminowaniu zuycia adhezyjnego, w miejsce ktregowystpuje zuycie utleniajce i tribochemiczne. Obie ostatnie formy zuycia

muszbyjednak minimalizowane.


41/418

3. Adhezja 41

3.ADHEZJA

3.1. ADHEZJA CIASTAYCH

Adhezj nazywamy makroskopowe zjawisko wzajemnego trwaego

czenia gazw z powierzchniciastaych i cieczy, dwch powierzchni ciastaych oraz przylegania dwch powierzchni cieczy przy ich zblieniu na

bardzo mae odlegoci zachodzce w wyniku dziaania si midzymole-

kularnych. Adhezja takich samych ciastaych jest odmianadhezji zwankohezj. Natura adhezji jest chemiczna lub fizyczna. Adhezja chemiczna jestspowodowana wystpowaniem siprzyci gania: kowalencyjnych, jonowych lubelektrostatycznych, metalicznych i wodorowych. Adhezja fizyczna ma miejscewwczas, gdy pomidzy ciaami staymi wystpuj si y przycigania van derWaalsa i kapilarne. W procesie tarcia powstaj na powierzchniach adunkielektryczne jako efekt triboelektryczny. adunki te zwikszaj si y jonowepowierzchni, co sprzyja powstawaniu siy styku adhezyjnego.

Zasig dziaania i wielkowy ej wspomnianych si, powodujcych powsta-

wanie poczenia adhezyjnego s zr nicowane, co wida na rys. 17, gdziepokazane sdane dla si jonowych i van der Waalsa.

Rys. 17. Siy jonowe, van der Waalsa (vdw) i cakowite siy przycigania na jednostkpowierzchniw funkcji odlegoci rozdzielenia pomidzy dwiema rwnolegymi pytkami w kadym ich punkcie [17]


42/418


W wyniku tego oddziaywania tworzsi wi zania midzypowierzchniowe,powstaje poczenie adhezyjne, ktre wystpuje bardzo czsto w stykachtarciowych i, jak napisano wczeniej, jest przyczyn bardzo du ego wkaduenergii na pokonanie oporw tarcia oraz nadmiernego zuywania i uszkodzeniapowierzchni tarcia.

W czasie zbliania do siebie dwch ciao doskonale g adkich powierzchniach,w wyniku zmniejszenia odlegoci rosn si y midzymolekularne, ktre pro-wadz do utworzenia trwa ego styku atomowego. Dla ponownego rozdzieleniatych cia nale y wykona okre lon prac , ktr nazywamy prac adhezji.Utworzenie styku pomidzy dwoma ciaami, zachodzce w wyniku dziaania simidzyfazowych (siwewn trznych) lub zewntrznego obcienia mechanicznego(sizewn trznych), prowadzi do deformacji powierzchni ciaa charakteryzujcegosi w aciwociami sprystymi lub lepkoplastycznymi, czyli ciaa o niszymmodule sprystoci. Wielkoci sprystych odksztace s ma e dla cia o wy-sokich moduach sprystoci i znaczne, a tym samym mierzalne, dla ciao niskich moduach. Wszystkie te czynniki musz by brane pod uwag przybadaniu i opisie zjawiska adhezji.

Przed przystpieniem do rozwaa nad rol adhezji w procesie tarciai smarowania nieodzowne jest omwienie jej rodzajw, a szczeglnie uy-wanych jednostek do okrelania jej wielkoci.

W adsorpcji gazw na adsorbentach mierzona jest energia adsorpcjiw elektronowoltach [eV] lub w dulach [J] na mol i ilomoli zaadsorbowanych,

zwizanych adhezyjnie na jednostkpowierzchni. Zwilanie powierzchni ciaa staego cieczmierzone jest k tem zwilania. Makroskopowa sia przycigania pomi dzy dwiema powierzchniami

w styku (np. koalescencja czsteczek lateksu w emulsji farb lub zapocztkowanieprocesu spiekania materiaw ceramicznych), generalnie trudna do zmierzenia,mierzona jest w niutonach [N].

Przyleganie albo zewntrzna sia rozdzielania (jako ciowo jest to innasia niw przyci ganiu) mierzona jest rwniew niutonach [N].

