PRACA DOKTORSKA

1

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

PRACA DOKTORSKA

mgr inż. Wojciech MIZAK

Metodyka badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych

Poznań – Radom 2017

2

3

SPIS TREŚCI

1. WPROWADZENIE ... 5

1.1. Wstęp ... 5

1.2. Geneza wyboru tematu ... 8

1.3. Analiza pojęciowa ... 16

1.4. Uzasadnienie wyboru tematu i problematyki badawczej ... 22

2. SFORMUŁOWANIE ZAGADNIEŃ BADAWCZYCH ... 25

2.1. Cele i hipoteza pracy ... 25

2.2. Metody zastosowane do rozwiązywania problemu badawczego ... 26

3. FIZYKALNA CHARAKTERYSTYKA PROCESU ZUŻYWANIA EROZYJNEGO ... 31

3.1. Rodzaje erozji ... 32

3.1.1. Erozja uderzeniowa wywoływana oddziaływaniem cząstek stałych ... 33

3.1.2. Erozja uderzeniowa wywołana odziaływaniem cieczy ... 36

3.1.3. Erozja kawitacyjna ... 39

3.1.4. Erozja szlamowa ... 42

3.2. Analiza mechanizmu zużywania erozyjnego ... 44

3.2.1. Wpływ kąta i prędkości uderzenia na szybkość zużywania erozyjnego ... 47

3.2.2. Wpływ kształtu, twardości oraz rozmiaru ścierniwa na szybkość zużywania erozyjnego .... 51

3.2.3. Wpływ temperatury na zużywanie erozyjne ... 55

4. ANALIZA METOD BADAWCZYCH WYKORZYSTYWANYCH W BADANIACH ZUŻYCIA EROZYJNEGO ... 61

4.1. Badania normatywne ... 63

4.2. Badania nienormatywne ... 68

4.3. Badania modelowe ... 72

5. ANALIZA SYSTEMÓW WYKORZYSTYWANYCH W BADANIACH ZUŻYCIA EROZYJNEGO ... 91

5.1. Systemy z medium powietrznym ... 92

5.2. Systemy z medium wodnym ... 104

4

6. METODYKA BADAŃ ZUŻYCIA EROZYJNEGO ... 121

6.1. Cele i założenia metodyki ... 123

6.2. Model systemu badawczego ... 127

6.3. Moduł zasilania informacyjnego ... 145

6.4. Układ funkcjonalny modułów wykonawczych ... 155

7. MODEL URZĄDZENIA DO BADANIA ZUŻYCIA EROZYJNEGO ... 163

7.1. Cel i założenia modelu urządzenia ... 165

7.2. Struktura i opis modelu urządzenia ... 166

7.2.1. Moduł dozowania ścierniwa ... 169

7.2.2. Moduł wymiennika ciepła ... 174

7.2.3. Moduł komory pomiarowej ... 178

7.2.4. System pneumatyczny ... 183

7.2.5. System oczyszczania powietrza ... 187

7.3. Model kalibracji ... 189

7.3.1. Kalibracja prędkości strugi ścierniwa ... 190

7.3.2. Kalibracja wydatku materiału ściernego ... 192

7.4. Moduł kontroli wizyjnej ... 194

8. BADANIA WERYFIKACYJNE... 197

8.1. Badania modułów wykonawczych urządzenia ... 198

8.2. Badania weryfikacyjne metodyki ... 218

9. PODSUMOWANIE ... 239

BIBLIOGRAFIA ... 245

SPIS RYSUNKÓW ... 257

SPIS TABEL ... 263

5

1. WPROWADZENIE

1.1. Wstęp

Erozja uderzeniowa wywołuje stopniową degradację powierzchni oraz utratę masy erodowanych materiałów w wyniku wielokrotnego oddziaływania cząstek ciał stałych.

Negatywny wpływ erozji powoduje uszkodzenia elementów maszyn i urządzeń w wielu gałęziach przemysłu, m.in. lotniczym, energetycznym, chemicznym, petrochemicznym.

Generuje straty ekonomiczne wywołane koniecznością zatrzymania procesu technologicznego lub wymiany uszkodzonych elementów. Destrukcyjne oddziaływanie erozji wywołuje m.in. zmianę geometrii łopat turbin wiatrowych, elementów instalacji transportu pneumatycznego, uszkodzenia łopatek turbin silników odrzutowych, poszycia kadłuba samolotu lub łopat śmigłowców eksploatowanych w środowisku o dużym zapyleniu.

Pośrednimi zagrożeniami wywołanymi przez oddziaływanie erozji mogą być straty energii, niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego oraz zagrożenia dla zdrowia lub życia ludzi.

W celu prognozowania zużycia erozyjnego oraz skutecznego ograniczenia negatywnych skutków erozji należy rozpoznać mechanizmy oraz zjawiska fizykalne zachodzące podczas procesu erozji. Przebieg procesu erozji jest trudny do matematycznego zamodelowania, dlatego istotną rolę w prognozowaniu zużycia erozyjnego materiałów spełniają badania eksperymentalne.

Badania takie umożliwiają precyzyjny dobór materiału o wymaganej odporności erozyjnej do konkretnej aplikacji w zależności od parametrów procesu erozji występujących w docelowych warunkach eksploatacji. Skuteczną metodą ograniczenia negatywnego oddziaływania erozji jest stosowanie zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, które wpływają na zwiększenie trwałości, niezawodności części maszyn i urządzeń oraz ograniczenie kosztów eksploatacyjnych. Istotny jest zoptymalizowany dobór materiałów do konkretnej aplikacji pod względem odporności erozyjnej, jak również kosztów ekonomicznych. W badaniach eksperymentalnych, w celu skutecznego zapobiegania negatywnym skutkom erozji, konieczne jest precyzyjne symulowanie warunków oddziaływania erozji występujących w docelowej aplikacji.

Z przeprowadzonej analizy przedmiotu wynika, że brakuje kompleksowej metodyki badań zużycia erozyjnego oraz uniwersalnego urządzenia gwarantującego realizację testów erozyjnych w szerokim zakresie zmienności parametrów procesu erozji. Opracowane

6

metodyki badań erozyjnych przeznaczone są głównie do standardowych testów erozyjnych lub badań nienormatywnych, ale dedykowanych jedynie do konkretnych aplikacji. Brak metodyki badań dającej możliwość przeprowadzenia testów porównawczych materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych w pojedynczym procesie badawczym oraz brak urządzenia umożliwiającego standaryzację tego typu badań wygenerowały potrzebę opracowania kompleksowej metodyki badań, jak również oryginalnego urządzenia zapewniającego realizację w szerokim zakresie testów erozyjnych wg opracowanej metodyki.

