Direcţia de mişcare. Fig Sistem tribo-mecanic simplu

Transcript

1 67 4. PROCESELE DE UZRE 4.1. Indicatori ai procesului de uzare Uzarea este deinită ca "pierderea progresivă de substanţă din zona de lucru a două supraeţe cu mişcare relativă ". Conceptul de tribo-sistem consideră că uzarea este un parametru principal. Importanţa procesului de uzare este dependentă de uncţiile tribo-sistemului (v. tabelul 4.1). Pentru analiza proceselor de uzare, se consideră un tribosistem ormat din : (1) primul element al cuplei () al doilea element al cuplei; (3) volumul de material la interaţa de contact (atmosera gazoasă ) (de exemplu ig. 4.1). Direcţia de mişcare nvelopa sistemului Fig Sistem tribo-mecanic simplu Dacă se consideră uzura elementului(1), pierderea de material poate i descrisă : i) materialul transerat de la(1) la () ii) pierderea de material(1) în (3) iii)ormarea produselor de reacţie În uncţie de cantitatea de material care este pierdută de elementul(1), uzarea se clasiică în : - uzare medie - uzare severă Pentru uzarea medie procesele se raportează la grosimea supraeţei exterioare. Supraeţele rămase sunt relativ netede şi protejate de grosimea oxizilor generaţi în timpul recării. Particulele sunt oarte mici, dimensiunile lor sunt de ordinul nm (nanometru). Pentru uzarea severă contactul este metalic, supraeţele sunt preponderent rupte şi particulele au dimensiuni de ordinul 100 µm.

2 68 În urma procesului de uzare rezultă Produsele desprinse Deteriorarea supraeţelor Uzura Urmele degradării Reducerea dimensiunilor Utilă Uzarea este: Deavorabilă Indicatori ai procesului de uzare: Cantitativi Viteza de uzare v u du dt u t Intensitatea de uzare Sudarea prin recare Procese tehnologice Liniară U h [µm] Volumetrică U v [µm 3 ] Gravimetrică U g [mg] Energetică U c [mj] - liniară v un [µm/h] - volumetrică v ur [µm 3 /h] - energetică v ue [mw] Pentru uzare se deinesc următoarele mărimi adimensionale: - Supraeţe plane n aria nominală; n min( n1, n delimitate de conturul pieselor) - Supraeţe cilindrice aria de recare, n hertzian pentru supraeţe punctuale, pentru supraeţe liniare rezultă 1, λ n 1, - coeicient de acoperire reciprocă în procesul de recare 1, Lungimea de recare: - L -L o pe ciclu (pe o cursă; la o rotaţie); - L L o -N c, N c numărul ciclurilor (curse, rotaţii)

3 69 Exemple: 1. Cuplă de translaţie (ig. 4.): 1 B 1 b 1 B l C D B b B1 l+b 1 Fig. 4. n1 b 1 B 1 ; n b B, rezultă n bb; bmin(b 1, b ); Bmin(B 1, B ) Pentru cazul din schiţă: 1 B 1 b 1 (orice punct al elementului 1 de pe supraaţa de contact parcurge acest spaţiu aţă de ) curs (ciclu) 1 L o1 1 orice punct al supraeţei 1 parcurge distanţa l. x pentru x [O, b 1 ] M [B] pentru sup. ; L o b 1 pentru x [b 1, 1] M [BC] pentru sup. ; 1-b 1 -x pentru x [1, 1+b 1 ] M [CD]

4 70 rezultă. Cupla de rotaţie (us-cuzinet, bioarticulaţii) (ig. 4.3) - n contact hertzian liniar ϕ 0 (F, R 1, R, E 1, E, µ P1, µ P ); n ϕ o R B, Bmin(B 1, B ), R 1 R R dieră prin toleranţele de abricaţie - 1 πr 1 B; πr B λ1 λ n L o1 ϕ o R când F are direcţia constantă t h ore L L ϕ o ; π 1 B 1 ϕ o Fig. 4.3 L o πr 1 pentru orice punct M care aparţine arcului B L o 0 pentru orice punct M care nu aparţine arcului B ; N 60 n t 30 ω 60 t π 1 1, o 1, c 1 h h ; ω rad/s; n 1 rot/min; Intensitatea de uzare se poate evalua prin: - intensitatea liniară adimensională: du I un dl pentru variaţii mici de timp sau geometrie de recare constantă I uh U h v v t v uh [ L lungimea drumului de recare v viteza de alunecare sau rostogolire. ] du U v h - volumetrică I uv Iun unde aria de recare dl L du g ρuv - gravimetrică Iug ρiuv ρ Iun unde ρ - densitatea dl L materialului uzat h