Praca lub energia adhezji mierzona jest w d ulach na jednostkpowierzchni [J/m2]. W zasadzie jest to parametr materiaowy wystpujcyszczeglnie pomidzy fazami: ciao stae ciao stae, przez analogi z energi powierzchniowpojedynczego cia a staego.

Dla powok i klejonych pocze u ywa si poj cia normalnych lubpoprzecznych siniszcz cych poczenia adhezyjne krytyczne obcienie lubwytrzymaona cinanie i rozciganie.

Dla potrzeb analizy adhezji w tej ksice stosowane bd zamienniejednostki pracy lub energii adhezji. Czasem okrelane s w tek cie w skrciejako adhezja, ale w rozumieniu praca lub energia adhezji. Za autoramicytowanych w ksice publikacji stosowane srwnie poj cia siy adhezji.

Energia adhezji dla czystych metali zawarta jest w zakresie 13 J/m2, dlamateriaw ceramicznych 0,10,5 J/m2, a dla polimerw poniej 0,1 J/m2.


43/418

3. Adhezja 43

W utworzonym poczeniu adhezyjnym pomidzy ciaami A i B o swobod-nych energiach powierzchniowych na jednostk powierzchni, obu powierzchniprzed stykiem, odpowiednio A i B sk ada si z powierzchni styku AB o swo-bodnej energii powierzchniowej AB, praca adhezji tego poczenia opisana jestwzorem:

WAB= = A + B AB


44/418


Adhezja charakteryzuje si z oonoci zjawisk, ktre wp ywaj na si poczenia adhezyjnego. Zgrzewanie, spiekanie i szereg innych zjawisk wyst-pujcych w tarciu mogwp ywana warto si y adhezji utworzonego sczepie-nia adhezyjnego.

Temperatura powierzchni styku adhezyjnego odgrywa bardzo du rol .Wpywa ona na ruchliwo powierzchniowych atomw, ich dyfuzj oraz namoliwowyst pienia wzajemnego rozpuszczania sipowierzchni.

Rozrnia si dwa rodzaje adhezji: niskotemperaturow i wysokotempe-raturow. Pierwsza wystpuje, gdy T < 0,3Tm, natomiast druga, gdy T > 0,3Tm,gdzie T jest temperatur bezwzgl dn, w ktrej zachodzi adhezja, a Tm jesttemperatur bezwzgl dn odpowiadaj c temperaturze topnienia wyst pujcegow poczeniu adhezyjnym atwiej topliwego materiau ciaa staego. Nie zawszeadhezja niskotemperaturowa przebiega dokadnie przy T < 0,3Tm; ekwiwalentnado temperatury jest dugo czasu styku. Przy odpowiednio d ugim styku nisko-temperaturowe zcze adhezyjne moe miew aciwoci adhezyjnego poczeniawysokotemperaturowego. Sia adhezji wzrasta z obnianiem temperatury topnie-nia i wzrostem stopnia czystoci powierzchni ulegajcych poczeniu adhe-zyjnemu. Poczenia adhezyjne dwch metali s cz sto cinane nie w ich styku,a w jednym z metali, ktrego siy kohezji s mniejsze ni si y poczeniaadhezyjnego. Zjawisko to bardzo czsto wystpuje w procesie przeniesieniametalu z jednej powierzchni na drug. W procesie cinania tego typu jestwystarczajca iloczasu i wydzielaj cego siciep a, aby termicznie aktywowane

procesy w materiale wpyway na si tego po czenia adhezyjnego. Dlategoczsto w czasie procesu cinania sczepienia adhezja niskotemperaturowaprzechodzi w wysokotemperaturow. Sia adhezji ronie ze wzrostem obcieniadwch cia b dcych w styku adhezyjnym, maleje przy wystpowaniu napowierzchni produktw reakcji, np. tlenkw, jak widana rys. 18 [18].

