Ogólnie destrukcyjne procesy prowadzące do starzenia się elementów maszyn dzieli się na korozję, procesy zmęczeniowe i procesy tribologiczne, czyli procesy zużywania przez tarcie.
Wymienione główne procesy destrukcyjne nie występują w rzeczywistości rozdzielnie, ale na ogół łącznie. Można więc mówić o ewentualnym dominującym czynniku destrukcyjnym [54].
Dokładny podział procesów zużywania przedstawiono w tabeli 5.1.
Tab. 5.1. Rodzaje zużywania tribologicznego [54]
Charakter zużycia Rodzaj zużycia Przyczyny Rodzaj ruchu Rodzaj tarcia Chemiczno –
Do właściwości tribologicznych należą parametry, które warunkują wzajemne oddziaływanie powierzchni i otoczenia ciał będących w styku tarciowym, czyli: współczynnik tarcia, zużycie tribologiczne oraz odporność na zatarcie.
Rezultatem współpracy trących o siebie elementów jest zużycie tribologiczne, czyli proces niszczenia i usuwania materiału z powierzchni ciał stałych, przejawiający się zmianą wymiarów i kształtu trących elementów. Przyczyny tego rodzaju zużycia mają wspomniany charakter mechaniczny lub mechaniczno – chemiczny. Wyróżnia się następujące rodzaje zużycia [8]:
• Ścierne
Do zużycia ściernego dochodzi w obszarach tarcia współpracujących elementów, w których występują luźne cząstki ścierniwa lub wystające nierówności powierzchni twardego materiału.
Wyróżnia się następujące podstawowe rodzaje zużycia ściernego:
➢ Bruzdowanie – odkształcenie plastyczne obszarów styku i spęczanie materiału z obu stron bruzdy, a iloraz przekrojów poprzecznych spęczeń materiału i zagłębienia rysy równy jest
Strona 48 z 134
jeden, tzn. F1/F2 = 1, gdzie F1 – powierzchnia przekroju poprzecznego materiału spęczonego, F2 – powierzchnia przekroju poprzecznego bruzdy.
➢ Rysowanie – materiał jest częściowo skrawany i częściowo odkształcony plastycznie, a iloraz przekrojów poprzecznych spęczeń materiału i zagłębienia rysy mieści się w przedziale od 0 do 1, tzn. F1/F2 = 0÷1.
➢ Mikroskrawanie – gdy materiał jest skrawany i usuwany z rysy w postaci wióra, a iloraz przekrojów poprzecznych spęczeń materiału i zagłębienia rysy jest równy 0, tzn. F1/F2 = 0.
• Adhezyjne
Zużycie adhezyjne jest procesem niszczenia warstwy powierzchniowej w wyniku tworzenia się sczepień w mikroobszarach styku. Duże naciski powodują przerwanie warstewki środka smarnego oraz warstewki tlenków. Po zbliżeniu się występów nierówności współpracujących powierzchni na odległość działania sił międzyatomowych następuje ich sczepianie, a następnie ścinanie tych połączeń. Intensywność zużycia adhezyjnego zależy od wytrzymałości utworzonych sczepień. Jeśli wytrzymałość tych połączeń jest mniejsza od wytrzymałości metali, to ich ścięcie zachodzi w pierwotnej płaszczyźnie podziału i zużycie jest minimalne. Z kolei, gdy wytrzymałość połączeń jest większa od wytrzymałości jednego lub obydwu materiałów, ścięcie następuje w głębi słabszego tworzywa i dochodzi do wyrwania cząstek z warstwy powierzchniowej.
• Scuffing
Scuffing jest procesem zużycia warstw powierzchniowych wskutek łącznego oddziaływania procesów ścierania i sczepiania adhezyjnego.
• Przez utlenianie
Zużycie przez utlenianie występuje przy tarciu ślizgowym i tocznym. Polega na oddzielaniu warstewek tlenków, powstałych w wyniku adsorpcji i dyfuzji tlenu z atmosfery, od powierzchni materiału, w miejscu tarcia. Warunkiem zużycia przez utlenianie jest większa szybkość tworzenia się tlenków od szybkości ich ścierania z powierzchni tarcia.