W ramach pracy doktorskiej podjęto próbę opracowania uniwersalnej metodyki badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, dającej możliwość przeprowadzania testów erozyjnych w szerokim zakresie zmienności parametrów procesu erozji. Przeprowadzono analizę procesu erozji, mechanizmów zachodzących podczas erozji materiałów oraz parametrów procesu erozji wpływających na intensywność zużywania erozyjnego. Podczas opracowywania metodyki uwzględniono wyniki analizy metod badawczych normatywnych, niestandardowych oraz modeli analitycznych. Przeanalizowano również rozwiązania konstrukcyjne wykorzystywane w stanowiskach badawczych oraz urządzeniach komercyjnych stosowane nie tylko w badaniach erozji uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem cząstek stałych, ale również erozji szlamowej, kawitacyjnej oraz uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem cieczy.

Tematyka dysertacji jest aktualna ze względów zarówno naukowych umożliwiających poznanie zjawisk fizykalnych, mechanizmów erozji, jak również praktycznych umożliwiających opracowanie nowych materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych o zwiększonej odporności erozyjnej. Podjęta tematyka pracy doktorskiej jest istotna ze względów poznawczych oraz możliwości zastosowania wyników w wielu gałęziach przemysłu m.in.: lotniczym, energetycznym, chemicznym, drzewnym. Dysertacja obejmuje opracowanie kompleksowej metodyki badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz zbudowanie zintegrowanego systemu testowego gwarantującego badanie zjawisk fizykalnych oraz mechanizmów zachodzących w procesach erozji uderzeniowej w funkcji nienormatywnych parametrów eksploatacji.

Metodyka obejmuje trzy główne pakiety: metodyczny, dotyczący opracowania autorskiej metodyki badań zużycia erozyjnego w odniesieniu zarówno do materiałów konstrukcyjnych, jak i funkcjonalnych, konstrukcyjny, umożliwiający zbudowanie oryginalnej aparatury do badań zużycia erozyjnego oraz pakiet informacyjny, obejmujący opracowanie i zaprogramowanie aplikacji obejmującej bazy danych oraz bazę wiedzy o materiałach i procesach erozyjnych.

7

Praca obejmuje 9 rozdziałów. W rozdziale pierwszym zaprezentowano genezę wyboru problematyki badawczej stanowiącej podstawę opracowania autorskiej metodyki badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz zaprojektowania urządzenia gwarantującego realizację badań wg autorskiej metodyki. W celu usystematyzowania podstawowych pojęć stosowanych w pracy oraz zapewnienia jednoznacznej interpretacji definicji przeprowadzono analizę pojęciową. W szczególności analizę pojęć związanych z przedmiotem pracy: erozja, metodyka, materiał konstrukcyjny oraz materiał funkcjonalny.

W rozdziale drugim sformułowano cele pracy będące podstawą do opracowania metodyki badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz zaprezentowano metody zastosowane do rozwiązania problemu badawczego.

W rozdziale trzecim zaprezentowano fizykalną charakterystykę procesu zużywania erozyjnego oraz negatywne skutki oddziaływania erozji. Przedstawiono rodzaje erozji, mechanizmy zużycia erozyjnego oraz przeanalizowano wpływ parametrów procesu erozji na intensywność zużywania materiałów, m.in.: wpływ kąta natarcia i prędkości strugi erozyjnej, kształtu, twardości, rozmiaru cząstek materiału ściernego oraz wpływ oddziaływania wysokiej temperatury.

W rozdziale czwartym przeanalizowano metody badawcze wykorzystywane w badaniach zużycia erozyjnego, m.in.: normatywne, niestandardowe oraz modelowe.

Przeprowadzona analiza dotyczyła metod stosowanych w badaniach erozji uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem cząstek stałych, cieczy, erozji kawitacyjnej oraz szlamowej.

W rozdziale piątym dokonano analizy systemów z medium powietrznym i wodnym wykorzystywanych w badaniach zużycia erozyjnego. Przeanalizowano rozwiązania konstrukcyjne stanowisk badawczych oraz urządzeń komercyjnych opracowanych w Polsce i na świecie.

W rozdziale szóstym opisano autorską metodykę badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Zaprezentowano cele i założenia metodyki, autorski algorytm metodyki badań, strukturę modułu zasilania informacyjnego oraz układ funkcjonalny modułów wykonawczych.

W rozdziale siódmym przedstawiono autorską konstrukcję urządzenia do badania zużycia erozyjnego. Zaprezentowano cele, założenia i strukturę opracowanego urządzenia, oryginalne rozwiązania konstrukcyjne odpowiedzialne za sterowanie parametrami procesu erozji podczas badań, m.in.: prędkością strugi erozyjnej, wydatkiem ścierniwa oraz zespoły umożliwiające realizację testów erozyjnych w podwyższonych temperaturach. Przedstawiono

8

również opracowane moduły do kalibracji urządzenia w zakresie prędkości i wydatku materiału ściernego.

W rozdziale ósmym przedstawiono badania weryfikacyjne opracowanych modułów wykonawczych oraz kompletnego, oryginalnego urządzenia do badania zużycia erozyjnego.

Zaprezentowano weryfikację autorskiej metodyki badań, przeanalizowano wyniki badań zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz udokumentowano możliwość badania zjawisk fizykalnych zachodzących podczas procesu erozji z wykorzystaniem opracowanego, zintegrowanego systemu badawczego.

W rozdziale dziewiątym dokonano podsumowania zrealizowanych prac badawczych, sformułowano wnioski końcowe, nakreślono dalsze kierunki rozwoju opracowanej metodyki oraz urządzenia do badania zużycia erozyjnego.

1.2. Geneza wyboru tematu

Dynamiczny postęp technologiczny determinuje coraz większe wymagania w odniesieniu do nowo projektowanych maszyn i urządzeń, które powinny charakteryzować się wysoką niezawodnością, funkcjonalnością, wydłużonym czasem eksploatacji w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Stawiane wymagania wpływają na wzrost oczekiwań w stosunku do materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, które powinny posiadać bardzo dobre właściwości mechaniczne, odporność na wysoką temperaturę, tarcie, korozję oraz erozję¹. Wskutek rozwoju innowacyjnych technologii z zakresu inżynierii materiałowej następuje wzrost liczby nowoczesnych rozwiązań materiałowych. Tradycyjne materiały zastępowane są przez lżejsze, bardziej złożone strukturalnie kompozycje materiałów, które przy mniejszej masie posiadają możliwość przenoszenia większych obciążeń². Wykorzystywanie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych stwarza nowe możliwości aplikacyjne, jednak ich skuteczne zastosowanie wymaga zaawansowanych badań, w tym również w odniesieniu do zużycia erozyjnego.

W wyniku oddziaływania erozji występują zmiany geometrii elementów w instalacjach i maszynach przepływowych, zmniejszające sprawność urządzeń oraz wpływające na zmianę parametrów realizowanego procesu. Główne skutki erozji to uszkodzenia obiektów technicznych, oddziaływanie na skuteczność i bezpieczeństwo ich użytkowania oraz straty

1 S. Kumar, B.K. Satapathy, A. Patnaik: Thermo-mechanical correlations to erosion performance of short carbon fibre reinforced vinyl ester resin composites. Materials and Design 32, 2011, s. 2260–2268.