Pomidzy czystymi pytkami elaza i miedzi ze wzrostem obcienia siaadhezji ronie; przy wystpowaniu na powierzchni miedzi warstwy tlenkowejwzrost siy adhezji rwniewyst puje, ale przy wikszych obcieniach. Wielewynikw bada potwierdza zmniejszenie si y adhezji pod wpywem utlenieniapowierzchni przed uzyskaniem sczepienia adhezyjnego. Jak wida na rys. 18,

przy obcieniach mniejszych od pewne-go obcienia, nazwijmy go progowym

(ok. 60 105

N), adhezja pomidzy tlen-kiem miedzi i elazem jest staa i bardzomaa, powyej tej wartoci ronie z obci-eniem.

Rys. 18. Wpyw obcienia na si adhezji uk adupytek: mied elazo, tlenek miedzi elazo [18]


45/418

3. Adhezja 45

Pashley i wsppracownicy [19] stwierdzili rwnie wzrost adhezji podwpywem obcienia dla powierzchni wolframu z niklem, czystych i pokrytychpowierzchni niklu monowarstwtlenku o grubo ci 5 nm.

Rys. 19. Wpyw obcienia na siadhezji: czyste powierzchnie metali, warstwa tlenku na niklu [19]

Na rys. 19 wida, e sia adhezji ronie ze wzrostem obcienia powyejpewnej jego wartoci (20 N) i zawsze jest ona mniejsza od przyoonegoobcienia. Dla obciedo ok. 5 N sia adhezji jest niezalena od nich. Przypokryciu powierzchni krysztau niklu monowarstw tlenku si a adhezji jest od

dwch do trzech razy mniejsza ni przy powierzchni czystej. Dalsze badaniagrubszej warstwy wykazay, e warstwa tlenkowa o wikszej gruboci powodujezmniejszenie plastycznoci styku, a nie energii powierzchniowej. To zmniej-szenie plastycznoci jest spowodowane tym, e tlenki przeciwdziaaj ruchowidyslokacji w metalu blisko midzyfazy i dlatego, e naprenie cinajcewystpuje w twardszej warstwie tlenku. Dla powierzchni chropowatej i przystosunkowo maym obcieniu twardo warstwy tlenkowej jest wi ksza nimetalu, wierzchoki nierwnoci nie powoduj przerwania warstwy tlenkowej,rozrywanie jest typu zomu kruchego. Przy duych obcieniach naciskinormalne wierzchokw nierwnoci na powierzchni powoduj przerwaniewarstwy tlenkowej i dochodzi do stykw metal metal, sia adhezji osigapoziom powyej 240 10 5 N rwny sile adhezji czystego metalu.

Podobnie, przy styku powierzchni elaza pokrytych siarczkiem elaza: zewzrostem pokrycia maleje sia adhezji, przy niszych stopniach pokrycia (jednawarstwa FeS) wystpuje wzrost siy adhezji przy maych obcieniach,natomiast w obecnoci na powierzchni wikszej iloci warstw FeS (10 warstw)sia adhezji zaczyna rosndopiero przy dwukrotnie wi kszym obcieniu. Przypokryciu powierzchni 50 warstwami FeS w badanym zakresie obcie niewystpuje wzrost siadhezji (rys. 20) [20].


46/418


Rys. 20. Wpyw adsorpcji siarkowodoru na adhezjpowierzchni elaza [20]

W przypadku czystych powierzchni rozerwanie poczenia adhezyjnego jesttypu plastycznego, a w obecnoci rwniepo czetlenkowych towarzyszy murozerwanie typu kruchego [21]. Istnieje pewien krytyczny stopie pokryciatlenkiem, w ktrym nastpuje przewaga jednego typu niszczenia poczeniaadhezyjnego nad drugim. W adhezji mog wyst powa dwa typy oddzia ywaprzycigajcych:

oddziaywanie dalekiego zasigu (ok. 100 nm); elektryczne, van der Waalsa, oddziaywanie krtkiego zasigu (ok. 1 nm); oddziaywania wizameta-

licznych i typu chemicznego.W przypadku adhezji metali istotne s oddzia ywania krtkiego zasigu.

Sia cinania sczepienia adhezyjnego F typu plastycznego jest opisana rwna-niem (3):

F= Arzecz Sc

lub

F= kArzecz

n (47)

gdzie:Arzecz rzeczywista powierzchnia styku adhezyjnego, k wsp czynnik ksztatu,n wytrzyma ona rozci ganie.