• Zmęczeniowe
Zużycie zmęczeniowe, nazywane również zmęczeniem powierzchniowym lub stykowym, występuje wskutek działania cyklicznych naprężeń kontaktowych na warstwę powierzchniową. W miejscach spiętrzenia naprężeń (w tzw. punkcie Bielajewa, w którym występują maksymalne naprężenia styczne lub wady struktury stereometrycznej warstwy powierzchniowej) tworzą się mikropęknięcia przechodzące w makropęknięcia i w konsekwencji następuje odrywanie cząstek od rdzenia materiału.
Rozróżnia się dwa rodzaje zmęczenia powierzchniowego:
➢ Przez łuszczenie (spalling), występuje w warunkach tarcia suchego lub niedostatecznego smarowania, objawia się miejscowymi ubytkami powierzchni w kształcie łusek;
➢ Guzełkowate (pitting), występuje w warunkach tarcia ze smarowaniem. W szczeliny powstałe wskutek zmęczenia wtłaczany jest pod wysokim ciśnieniem (ciśnienie wywołane jest współpracującymi elementami) środek smarny, który rozklinowuje szczelinę. Dodatkowo olej adsorbowany na ściankach szczeliny wywołuje zmniejszenie energii powierzchniowej i zmniejszenie kohezji materiału wewnątrz szczeliny (efekt Rebindera).
Strona 49 z 134
• Ścierno – adhezyjne
Zużycie ścierno – adhezyjne (fretting) polega na niszczeniu warstwy powierzchniowej stykających się elementów, wykonujących względem siebie oscylacyjne mikroprzesunięcia. Produktami zużycia są tlenki metali o stosunkowo dużej twardości, działające jak ścierniwo.
• Odkształceniowe
Zużycie odkształceniowe polega na zmianie kształtu lub wymiarów współpracujących tribologicznie elementów w wyniku odkształceń (deformacji) plastycznych, bez zmiany ich masy. Zachodzi ono w warunkach obciążeń udarowych, drgań oraz tzw. przeciążeń.
• Erozyjne
Zużycie erozyjne jest zjawiskiem niszczenia warstwy powierzchniowej polegającym na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w wyniku mechanicznego oddziaływania strumienia cząstek ciał stałych lub cieczy o dużej energii kinetycznej. Ten rodzaj zużycia spotyka się najczęściej w maszynach przepływowych. Specyficznym rodzajem zużycia erozyjnego jest zużycie kawitacyjne występujące przy dużych prędkościach przepływu cieczy. Tworzą się wtedy lokalne obszary o znacznie niższym ciśnieniu, w których następuje odgazowanie lub odparowanie cieczy, a następnie dochodzi do rozpadu tych obszarów w wyniku implozji. Uwolnienie znacznej energii mechanicznej związanej z implozją powoduje miejscowe uszkodzenie powierzchni roboczej.
• Wodorowe
Zużycie wodorowe polega na niszczeniu warstwy wierzchniej lub powłoki na skutek dyfuzji w głąb materiału adsorbowanego na powierzchni wodoru. Wodór powoduje kruche pękanie warstw powierzchniowych [8].
W tabeli 5.2. w sposób ogólny przedstawiono dominujące mechanizmy zużycia w zależności od występowania danego rodzaju ruchu względnego elementów współpracujących.
Tab. 5.2. Charakterystyka tribologicznych procesów zużycia [8]
Rodzaj ruchu
Oscylacja Zużycie przez fretting – połączony
wpływ wszystkich rodzajów zużycia
- występuje z dużym nasileniem, - występuje z małym nasileniem, - praktycznie nie występuje.
Strona 50 z 134
Na rysunku 5.1 przedstawiono schematy odkształceń plastycznych różnych elementów. Natomiast na rysunku 5.2 ukazano przykład mechanicznego zużycia koła zębatego.
a) b)
Rys. 5.1. Schemat odkształceń plastycznych: a – zębów kół zębatych (strzałki pokazują siły tarcia ślizgowego przy międzyzębnych poślizgach poprzecznych), b – koła elektrozaworu (linia ciągła oznacza pierwotny zarys bieżnika, linia kreskowa jego zarys po odkształceniu) [54]
a) b)
Rys. 5.2. Przykład mechanicznego zużycia napędowego koła zębatego biernego z przekładni zębatej lokomotywy (a – koło zębate, b – zestaw kołowy z kołem zębatym)
Strona 51 z 134