2 G. Drensky, A. Hamed, W. Tabakoff, J. Abot: Experimental investigation of polymer matrix reinforced composite erosion characteristics. Wear 270, 2011, s. 146–151.

9

ekonomiczne wynikające z konieczności wymiany lub regeneracji uszkodzonych elementów, oraz zatrzymania procesu technologicznego. Negatywne odziaływanie erozji występuje szczególnie w przemyśle: lotniczym, energetycznym, petrochemicznym, stoczniowym oraz chemicznym³.

W przemyśle lotniczym obserwowany jest efekt erozji wywoływany przez deszcz, piasek, popiół wulkaniczny i inne cząstki oddziałujące w powietrzu na samoloty⁴. Zagadnienie erozji może mieć zasadniczy wpływ na zużycie części i całych podzespołów silników, jak również poszycia statków powietrznych⁵. Śmigłowce wykorzystywane przez wojsko, straż graniczną, straż pożarną czy lotnictwo sanitarne często muszą wykonywać loty w trudnych warunkach środowiskowych na niskich wysokościach. Podczas startu czy lądowania, wskutek wirowania łopat nośnych dochodzi do podrywania i unoszenia dużej ilości pyłów, w skład których wchodzą cząstki stałe charakteryzujące się dużą twardością⁶. Pył zasysany przez jednostki napędowe powoduje zmianę kształtu łopatek, niszcząc powłoki ochronne oraz bariery cieplne. Wzrost erozyjnej degradacji silników turbinowych, wpływa ujemnie na parametry ich pracy, osiągi i żywotność, co może zagrażać bezpieczeństwu lotów⁷. Z danych prezentowanych przez Siły Powietrzne USA wynika, że wiele wypadków lotniczych jest konsekwencją uszkodzenia silnika w wyniku eksploatacji statków powietrznych w środowisku o dużym zapyleniu. Tylko połowa śmigłowców może zrealizować standardowe resursy międzyremontowe, ponieważ zużycie erozyjne jest głównym powodem przedterminowej wymiany silników⁸.

Erozja wywołuje wiele negatywnych skutków w przemyśle energetycznym, szczególnie w elektrowniach opalanych paliwem stałym oraz w systemach wytwarzających energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii, takich jak turbiny wiatrowe oraz wodne⁹. Zużycie erozyjne i ścierne są istotnymi czynnikami generującymi koszty podczas transportu, kruszenia i dostarczania sproszkowanego węgla do kotłów oraz transportu popiołu po procesie spalania.

W elektrowniach opalanych węglem brunatnym zużycie erozyjne występuje w młynach

3 J.G. Bitter: A study of erosion phenomena. Part I. Wear vol. 6,1963, s. 5–21; I. Kleis, P. Kulu: Solid particle erosion. Occurrence, prediction and control. Springer Verlag, 2010.

4 O. Gohardani: Impact of erosion testing aspects on current and future flight conditions. Progress in Aerospace Sciences 47, 2011, 280–303; O. Gohardani, D.M. Williamson, D. W. Hammond: Multiple liquid impacts on polymeric matrix composites reinforced with carbon nanotubes. Wear 294–295, 2012, 336–346.

5 H. Zainul, E. Prasetyo: Materials selection in design of structures and engines of supersonic aircrafts:

A review. Materials and Design 46, 2013, s. 552–560.

6 A. Szczepankowski, J. Szymczak: Wpływ zapylonego otoczenia na charakterystyki i parametry pracy lotniczych silników turbinowych. Journal of KONBiN 1(17), 2011.

7 J. Godzimirski: Nowe technologie lotniczych silników turbinowych. Prace Instytutu Lotnictwa 213, 2011.

8 A. Kozakiewicz: Analiza uszkodzeń turbinowych silników odrzutowych. Prace Instytutu Lotnictwa 213, 2011.

9 T. Hejwowski: Nowoczesne powłoki nakładane cieplnie odporne na zużycie ścierne i erozyjne. Monografie – Politechnika Lubelska, Lublin 2013.

10

udarowych, wymiennikach ciepła oraz kotłach parowych. Ważnym problemem jest zużycie erozyjne turbin parowych, które wywołuje mieszanina pary i kropel wody oraz stałe produkty korozji uwolnione ze ścian instalacji¹⁰. Wskutek destrukcyjnego oddziaływania erozji oraz kawitacji na powierzchni łopatek parowych turbiny następuje wzrost chropowatości. Tworzą się ubytki materiału, które mogą powodować spiętrzenie naprężeń, powstanie i propagację mikropęknięć, czego efektem jest całkowite zniszczenie łopatki¹¹.

Obecnie na świecie występuje dynamiczny wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną pozyskiwaną z odnawialnych źródeł energii. Farmy wiatrowe budowane są w różnych regionach świata, strefach klimatycznych, charakteryzujących się zmiennymi warunkami atmosferycznymi. Wysoka temperatura powietrza, wilgotność, obszary pustynne czy środowiska z dużą populacją owadów często oddziałują w sposób szkodliwy na turbiny wiatrowe. Fundamentalne znaczenie dla efektywnego pozyskiwania energii z wiatru mają właściwości strukturalne i aerodynamiczne łopat. Cząstki gleby porywane przez wiatr, deszcz, grad powodują zużywanie erozyjne krawędzi natarcia łopat turbiny. Negatywne oddziaływanie erozji wywołuje zmianę wymiarów geometrycznych oraz deformacje kształtu łopat, co wpływa na zmniejszenie sprawności aerodynamicznej, powodując turbulencje¹². Skutki erozji prowadzą do zmniejszenia mocy urządzenia, nieprzewidywalnych strat energii oraz spadku wydajności turbiny. Intensywne oddziaływanie erozji może spowodować konieczność regeneracji łopat już po dwóch latach od uruchomienia turbin wiatrowych.

Przestoje spowodowane regeneracją łopat generują dodatkowe koszty, co zmniejsza rentowność turbin wiatrowych¹³.

Zużycie erozyjne powstające na skutek oddziaływania nieprzetworzonej ropy naftowej może doprowadzić do poważnych strat ekonomicznych i potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa w przemyśle petrochemicznym. Intensywność zużywania erozyjnego jest procesem złożonym, uzależnionym od wydajności produkcji, wielofazowych warunków przepływu mieszaniny, rodzaju materiału zastosowanego na instalacje oraz geometrii rurociągu. Ubytki materiału spowodowane oddziaływaniem erodentów mogą doprowadzić

10 M. Ahmad, M. Schatz, M.V. Casey: Experimental investigation of droplet size influence on low pressure steam turbine blade erosion. Wear 303, 2013, s. 83–86.

11 A.A. Gubran, J.K. Sinha: Shaft instantaneous angular speed for blade vibration in rotating machine.

Mechanical Systems and Signal Processing. Vol.44, Issues 1–2, 2014.

12 N. Dalili, A. Edrisy, R. Carriveau: A review of surface engineering issues critical to wind turbine performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, 2009, s. 428–438.