Publikowane wyniki bada si adhezji prawie zawsze ujmuj jej zale no od obcienia, nie uwzgldniajnatomiast chropowato ci powierzchni i wpywuczasu. Z dotychczasowych rozwaawynika wniosek generalny, e adsorpcja,


47/418

3. Adhezja 47

chemisorpcja i warstwy reakcyjne zmniejszaj adhezj i zmieniaj cinaniepoczenia pod wpywem siz plastycznego na kruche. Warstwy chemisorpcyjnelub reakcyjne zmieniajenergi powierzchniow rwnie poprzez zmian :

powierzchni rzeczywistej styku, topografii powierzchni wokpowierzchni styku.Jak ju wspomniano, wzrost temperatury powierzchni zwi ksza adhezj

(patrz rys. 21 [22]). Wspczynnik adhezji, definiowany jako stosunek siyadhezji do obcienia, ronie znacznie po przekroczeniu 0,3 Tm.

Rys. 21. Zalenowsp czynnika adhezji od stosunku temperatury powierzchni (T)do temperatury topnienia Tm[22]

Przy tego typu adhezji: przerwanie sczepienia jest zawsze typu plastycznego i wartosi y adhezji

jest zalena od rzeczywistej powierzchni styku i naprenia cinajcego, jakw rwnaniu (3),

wystpuje wiele zjawisk cieplnie aktywowanych.Metale wykazuj w aciwoci sprystoplastyczne do T 0,3Tm i lepko-

plastyczne powyej T 0,3 Tm. Przy wyszej temperaturze pojawia si napowierzchniach styku wiele zjawisk fizycznych i chemicznych, takich jak:zwikszona ruchliwo dyslokacji, dyfuzja w ciele sta ym na powierzchni,reakcje chemiczne z otoczeniem, zmienia si plastyczno materia u i jegozdolnodostosowania si do napr ei wymuszonych odkszta cebez makro-skopowej dekohezji (pknicia, dziury). Atomowa warstwa powierzchniowabdca w styku tarciowym zmienia swoje waciwoci, takie jak: skad, energiapowierzchni itp. Rwnienast pne warstwy pod powierzchni reaguj na naciskiobjawiajce si zwielokrotnieniem dyslokacji, utwardzeniem, rekrystalizacj ,


48/418


zmianstruktury, zmian w sk adzie stopw, zmianami rozkadu faz dla stopwwielofazowych. Te wszystkie zmiany modyfikuj nie tylko mechanicznewaciwoci materiau, powierzchni, ale i szybkopowstawania po czenia orazwielkoadhezji.

Podobnie jak w adhezji niskotemperaturowej, w adhezji wysokotempera-turowej rodzaj i czystopowierzchni, zewn trznie wytworzone pola napre,chropowato maj ten sam wp yw na adhezj. W adhezji wysokotempera-turowej si adhezji rwnie wyra a wzr (3), ktrego skadniki zmieniaj si zalenie od warunkw wystpowania adhezji:

powierzchnia rzeczywista styku Arzecz wzrasta ze wzrostem czasu stykui temperatury;

naprenie niszczce sczepienie Sc zmniejsza si , kiedy czas trwaniacinania i temperatura wzrastaj.

Nie zawsze chemisorpcja zmniejsza adhezj [23]. Obecno niektrychadsorbatw na powierzchni prowadzi do znacznego wzrostu dyfuzji atomw.Zwikszenie wspczynnika dyfuzji metalu o 1000 razy odpowiada zwielo-krotnieniu czasu styku te 1000 razy. Obecno chemisorpcyjnej warstwychloru na elazie w temperaturze 600 C w czasie 1 s powoduje omiokrotnezwikszenie powierzchni styku, pomimo trzykrotnego zmniejszenia energiipowierzchniowej.

