ROLA ADHEZJI W PROCESIE TARCIA

Jednym z podstawowych źródeł rozpraszania energii podczas tarcia jest formowa-nie i niszczeformowa-nie sczepień międzyczasteczkowych między powierzchniami

współpra-cujących materiałów. Istotą tych sczepień są oddziaływania adhezyjne pomiędzy ma-teriałami, pomiędzy którymi zachodzi proces tarcia. W przypadku tarcia materiałów polimerowych po metalach adhezja jest dominującym skutkiem zbliżenia powierzchni współpracujących ciernie materiałów.

Adhezja charakteryzuje się złożonością zjawisk, które wpływają na siłę połącze-nia adhezyjnego. Może mieć ona naturę chemiczną lub fizyczną. W przypadku ad-hezji chemicznej pomiędzy materiałami występują siły przyciągania kowalencyjne, jonowe, elektrostatyczne, metaliczne lub wodorowe. Z kolei adhezja fizyczna wy-stępuje gdy, pomiędzy materiałami występują siły przyciągania van der Wallsa i ka-pilarne. Ponadto w procesie tarcia, jako efekt triboelektryzacji, powstają na po-wierzchni współpracujących ciernie materiałów ładunki elektryczne. Zwiększają one siły jonowe powierzchni, co sprzyja dodatkowo powstawaniu sił adhezyjnych. W wyni-ku wymienionych oddziaływań tworzą się wiązania międzypowierzchniowe i po-wstają połączenia adhezyjne. Takie połączenia występują często podczas tarcia, przyczyniając się do dużego wkładu energii na pokonanie oporów tarcia oraz zuży-wania współpracujących ciernie materiałów. Siła połączeń adhezyjnych zależy od wielu czynników, między innymi od wielkości obciążenia ciał będących w styku adhezyjnym oraz czasu jego działania, stanu powierzchni stykających się ciał (czy-stość, chropowatość itp.), rzeczywistej powierzchni styku, temperatury itd.

W zależności od temperatury bezwzględnej T, w jakiej występuje adhezja, rozróż-nia się jej dwa rodzaje [110]:

• niskotemperaturowa, gdy T < 0,3 T_m,

• wysokotemperaturowa, gdy T > 0,3 T_m,

gdzie Tm jest temperaturą bezwzględną topnienia łatwiej topliwego materiału

(polime-ru) występującego w połączeniu adhezyjnym. W odpowiednio długim czasie styku niskotemperaturowe połączenie adhezyjne może mieć cechy połączenia adhezyjnego wysokotemperaturowego.

Istnieje wiele teorii dotyczących oddziaływań adhezyjnych w połączeniach tarcio-wych Zostały one opisane między innymi w pracach [11], [13], [43], [64], [126]. Me-chanizm adhezji, który jest najbliższy warunkom występującym w procesie tarcia materiałów polimerowych, zaproponował Kinloch [75], [110]. Połączenia adhezyjne podczas tarcia powstają według czterech następujących mechanizmów:

• mechaniczne blokowanie (teoria mechaniczna) – adhezja występuje na po-wierzchniach blokujących się mikronierówności na styku polimer–metal lub polimer– polimer,

• dyfuzja (teoria dyfuzyjna i chemiczna) – atomy i cząsteczki mogą dyfundować przez powierzchnię międzyfazową styku adhezyjnego; taki typ adhezji może wystę-pować pomiędzy polimerami i metalami z dużym naciskiem jednostkowym i długim czasie postoju pod obciążeniem,

• przenoszenie elektronów z jednego ciała na drugie (teoria elektryczna) – prze-niesione podczas tarcia elektrony z jednego ciała do drugiego powodują utworzenie

podwójnej warstwy o przeciwnych ładunkach elektrycznych; siły adhezji wynikają z przyciągania elektrostatycznego,

• adsorpcja fizyczna (teoria adsorpcyjna) pomiędzy ciałami znajdującymi się w sty-ku adhezyjnym – siły adhezji są wynikiem słabych oddziaływań sił van der Walssa.

W procesie tarcia następuje ciągłe niszczenie sczepień adhezyjnych oraz ich re-kombinacja. Niszczenie sczepień miedzy trącymi powierzchniami może zachodzić na powierzchni styku lub na pewnej głębokości. Wówczas będzie występowało odspaja-nie (dekohezja) materiału, którego efektem jest zjawisko jego przenoszenia na po-wierzchnię drugiego ze znajdującego się w styku adhezyjnym materiału lub formowa-nie produktów zużycia.