13 M.H. Keegan, D. H. Nash, M.M. Stack: On erosion issues associated with the leading edge of wind turbine blades. Journal of Physic D: Applied Physics, vol.46, nr 38, 2013.

11

do nieszczelności, zniszczenia rurociągów, a w efekcie do skażenia środowiska naturalnego¹⁴. Zmienne warunki eksploatacyjne panujące podczas regulacji ciśnienia i przepływu mieszaniny cząstek stałych, cieczy i gazu w instalacjach przemysłowych wywołują intensywną erozję rurociągów oraz zaworów dławiących. Ze względu na krytyczne warunki eksploatacyjne średni czas użytkowania zaworów wynosi około 24 miesięcy jednak odnotowano przypadki, kiedy po kilkunastu godzinach pracy w warunkach intensywnych narażeń erozyjnych konieczna była wymiana armatury¹⁵. Wymiana uszkodzonych elementów jest skomplikowana, ponieważ instalacja rurowa jest rozbudowana, a zawory często są umiejscowione w trudno dostępnych miejscach. Niezawodność działania instalacji powinna zagwarantować stabilność procesu produkcji oraz wyeliminowanie zagrożenia skażenia środowiska naturalnego. W celu zabezpieczenia przed uszkodzeniami rurociągi są monitorowane w miejscach najbardziej narażonych na oddziaływanie erodentów.

Niebezpiecznym zjawiskiem jest również zużycie erozyjne narzędzi wiertniczych stosowanych w przemyśle wydobywczym ropy i gazu. Erozja znacząco wpływa na zmianę geometrii oraz czas eksploatacji narzędzia. Przerwy w wydobywaniu złoża zwiększają koszty związane z wyprowadzeniem głowicy z otworu wiertniczego, wymianą uszkodzonych elementów oraz ponownego wprowadzenia głowicy w eksploatowane złoże. Oprócz kosztów operacyjnych, kosztów wymiany, strat czasu istnieje niebezpieczeństwo dla zagrożenia życia personelu pracującego na platformach wiertniczych¹⁶.

Podczas transportu hydraulicznego w przemyśle petrochemicznym zużycie erozyjne powoduje znaczne szkody, dlatego istotną rolę w zapobieganiu negatywnym oddziaływaniom erozji odgrywają badania odporności erozyjnej materiałów stosowanych w instalacjach.

Prace badawcze dotyczące zastosowania metali oraz ich kompozycji z uwzględnieniem obróbki powierzchniowej skoncentrowane są na znalezieniu materiałów z odpowiednią odpornością erozyjną dla zdefiniowanych warunków użytkowania. Przeciwdziałanie zużywaniu erozyjnemu poprzez aplikacje wyników badań materiałowych oraz symulacji numerycznych pochłania mniejsze nakłady finansowe niż naprawa uszkodzonej instalacji.

Przewidywanie stopnia zużycia i skutków zjawiska erozji umożliwia szacowanie okresu użytkowania instalacji, planowanie terminów przeglądów remontowych oraz ułatwia wykrywanie elementów rurociągów, w których zachodzi intensywne zużywanie.

14 Z. Ri, L. Haixiao, Z. Chuntian: A probability model for solid particle erosion in a straight pipe. Wear 308, 2013, s. 1–9.

15 J.I. Ukpai, R. Barker, X. Hu, A. Neville: Exploring the erosive wear of X65 carbon steel by acoustic emission method. Wear 301, 2013.

16 B. Arefia, A. Settari, P. Angman: Analysis and simulation of erosion in drilling tools. Wear 259, 2005, s. 263–270.

12

W transporcie hydraulicznym maszyny i urządzenia poddawane są niekorzystnemu oddziaływaniu erozji kawitacyjnej. Szczególnie narażone na to zjawisko są pompy wirowe, turbiny wodne, śruby okrętowe, przewody instalacji grzewczej oraz wodociągowej.

Negatywny wpływ erozji na maszyny przepływowe powoduje wzrost chropowatości, powstają wżery oraz znaczne ubytki materiału w instalacjach i armaturze. Podczas przepływu medium kawitacja narusza ciągłość cieczy, powodując straty energii strugi, wywołując spadek sprawności i mocy turbin wodnych. W pompach wirowych występuje intensywne zużywanie łopatek, tarcz wirnika oraz kanałów przepływowych¹⁷. Podczas eksploatacji pomp występuje wzrost drgań i hałasu, następuje spadek wysokości podnoszenia oraz sprawności pompy¹⁸. Skuteczną metodą ograniczenia destrukcyjnego oddziaływania kawitacji jest stosowanie zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych na elementy maszyn przepływowych. Wybór odpowiedniego materiału powinien być poprzedzony badaniami eksperymentalnymi z uwzględnieniem rzeczywistych warunków eksploatacyjnych, takich jak rodzaj transportowanego medium, ciśnienie czy temperatura.

Ze względu na bezpieczeństwo, możliwość automatyzacji oraz niski koszt procesu, istotną techniką stosowaną do przemieszczania materiałów sypkich i pylistych jest transport pneumatyczny. Powietrze pod wysokim ciśnieniem wykorzystywane jest do transportowania pyłu węglowego w elektrowniach, substancji chemicznych w przemyśle farmaceutycznym oraz cementu w cementowniach¹⁹. Na skutek przepływu cząstek stałych w strudze gazu instalacja pneumatyczna ulega intensywnemu zużywaniu erozyjnemu. Najbardziej narażone są elementy, w których następuje zmiana kierunku lub prędkości przepływu. Szczególnie eksploatowane są łuki, kolana, zwężki oraz dysze. Destrukcyjne oddziaływanie erozji, wahania ciśnienia w instalacji, mogą powodować pęknięcia, rozwarstwienia twardych powłok ochronnych od podłoża, a nawet doprowadzić do rozerwania rurociągu²⁰.

Istotnym problemem jest również zużycie erozyjne wentylatorów, które pracują w trudnych warunkach eksploatacyjnych, w przemyśle wydobywczym, hutniczym, celulozowym, drzewnym. Szczególnie narażone na erozję są wentylatory stosowane w systemach energetycznych do wymuszania przepływu powietrza w komorze spalania oraz

17 M. Adamski: Kawitacja – lekceważone zjawisko. Rynek instalacyjny 11/2009.

18 M. Janczak, W. Plutecki: Modelowanie zjawiska kawitacji w pompach wirowych. Mechanik 8-9/2011, s. 738–

743.

19 F. Yan, A. Rinoshika: Application of high-speed PIV and image processing to measuring particle velocity and concentration in a horizontal pneumatic conveying with dune model. Poweder Technology 208, 2011.

20 A. Rinoshika: Effect of oscillating soft fins on particle motion in a horizontal pneumatic conveying.

International Journal of Multiphase Flow 52, 2013, s. 13–21; A.A. Cenna, M.G. Jones: Micro-mechnic analysis of wear mechnisms and modelling for service life of pneumatic conveying pipelines. Australian Bulk Handling Review: May/June 2011, s. 66–72.