Generalnie obecnochemisorpcyjnej warstwy ekranuje silne oddzia ywaniaprzycigajce. Wystpujwtedy tylko s abe oddziaywania typu van der Waalsa,

a rozpraszanie energii w cinaniu jest bardzo obnione. Chemisorpcja napowierzchni moe spowodowadwa typy zjawisk: bardzo silny wzrost dyfuzji atomw obecnych na powierzchniach tarcia

w wyszych temperaturach (T > 0,4 Tm), ktry moe wpywa na wzrosttworzonych mikropowierzchni styku;

zmniejszenie przenoszenia naprena powierzchni tarcia.Przy wysokiej temperaturze obecno warstwy chemisorpcyjnej na

powierzchni zmienia ruchliwo dyslokacji, powierzchni styku i napr eniecinania poczenia. Z rozwaa tych wynika, e cakowity wpyw wszystkichzjawisk na siadhezji w procesie tarcia jest bardzo trudny do przewidzenia.

3.2.ADHEZJAIMIKROMECHANICZNE WACIWOCIPOWIERZCHNITARCIACIASTAYCH

Pierwsze badania procesu adhezji prowadzone byy ju w XIX w.,a utworzenie trwaego styku byo rozpatrywane od strony mechaniki zjawiska.W 1882 r. Hertz, zakadajc eliptyczny rozkad naprew p aszczynie stykumidzy dwoma gadkimi i sprystymi ciaami, opracowa podstawy teorii


49/418

3. Adhezja 49

procesu adhezji. Stwierdzi, e zarwno wielko, ksztat, jak i trwaoutworzonego styku zwizane sz odkszta ceniem sicia a bardziej sprystego.Deformacje te s powodowane spr ystym oddziaywaniem materiawwywoanym dziaaniem siy zewntrznej, tzw. obcienia mechanicznego, lubwasnymi siami przycigajcymi.

Juponad 50 lat temu stwierdzono bardzo du y wpyw adhezji powierzchnimetali na wspczynnik tarcia. Wpyw ten badano w rnych ukadach partarciowych: kula powierzchnia, kula kula, walec walec. W literaturzemona znalewiele teorii adhezji powierzchni cia sta ych w styku tarciowym[24]. Kinloch [25] zaproponowa mechanizm adhezji, ktry jest najbli szywarunkom wystpujcym w procesie tarcia. Poczenia adhezyjne powstajwedug czterech gwnych mechanizmw:

1) mechanicznego blokowania, ktre zakada wystpowanie adhezji napowierzchniach blokujcych si nierwno ci; wystpuje ona np. w stykachpolimerw i polimer metal;

2) dyfuzji atomy i czsteczki mog dyfundowa przez powierzchni midzyfazow styku adhezyjnego; ten typ adhezji najcz ciej wystpujew stykach polimerw i metali przy wysokich naciskach;

3) przenoszenia elektronw z jednego ciaa do drugiego; przeniesioneelektrony powoduj utworzenie podwjnej warstwy o przeciwnych adunkachelektrycznych; adhezja wystpuje w wyniku przycigania elektrostatycznego;

4) adsorpcji fizycznej pomidzy ciaami bdcymi w styku adhezyjnym; s

to sabe oddziaywania bdce wynikiem wystpowania sivan der Waalsa.Bowden i Rowe [26] badali adhezj powierzchni odgazowanych (10 6 Tor)przy tarciu; stwierdzili wzrost adhezji ze wzrostem temperatury powierzchnistyku i jej obnienie w obecnoci warstw powierzchniowych. Rnice adhezjistyku twardych metali spowodowane s r nicami sprystoci materiaw;dla metali sprystych adhezja jest maa. Adhezja ronie ze wzrostemplastycznoci metali. Tabor i wsppracownicy [27] potwierdzili wyniki badaBowdena i Rowea, stwierdzajc, e o wielkoci adhezji czystej powierzchnitarcia decyduje plastyczno utworzonego styku. Adhezja powierzchni tarciametali sprystych jest znacznie zmniejszona dodatkowo przez chropo-wato powierzchni. Adhezja jest mniejsza dla metali z du ilo ci elektronw d i jest zale na od budowy sieci krysztau. Wedug Leszka [28],

intensywno sczepienia adhezyjnego jest tym wiksza, im wiksza jestwymiana elektronw midzy powierzchniami tarcia i bardziej stabilnaenergetycznie konfiguracja elektronw. Pierwiastki z czciowo zapenionpodpowok d w stanie izolowanym stabilizuj si energetycznie kosztemprzyjcia lub utraty dodatkowych elektronw. Najwysz atomow stabilno tych pierwiastkw posiadaj konfiguracje d 0, d 5 i d 10, a wrd nichnajwysz stabilno ma d 5. Trudnoci w wyjanieniu tribologicznychi adhezyjnych zachowa metali wynikaj ze zmienno ci w tarciu trzech


50/418


czynnikw: powierzchni rzeczywistego styku, midzyfazowej siy wizaniai mechanicznych waciwoci granicy faz.