Energia zrywania połączenia adhezyjnego zależy od szybkości rozdzielania scze-pionych powierzchni. Jeżeli szybkość rozdzielania połączeń adhezyjnych rośnie, wówczas dodatkowa energia jest rozpraszana, a wartość pracy adhezji może być dużo większa niż w przypadku małej szybkości. W wielu praktycznych sytuacjach występuje różnica pomiędzy wartościami obciążenia (połączenia) i odciążenia (rozdzielenia) powierzchni styku. Zjawisko to jest nazywane histerezą adhezji. Histereza adhezyjna jest „nieodwra-calną” częścią energii rozpraszanej podczas rozłączania styku adhezyjnego [110].

Materiały polimerowe cechują się z reguły dużą adhezją do metali i stosunkowo małą wytrzymałością na ścinanie. Powoduje to pokrywanie się elementów metalowych cienką warstwą przeniesionego materiału polimerowego podczas procesu tarcia i ścinanie w ob-rębie warstw tworzywa. Zjawisko to opisano wcześniej w rozdziale 3.1. Dzięki temu two-rzywa polimerowe wykazują mniejszy współczynnik tarcia suchego niż metale.

Składowa adhezyjna współczynnika tarcia µa jest zwykle podawana jako stosunek

naprężeń ścinających τ_ad w połączeniach adhezyjnych występujących w strefie tarcia do

nacisku rzeczywistego pr na wierzchołkach mikronierówności [14], [43], [82], [134]:

β τ τ μ = ≈ = + r r N a a F p p F _{ad 0} (3.2) gdzie: β – współczynnik umocnienia połączenia adhezyjnego związany z czasem

działa-nia obciążedziała-nia, τ₀ – wytrzymałość połączenia adhezyjnego na ścinanie przy p_r = 0.

Wartości współczynników τ0 i β potrzebnych do wyznaczenia składowej

adhezyj-nej współczynnika tarcia dla wybranych materiałów polimerowych przedstawiono w tabeli 3.1. Kragielski w swojej pracy [82] omówił sposób eksperymentalnego

wy-znaczania wartości tych współczynników. Przy styku całkowicie plastycznym ( pr = HB)

składowa adhezyjna współczynnika tarcia powinna być jednak wyznaczona ekspery-mentalnie. Sytuacja taka może występować między innymi w wypadku mocno obcią-żonych łożysk ślizgowych z panewką polimerową.

Jeżeli tarcie przebiega w obecności cieczy (np. środków smarujących), tworzenie połączeń adhezyjnych może być utrudnione, a składowa adhezyjna współczynnika tarcia może być znacznie mniejsza niż dla tarcia suchego.

Tabela 3.1. Wartości współczynników τ₀ i β potrzebnych do wyznaczenia składowej adhezyjnej współczynnika tarcia dla wybranych materiałów polimerowych [82]

Materiał Twardość HB [N/mm2] ^τ0 [MPa] β PTFE 31 3,41 0,017 PE-HD 38 1,14 0,05 PP 37 0,11 0,035 PA 6 130 1,95 0,05

T.A. Stolarski [134] przeprowadził analizę oporów ruchu podczas tarcia z

założe-niem adhezyjnego modelu tarcia. W przyjętym modelu siła tarcia F_t zależy od

połą-czeń adhezyjnych, które zachodzą pomiędzy powierzchniami współpracujących

mate-riałów. Siłę F_t można opisać zależnością:

r t A

F =τ (3.3)

gdzie τ – naprężenia tnące na powierzchni współpracujących materiałów

spowodowa-ne adhezją.

Rzeczywista powierzchnia styku Ar dla odkształceń plastycznych została opisana

równaniem

(

h

) (

h

) (

d h

)

rN A p r =π

∫

−Δ −Δ −Δ δ ϕ 0 (3.4) gdzie: r – średni promień zaokrąglenia wierzchołków mikronierówności, N – liczba styków wierzchołków mikronierówności w geometrycznym obszarze styku, –Δh – zmienna losowa o rozkładzie Gaussa opisująca odległość między współpracującymi

powierzchniami, δp – współczynnik określający wielkość odkształceń plastycznych,

zależny między innymi od promienia r oraz własności bardziej miękkiego materiału. Stwierdzono, że tylko w obszarach plastycznych styków mikronierówności po-wierzchni mogą zachodzić połączenia adhezyjne, które stanowią o wielkości siły tar-cia. Prawdopodobieństwo formowania styków zależy przede wszystkim od topografii powierzchni. Do opisu prawdopodobieństwa wystąpienia styku plastycznego wyko-rzystano funkcje, w których jako zmienne wystąpiły parametry opisujące chropowa-tość, takie jak promień zaokrąglenia wierzchołków mikronierówności r oraz wysokość mikronierówności. W opracowaniu rozpatrywano zarówno przypadek tarcia podczas styku stacjonarnego, jak i podczas ruchu.

3.1.3. ROLA ODDZIAŁYWAŃ MECHANICZNYCH W PROCESIE TARCIA

W dokumencie Bezobsługowe łożyska ślizgowe z polimerów termoplastycznych (Stron 88-91)