13

w instalacjach transportu lotnego popiołu. Główne przyczyny uszkodzeń i awarii wentylatorów to: zużycie erozyjne, korozja oraz wysoka temperatura. Wskutek oddziaływania erozji uszkodzeniu ulegają łopatki, elementy konstrukcyjne, piasty, następuje spadek wydajności oraz sprawności eksploatacyjnej. Destrukcyjne oddziaływanie twardych cząstek wywołuje ubytki materiału i zmienia geometrię łopatek. W rezultacie występują drgania, wibracje, co prowadzi do zmęczenia materiału i złamania łopatek²¹. Podczas przetłaczania szkodliwych dymów, które mogą zawierać agresywne związki chemiczne, proces degradacji mechanicznej postępuje dynamicznie w wyniku równoczesnego oddziaływania procesu erozji i korozji. Intensywne zużycie elementów wentylatora, wskutek erozyjnego oddziaływania transportowanych gazów zawierających cząstki stałe, wyklucza możliwość regeneracji, ponieważ koszt naprawy uszkodzonych części przewyższa koszty związane z wymianą wentylatora na nowy. Podczas prac regeneracyjnych lub modernizacji wentylatorów wielkogabarytowych konieczne jest stosowanie specjalistycznego oprzyrządowania oraz przeprowadzanie trudnych operacji, takich jak schładzanie czy nagrzewanie elementów w celu demontażu i montażu części zamiennych wentylatora.

Skuteczne prognozowanie częstotliwości awarii jest trudne ze względu na nieprzewidywalny charakter zużycia. Nieoczekiwane przestoje pomiędzy planowanymi przerwami konserwacyjnymi powodują przerwy w produkcji oraz generują dodatkowe koszty. Ze względów ekologicznych oraz wymagań technologicznych wzrasta zapotrzebowanie na wentylatory do celów przemysłowych. W okresach maksymalnego zapotrzebowania na energię, niezawodność, wydajność przedłużony okres eksploatacji wentylatorów gwarantuje stabilność oraz ciągłość procesu produkcji. W celu zwiększenia trwałości, elementy wentylatorów pokrywane są powłokami ochronnymi, które głównie nanosi się metodami napawania. Jednak powłoki pomimo dużej grubości, już po kilku miesiącach eksploatacji, muszą być regenerowane ze względu na powstające uszkodzenia.

W Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu, wspólnie z Akademią Górniczo-Hutniczą, Instytutem Odlewnictwa w Krakowie oraz przedsiębiorstwem przemysłowym Plasma System S.A. pojęto realizację projektu: „Innowacyjne rozwiązania technologiczne ochrony powierzchni łopatek wentylatorów przemysłowych”²². Projekt dotyczył opracowania nowej jakości powłok, które charakteryzują się mniejszą grubością, przy zachowaniu znaczenie większej twardości, gładkości, odporności na zużycie

21 H. Kazempour-Liacy, M. Mehdizadeh, M. Akbari-Garakani, S. Abouali: Corrosion and fatigue failure analysis of a forced draft fan blade. Engineering Failure Analysis 18, 2011, s. 1193–1202.

22 M. Richert: Raport końcowy z projektu rozwojowego nr N R15 0001 06/2009: Innowacyjne rozwiązania technologiczne ochrony powierzchni łopatek wentylatorów przemysłowych. AGH Kraków 2010.

14

erozyjne oraz lepszymi właściwościami ochronnymi w stosunku do powłok nanoszonych metodami napawania. Procesy osadzania powłok mikro- i nanometrycznych z zastosowaniem metod PVD oraz metody odparowania wiązką elektronową prowadzono w Zakładzie Inżynierii Powierzchni w Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu. W skład zespołu badawczego, który podjął się rozwiązania problematyki badawczej i technicznej, wchodziła grupa naukowców z bogatym doświadczeniem w zakresie prowadzenia prac naukowo- -badawczych z obszaru inżynierii powierzchni, budowy maszyn oraz zaawansowanych technologii przemysłowych²³.

Uzyskane efekty badań pozwoliły obniżyć ciężar łopatek, zwiększyć ich trwałość oraz poprawić niezawodność wentylatorów. Opracowane materiały funkcjonalne wzbudziły duże zainteresowanie firm zajmujących się komercyjnie inżynierią powierzchni oraz produkcją i regeneracją wentylatorów. Podczas realizacji projektu sformułowano wnioski dotyczące potrzeby badań empirycznych opracowanych powłok w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych z zastosowaniem specjalistycznych urządzeń laboratoryjnych. Autor niniejszej dysertacji otrzymał zadanie identyfikacji urządzeń do badania procesu erozji uderzeniowej. Z przeprowadzonej dogłębnej analizy przedmiotu wynikało, że w kraju nie są dostępne urządzenia, które umożliwiłyby przeprowadzenie badań normatywnych, a szczególnie brak jest aparatury do badań niestandardowych o szerokim zakresie zmiany parametrów eksploatacyjnych²⁴. Opracowano tylko rozwiązania prototypowe zainstalowane m.in. w laboratoriach: w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, w Politechnice Białostockiej oraz w Politechnice Śląskiej w Gliwicach. Jednak opracowane rozwiązania nie spełniały wymagań dotyczących precyzyjnego dozowania ścierniwa, nie dawały możliwości przeprowadzania badań wysokotemperaturowych oraz pomiaru kilku próbek z różnych materiałów w pojedynczym cyklu badawczym. Do grupy producentów zagranicznych oferujących urządzenie do badania zużycia erozyjnego należą firmy ze Stanów Zjednoczonych: Koehler i Falex oraz firmy z Indii: Ducom i Magnum. Zasadnicze różnice pomiędzy oferowaną aparaturą, a oczekiwaniami konstruktorów polegają na braku możliwości przeprowadzania badań w wyższych temperaturach. Dostępne urządzenia mają ograniczoną funkcjonalność w stosunku do pełnego zakresu badań, jakie powinny być realizowane w obszarze zużywania erozyjnego. Ze względu na brak zaawansowanej aparatury

23 M. Richert: Raport końcowy z projektu rozwojowego nr N R15 0001 06/2009:… op. cit.;.A. Mazurkiewicz, J. Smolik: Raport z projektu rozwojowego nr N R15 0001 06/2009: Innowacyjne rozwiązania technologiczne ochrony powierzchni łopatek wentylatorów przemysłowych. ITeE – PIB Radom 2010.

24 A. Zbrowski, W Mizak: Analiza systemów wykorzystywanych w badaniach zużycia erozyjnego. Problemy Eksploatacji 3/2011, s. 235–250.

15

badawczej umożliwiającej elastyczne symulowanie procesu erozji, po zakończeniu realizacji projektu, autor podjął się zadania zaprojektowania, wytworzenia i weryfikacji konstrukcji urządzenia do badania procesu erozji uderzeniowej oraz opracowania oryginalnej metodyki badań.

Z analizy wyników prac prowadzonych w Instytucie wynika, że uniwersalne urządzenie do symulacji zużycia erozyjnego jest niezbędne do lepszego poznania zjawiska erozji.