W mechanicznym modelu sia adhezji wyraona jest jako praca lub energiaadhezji [J/m2]. Jest to praca zewntrzna potrzebna do rozdzielenia jednostkowejpowierzchni poczonych powierzchni. Wiadomo, e w ukadzie tarciowympowierzchnie s chropowate i rzeczywisty styk zachodzi pomi dzy wierzcho-kami nierwnoci. Powierzchnie s chropowate rwnie w skali atomowej.Chropowato powierzchni przysparza wiele trudno ci w analizie wynikwpomiarw pracy adhezji i mikromechanicznych waciwoci styku adhezyjnego.Analizy wymaga rwnie zale no pracy adhezji od deformacji mikronie-rwnoci. Sprysta kula, o promieniu R, ulega deformacji pod wpywemobcienia (N); powierzchnia styku zwiksza si, na twardej, paskiejpowierzchni, zgodnie z prawem Hertza, nie wystpujwtedy mi dzy nimi siyprzycigania, a po ustpieniu obcienia powierzchnie oddzielajsi swobodniei powierzchnia powraca do swego poprzedniego stanu. Przy obcieniu Npromieobszaru odkszta cenia w styku (a) jest wyraany wzorem:

3

4

3

K

RNa = (48)

gdzie:R zast pczy promiekuli,

21

21

RR

RRR

+

= ;R1,R2 promienie dwch kul,

N obci enie,K sta a materiaowa liczona ze wzoru:

( ) ( )

+

=

2

22

1

21 11

4

31

EEK

(49)

gdzie:E1, E2 i 1, v2 s odpowiednio modu ami Younga i wspczynnikami Poissona

obu materiaw bdcych w styku Hertza.Modu Younga E [N/m

2] jest sta materiaow, zwan moduem

sprystoci podunej materiau.Wed ug prawa Hookea, w zakresie maychodksztace cia a, zwizki midzy napreniami a odpowiadajcymi imodksztaceniami s liniowe. W przypadku jednoosiowego stanu napr eniazrealizowanego w osiowo rozciganym prcie prawo Hookea mona wyrazinastpujcymi zalenociami:


51/418

3. Adhezja 51

E

= (50)

E

=' (51)

gdzie: napr enie normalne w prcie w [N/m2] obliczane wedug wzoru (25),

E modu Younga w [N/m 2], i ' odksztacenia liniowe; odpowiednio w kierunku wzdunym i po-

przecznym prta, materia owa staa sprystoci zwana wspczynnikiem (liczb) prze-

wenia poprzecznego lub wspczynnikiem Poissona ( < 0,5); jest tostosunek odksztacenia poprzecznego do wartoci odksztacenia normalnego.W przypadku wystpowania przycigania midzy stykajcymi si obci -

anymi ciaami powierzchnia styku jest zawsze wiksza ni to wynikaz rwnania Hertza. Wystpuje wtedy niezalena od obcienia powierzchnistyku, a nawet przy braku obcienia okrelona sia adhezji.

W styku z udziaem adhezji: profil powierzchni jest cakiem inny niw styku Hertza, powierzchnia styku jest take wiksza, ciaa stae oddzielajsi nagle przy okre lonej powierzchni styku.

Do wyznaczania i analizy adhezji w styku pomidzy sprystymi kuli nieodksztaconp aszczyzns u ywane dwa podstawowe, teoretyczne modeleadhezji.

Pierwszy, zaprezentowany przez Johnsona, Kendalla i Robertsa [29], znanyjako model JKR, jest bardziej przydatny dla materiaw mikkich z niskenergipowierzchniow , np. polimerw. Drugi zaproponowany przez Derjaguinai wsppracownikw [30], nazwany modelem DM

wstęp do tribologii

Documents