Zostały podjęte działania, mające na celu opracowanie aparatury badawczej, która umożliwia sterowanie parametrami procesu erozji w szerokim zakresie. Założono, że powstaną nowe możliwości badań materiałowych i sposobu doboru opracowanych powłok do planowanych zastosowań praktycznych. Zgromadzona wiedza umożliwia także dobór, zaprojektowanie i wytwarzanie zaawansowanych materiałów funkcjonalnych i konstrukcyjnych oraz weryfikację skuteczności technologii nakładania powłok.

Identyfikacja mechanizmu zużywania erozyjnego pozwala na ograniczenie kosztów eksploatacyjnych. Na etapie projektowania parametrów realizowanego procesu ważne jest uwzględnienie kształtu konstrukcji oraz właściwości stosowanych materiałów.

W celu poprawnego zaprojektowania urządzeń i elementów konstrukcyjnych instalacji konstruktorom potrzebna jest wiedza naukowa i praktyczna na temat zjawiska erozji, jego skutków oraz odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych.

Erozja jest zjawiskiem wywołującym degradację elementów maszyn w sposób nieprzewidywalny na etapie projektowania. Niezwykle istotną rolę przy charakteryzowaniu odporności na zużycie erozyjne materiałów konstrukcyjnych pełnią eksperymentalne metody wyznaczania własności przeciwzużyciowych oraz odtwarzania warunków eksploatacji.

Dlatego zaistniała potrzeba opracowania aparatury badawczej i metod, które pozwolą na odtwarzanie eksperymentalne procesu zużywania w sposób umożliwiający zbudowanie empirycznych modeli i z ich wykorzystaniem wyznaczenie przewidywanej trwałości eksploatacyjnej badanego materiału w odniesieniu do procesów erozyjnych.

Zdobyte przez autora niniejszej pracy doświadczenie jako konstruktora z zakresu projektowania prototypów, aparatury badawczej, urządzeń oraz maszyn technologicznych²⁵, umożliwiło sformułowanie problemu dotyczącego opracowania unikalnego urządzenia badawczego oraz metodyki badań zużycia erozyjnego

25 P. Czajka, W. Mizak: Modułowa struktura głowicy wizyjnej do hybrydowej kontroli jakości w paśmie widzialnym i podczerwieni. Technologia i Automatyzacja Montażu 2(76), 2012, s. 42–47; P. Czajka, W. Mizak, J. Galas, A. Czyżewski, M. Kochanowski, D. Litwin, M. Socjusz: Method for limitation of disturbances in measurement data in 3D laser profilometry. Recent Advances in Automation, Robotics and Measuring Techniques, Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 267, 2014, s. 579–590.

16

odpowiadających w wysokim stopniu rzeczywistym warunkom eksploatacji. Proces zużywania erozyjnego zachodzi w różnych środowiskach, w dużym zakresie zmienności parametrów takich jak temperatura, prędkość czy rodzaj materiału ściernego. Dlatego podstawowym założeniem było opracowanie technicznego systemu badań i metodyki, umożliwiających realizację eksperymentów w warunkach wysokotemperaturowych, z płynną regulacją prędkości cząstek erodenta oraz regulacją stężenia cząstek stałych w wydmuchiwanym powietrzu w szerokim zakresie wartości parametrów dla kilku próbek materiałowych jednocześnie. Opracowana aparatura może stanowić użyteczne narzędzie poznawcze dla badaczy i konstruktorów, pomagające wyjaśnić fizykalne aspekty procesu erozji materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Założono, że proponowany system badania zużycia erozyjnego pozwoli odtwarzać mechanizm erozji uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem twardych cząstek, gdzie nośnikiem precyzyjnie regulowanej ilości ścierniwa jest strumień sprężonego powietrza.

1.3. Analiza pojęciowa

W badaniach naukowych istotne jest precyzyjne określenie znaczenia stosowanych pojęć. W celu usystematyzowania terminów stosowanych w dysertacji autor przeprowadził analizę terminologiczną kluczowych pojęć z obszaru tematyki stanowiącej przedmiot rozprawy doktorskiej, m.in.: erozja, metodyka, materiały konstrukcyjne oraz materiały funkcjonalne. W ujęciu ogólnym erozja określana jest jako proces stopniowej utraty materiału na skutek oddziaływania mechanicznego pomiędzy powierzchnią ciała stałego a strumieniem cieczy, gazu, strumieniem cząstek stałych w gazie lub w cieczy²⁶.

W literaturze przedmiotu występuje wiele rodzajów zużywania erozyjnego definiowanych jako: hydroerozja, zużycie hydrościerne, erozja uderzeniowa oraz kawitacyjna²⁷. Zużywanie erozyjne zależy od wielu parametrów, m.in.: kształtu, wielkości oraz prędkości cząstek stałych, a degradacja powierzchni występuje w wyniku skrawania, bruzdowania, pękania zmęczeniowego i wykruszania. Poszczególne mechanizmy zużywania występują w zależności od rodzaju erozji. W prezentowanych

26 N. Krishnamurthy, M.S. Murali, B. Venkataraman, P.G. Mukunda: Erosion behavior of plasma sprayed alumina and calicia-stabilized zirconia coatings on cast iron substrate. Ceramic coating-applications in engineering. InTech 2012, s. 99–126; J.R. Laguna-Camacho, A. Marquina-Chavez, J.V. Méndez-Méndez, M. Vite-Torres, E.A. Gallardo-Hernández: Solid particle erosion of ASI 304,316, and 420 stainless steels. Wear 301, 2013.

27 J.A. Williams: Wear and particles-some fundamentals. Tribology International 38, 2005, s. 863–870;

M. Blicharski: Inżynieria powierzchni. WNT, Warszawa 2009; B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn.

Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz 1996.

17

definicjach erozji medium, w którym przemieszczają się cząsteczki ciała stałego, jest określane ogólnie jako płyn ze względu na to, że w mechanice płynów ciecze i gazy definiowane są jako płyny²⁸. J. Bitter, twórca modelu matematycznego zużycia erozyjnego, proces erozji zdefiniował jako uszkodzenie materiału spowodowane przez oddziaływanie cząstek porwanych przez strumień płynu uderzającego o powierzchnię z dużą prędkością²⁹. Natomiast I.M. Hutchings erozję definiuje jako proces zużywania ściernego powstającego w wyniku wielokrotnego uderzenia cząstek stałych zawartych w płynie o powierzchnię.

Rezultatem oddziaływania cząstek jest usuwanie materiału z powierzchni³⁰ .

Ponieważ dysertacja dotyczy głównie erozji uderzeniowej wywoływanej cząstkami stałymi w strudze gazu, definiowanej rozmaicie przez badaczy, to konieczne było ustalenie definicji tego rodzaju erozji stosowanej w ramach rozprawy.

M. Blicharski zjawisko erozji uderzeniowej definiuje jako erozję: w której względny ruch cząstek stałych jest w kierunku bliskim do prostopadłego do powierzchni ciała stałego³¹. L. Dobrzański określa główne mechanizmy, które wpływają na stopień zużywania erozyjnego oraz proponuje następującą definicję erozji uderzeniowej:

Erozja spowodowana cząstkami stałymi jest uszkodzeniem powierzchni przez uderzenie stałymi cząstkami unoszonymi przez gaz. Stopień uszkodzenia materiału w wyniku erozji jest funkcją masy i kształtu cząstek uderzających o powierzchnię, ich prędkości oraz kąta padania³² .

W wyniku przeprowadzonej literaturowej analizy pojęć dotyczących erozji, w tym erozji uderzeniowej, autor zaproponował następującą definicję: erozja uderzeniowa jest procesem wywołującym stopniową utratę materiału z powierzchni ciała stałego, w wyniku wielokrotnego i powtarzającego się mechanicznego oddziaływania pomiędzy powierzchnią ciała a cząstkami stałymi zawartymi w strudze gazu.

W celu ograniczenia wpływu mechanizmów zużywania materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, powstających w wyniku oddziaływania erozji uderzeniowej, wymagane jest przeprowadzenie zaawansowanych prac badawczych. Do realizacji badań zostało zaprojektowane urządzenie prototypowe, które wymagało opracowania specjalistycznej

28 K. Jeżowiecka-Kabsch, H. Szewczyk: Mechanika płynów. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001.

29 J.G. Bitter: A study of erosion phenomena. Part I…op. cit., s. 5–21; Z. Kosma: Podstawy mechaniki płynów.

Politechnika Radomska 2002.

30 I.M. Hutchings, R.E. Winter: Particle erosion of ductile metals: a mechanism of material removal, Wear 27, 1974, s. 121–128.

31 M. Blicharski: op. cit.

32 L.A. Dobrzański, A.D. Dobrzańska-Danikiewicz: Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich. Open Access Library, vol. 5, Gliwice 2011.

18

metodyki. Według Kolmana przygotowanie metodyki w sposób poprawnie metodologiczny dotyczy: generalnej koncepcji rozwiązania podjętego zagadnienia naukowego, koncepcji planu badań podstawowych i sprawdzających, zastosowanych metod badawczych, postępowania w realizacji badań, postępowania w analizie wyników oraz postępowania w procesie wnioskowania³³.

W Słowniku języka polskiego pojęcie metodyka określane jest jako: zbiór zasad dotyczących sposobów wykonywania jakiejś pracy lub trybu postępowania prowadzącego do określonego celu³⁴.

Uszczegółowienie definicji wprowadził W. Kurowski: Metodyka (od greckiego methodikos lub łacińskiego methodikus, co znaczy: metodyczny) – zbiór wytycznych postępowania w danej dziedzinie nauki, zbiór zasad i sposobów wykonywania jakiejś działalności w określonym celu³⁵.

Natomiast W. Kopaliński definiuje metodykę jako: zbiór zasad i sposobów dotyczący wykonywania jakiejś pracy badawczej albo osiągnięcia jakiegoś celu, w szczególności traktujący o szczegółowych normach postępowania w danej dyscyplinie naukowej. Metodyka jest teorią zastosowania reguł semiotycznych oraz logiki formalnej do działalności naukowej³⁶. Na podstawie przeprowadzonej analizy literaturowej autor dysertacji przyjął definicję metodyki zaproponowanej przez Kolmana.

Podczas opracowywania metodyki badań zużywania erozyjnego istotnym pojęciem jest metoda, która w piśmiennictwie określana jest jako element metodyki. Metoda jest definiowana jako sposób pracy badawczej i czynności przeprowadzanych w trakcie realizacji prac, poprzez zastosowanie określonych technik badawczych oraz narzędzi³⁷.

Słowo metoda pochodzi od łacińskiego methodus lub greckiego methodos, co wg W. Kurowskiego znaczy: badanie – świadome, konsekwentne i uporządkowane działanie dla osiągnięcia określonego celu; w nauce, jest to ogół reguł określających sposób badania zjawisk, obiektów i sytuacji, prowadzących do poznania prawdy³⁸.

33 R. Kolman: Poradnik dla doktorantów i habilitantów. OPO, Bydgoszcz 1994.

34 M. Szymczak (red.): Słownik języka polskiego. PWN, Warszawa 1983.

35 W. Kurowski: Podstawy diagnostyki systemów technicznych. Metodologia i metodyka. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB, Radom 2008.

36 W. Kopaliński: Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych z almanachem. Wiedza Powszechna, Warszawa 1967, s. 328–329.

37 W. Leszek: Wybrane zagadnienia badań empirycznych. Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, Radom 2006;

M. Krajewski: O metodologii nauk i zasad pisarstwa naukowego.

http://www.krajewskimiroslaw.pl/_media/docs/4i.%20METODOLOGIA%20NAUK.pdf, 2010.

38 W. Kurowski: op. cit.

19

Według Słownika języka polskiego metodę określa się jako: …świadomie i konsekwentnie stosowany sposób postępowania dla osiągnięcia określonego celu; zespół celowych czynności i środków oraz jako …sposób naukowego badania rzeczy i zjawisk;

ogół reguł stosowanych przy badaniu rzeczywistości³⁹.

S. Nowak uważa, że metoda to określony, powtarzalny i wyuczony sposób – schemat lub wzór – postępowania, świadomie skierowanego na realizację pewnego celu poprzez dobór środków odpowiednich do tego celu⁴⁰.

Wyczerpującą definicję analizowanego pojęcia przedstawił K. Krajewski: Metoda to świadomy i konsekwentny sposób postępowania (poznania), prowadzący do osiągnięcia określonego celu badawczego, którym powinien być problem badawczy. Metoda jest zatem sposobem pracy badawczej i związanymi z nim czynnościami poprzez zastosowanie określonych narzędzi i technik badawczych. Prowadzenie badań zgodnie z określonymi wcześniej metodami powinno mieć charakter metodyczny⁴¹.

Negatywne oddziaływanie erozji na maszyny i urządzenia wymusza stosowanie nowoczesnych materiałów, które ograniczają gwałtowne zużywanie się elementów konstrukcyjnych. W ujęciu ogólnym materiały inżynierskie można podzielić na materiały konstrukcyjne i funkcjonalne. B. Garbarz definiuje materiały konstrukcyjne jako materiały, używane do przenoszenia obciążeń i ruchu oraz do ochrony przed niepożądanym oddziaływaniem środowiska. Materiał konstrukcyjny powinien wykazywać wysoki poziom kilku, określonych warunkami eksploatacji, cech technologicznych i użytkowych takich jak:

wytrzymałość, ciągliwość (odporność na pękanie), plastyczność (podatność do formowania, w tym tłoczność), podatność do obróbki nadającej kształt (metodami ciągnienia, skrawania), podatność do łączenia (spawalność, zgrzewalność), odporność na czynniki wywołujące zniszczenie (np. odporność na korozję)⁴². Najważniejszą właściwością mechaniczną materiału konstrukcyjnego jest wytrzymałość, czyli zdolność do przenoszenia obciążeń granicznych, po przekroczeniu których materiał ulega odkształceniu lub zniszczeniu⁴³. Właściwości mechaniczne materiałów zależą od składu chemicznego, struktury materiału powstałej w wyniku obróbki cieplej i plastycznej oraz warunków fizykochemicznych i termodynamicznych, w jakich materiał jest eksploatowany. Właściwości określające jakość

39 M. Szymczak (red.): op. cit.

40 S. Nowak: Metodologia badań społecznych. PWN, Warszawa 1985, s. 23.

41 M. Krajewski: op. cit.

42 B. Garbarz: Granice rozwoju materiałów konstrukcyjnych na bazie żelaza. Prace IMŻ 1, 2010.

43 W.J. Klimasara: Badanie materiałów konstrukcyjnych 315[01].02.02. ITeE – PIB, Radom 2007.

20

materiału konstrukcyjnego wyznaczane są na podstawie wyników różnego rodzaju badań, testów, których przebieg zależy od przeznaczenia materiału i rodzaju badanej właściwości⁴⁴.

A. Zieliński, B. Świeczko-Żurek materiały konstrukcyjne definiują jako materiały strukturalne służące do budowy obiektów technicznych przenoszących obciążenia mechaniczne⁴⁵. Natomiast L. Dobrzański charakteryzuje materiały konstrukcyjne jako materiały inżynierskie, które wykorzystywane są do budowy maszyn i urządzeń. Materiały inżynierskie niewystępujące w naturze, lecz wymagające zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych, po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze⁴⁶.

W wyniku przeprowadzonej analizy definicji materiałów konstrukcyjnych autor, modyfikując analizowane pojęcia zaproponował następującą definicję: Materiały konstrukcyjne to materiały wykorzystywane w budowie maszyn, urządzeń, konstrukcji do przenoszenia obciążeń oraz ruchu, dla których najważniejszymi cechami są wytrzymałość mechaniczna oraz odporność na czynniki wywołujące zniszczenie.

Kolejną grupę analizowanych materiałów inżynierskich stanowią materiały funkcjonalne, dla których głównym celem nie jest przenoszenie obciążeń, lecz przystosowanie do wypełniania określonych funkcji. B. Garbarz postrzega materiały funkcjonalne jako …materiały charakteryzujące się specyficznymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Jako materiały funkcjonalne wykorzystywane są gatunki stali o specjalnych właściwościach magnetycznych, elektrycznych i powierzchniowych⁴⁷. Podstawowymi właściwościami fizykochemicznymi, które decydują o cechach użytkowych materiałów funkcjonalnych są: właściwości elektryczne (przewodnictwo elektronowe i jonowe, efekty półprzewodnikowe, stała dielektryczna), magnetyczne (podatność magnetyczna), właściwości optyczne (przezroczystość, selektywność adsorpcji), cieplne (bardzo niski lub bardzo wysoki współczynnik przewodnictwa cieplnego)⁴⁸.

Wyczerpującą definicję materiałów funkcjonalnych przedstawili A. Mazurkiewicz oraz J. Smolik: ...materiały funkcjonalne odznaczają się bardzo złożonymi właściwościami fizycznymi i tribologicznymi, umożliwiają efektywne przeciwdziałanie czynnikom niszczącym

44 K. Konowski: Wprowadzenie do ćwiczeń laboratoryjnych. Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Szczecin 2013.

45 M. Głowacka, A. Zieliński: Podstawy materiałoznawstwa. Politechnika Gdańska, Gdańsk 2011.

46 L.A. Dobrzański: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006.

47 B. Garbarz: op. cit.

48 J. Lis, M.M. Bućko, R. Pampuch, L. Stoch, E. Sobierska, J. Szczerba: Sprawozdanie z pracy badawczej pt.:

Analiza stanu wiedzy, SWOT, PT, PPT w zakresie Technologii Ceramiki i Szkła oraz wprowadzenie informacji od baz danych. Wykonanej w ramach porjetku Nr WKP_1/1.4.5/2/2006/23/26/604 pt.: „Scenariusze rozwoju technologii nowoczesnych materiałów metalicznych, ceramicznych i kompozytowych” AGH, 2006.

21

działającym w procesie eksploatacji, charakteryzują się wytrzymałością na działanie obciążeń zewnętrznych, odpornością korozyjną, ale także odpornością na zarysowanie oraz wymaganą estetyką. Do grupy materiałów funkcjonalnych zaliczane są powłoki gradientowe, wielowarstwowe oraz wieloskładnikowe… ⁴⁹.

Natomiast K. Lukaszkowicz materiały funkcjonalne definiuje jako … materiały, które wykazują wysokie własności mechaniczne i użytkowe oraz są zdolne do zachowania niskiego współczynnika tarcia w wielu środowiskach pracy, przy zachowaniu dużej twardości i zwiększonej odporności ⁵⁰.

Proces wytwarzania nowych materiałów inżynierskich jest dostosowany do potrzeb klienta i funkcji użytkowych produktu. Rodzaj zastosowanych materiałów jest istotny, ale nie najważniejszy, kluczowa jest funkcjonalność materiału, jakiej oczekuje użytkownik.

Do grupy materiałów funkcjonalnych, które są nanoszone na materiały inżynierskie, w celu zwiększenia trwałości eksploatacyjnej, poprawy funkcjonalności, odporności na działanie wysokiej temperatury, ograniczenia procesów korozyjnych i utleniania, zaliczane są różnego rodzaju powłoki. Możliwość elastycznego kształtowania powłok w procesie wytwarzania umożliwia uzyskanie zakładanych właściwości funkcjonalnych⁵¹.

Podsumowując rozważania dotyczące materiałów funkcjonalnych, modyfikując analizowane pojęcia autor sformułował następującą definicję: Materiały funkcjonalne są to materiały, dla których przystosowanie do wypełniania określonej funkcji jest ich najważniejszą właściwością. Spełnianie wymaganych funkcji użytkowych materiałów warunkują specyficzne właściwości fizykochemiczne, optyczne, termiczne, zużyciowe.

Analizę pojęciową przeprowadzono w celu jednoznacznej interpretacji terminów stosowanych w pracy. Zaprezentowano pojęcia stanowiące przedmiot rozważań w dysertacji, zaproponowano autorską definicję procesu erozji uderzeniowej oraz materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Przeprowadzona analiza terminologiczna usystematyzowała podstawowe pojęcia stosowane w rozprawie.

49 A. Mazurkiewicz, J. Smolik: Zaawansowane technologie inżynierii powierzchni wspomagające procesy eksploatacji i wytwarzania. ITeE – PIB, Radom 2015; J. Smolik: Hybrydowe technologie inżynierii powierzchni.

ITeE – PIB, Radom 2016.

50 K. Lukaszkowicz: Kształtowanie struktury i własności powłok hybrydowych na rewersyjnie skręcanych matrycach do wyciskania. Open Access Library, Volume 10 (16) 2012.

51 A. Mazurkiewicz, J. Smolik: op. cit.; L.A. Dobrzański: op. cit.