5 71 - energetică I ue du dl v m du d( F v L ) F U L h F U n h L I τ uh L m lucrul mecanic consumat prin recare şi care a condus la uzura U v F orţa de recare; coeicientul de recare; F n orţa normală. Inversul e * 1 τ energie speciică de recare. I I ue Evoluţia uzurii (U) şi vitezei de uzare (u) în timp sunt prezentate în ig.4.4 un Indicatori de uzare Rodaj Viteza de uzare v u U Funcţionare stabilă Timp Uzură distructivă Fig.4.4 Uzarea materialelor si biomaterialelor prin recare uscată sau limită de alunecare, la nivel macroscopic, depinde de natura supraeţelor. Legile genereale ale uzării, la nivel macroscopic: I. Viteza de uzare (u) este proporţiională cu orţa nominală (F n ) unde V este volumul materialului uzat pe unitatea de alunacare (l). V u F n l II. Viteza de uzare (u) este independentă de aria aparentă de contact. La nivel microscopic, procesul de uzare este explicat prin interacţiunea supraeţelor reale de contact. Conceptul rchard, prezentat în igura 4.1 b, consideră că aria de contact este circulară de rază a (aria elementară dπa ). Se presupune lungimea de recare prin alunecare la, particulele sunt semiserice cu raza a şi volum V(/3)πa 3. stel, se obţine V l π a 3 a 3 3 rchard a sugerat ideia că nu se produce particulă de uzură la iecare interacţiune. Se introduce uncţia k, care reprezintă probabilitatea ormării unei particule de uzură. V 1 k r l 3 unde r este aria reală(eectivă ). Pentru că r este uncţie de orţa normală, F n, rezultă că: - pentru deormarea elastică ψ<0,6: r F n Fn ;V k E E l

6 7 unde E este modelul de elasticitate. - pentru deormarea plastică ψ >1 F n Fn r ;V k σc σc unde σ c este limita de curgere. Istoriceşte, se consideră două criterii de clasiicare a proceselor de uzare: a) clasiicarea după tipul de mişcare : alunecare, rostogolire, impact, oscilaţie, curgere. b) clasiicare după tipul de uzare- oboseală supericială, abraziune, adeziune, tribochimică, cavitaţie, eroziune etc. Pentru caracterizarea completă a procesului de uzare, este necesară speciicarea următoarelor mărimi: (i) tipul de mişcare; (ii) elementele care sunt în interacţiune; (iii) mecanicasmul dominant de uzare; (iv) marimile de intrare: orţa nominală, coeicientul de recare, deplasarea după iniţierea mişcării; (v) proprietăţile materialului care sunt speciice pentru procesul de uzare; (vi) viteza de uzare; (vii) aspectul supraeţelor degradate prin uzare. În tabelul 4.1 se indică clasiicarea procesului de uzare după criteriile (i), (ii), (iii) şi tipul mişcării. În tabelul 4. se indică aspectul supraeţei pentru principalele orme de uzare.

7 73 Tabelul 4.1 Elemente de interacţiune Mecanismul de uzare Tipul de mişcare relativă Interacţiunile tensiunilor Interacţiunilor tensiunilor şi materialelor solid /solid (metale, polimeri, minerale etc.) cu sau ără lubriianţi alunecare rostogolire Oboseală braziune deziune Tribochimică Uzare prin alunecare Uzare prin rostogolire impact Uzare prin impact solid lichid oscilare curgere Cavitaţie Uzare prin"retting" solid /luid + particule curgere Eroziune Mecanism de uzură Oboseala supericială braziune deziune Tribo-chimică Tabelul 4. spectul supraeţei deteriorate Înţepătură, isură Dungi, striuri, isuri Cratere, lacoane, isuri Eectele reacţiei (particule, ilme)

8 Oboseala supericială.deteriorările care apar în material în zona supraeţei de contact sunt datorate tensiunilor tangenţiale variabile. Uzarea prin oboseală supericială nu este acelaşi lucru cu ruperea volumică prin oboseala clasică a materialului la solicitări variabile: - luctuaţiile timpului de viaţă (durată de viaţă) pentru contactul prin rostogolire sunt mai severe decât pentru contactul clasic; - pentru ruperea clasică prin oboseală există o limită inerioară a rezistenţei pentru care durata de viaţă este parţial ininită. Pentru uzarea prin oboseală supericială nu există o asemenea limită. Durata de viaţă ără deteriorarea prin oboseală supericială poate i determinată cu relaţia empirică de tip Wohler: t const. σ m unde σ m este tensiunea elastică maximă admisă. Complexitatea enomenelor de contact care au ost prezentate în capitolele şi 3 sunt argumente ale inluenţei orţelor normale şi tangenţiale asupra tensiunilor. Fig Distribuţia presiunilor normale si tensiunilor tangenţiale. Tensiunea decisivă pentru oboseala de contact, prin rostogolire, poate i analizată de parametrii următori a) suspensiile din substrat (oxizi, incluziuni dure, dislocări etc.); b) caracteristicile supraeţei (topograie şi textură, tensiuni reziduale, nivele energetice, microstructuri ); c) deecte supericiale (incluziuni, tăieturi, ciupituri de coroziune); d) discontinuităţi ale geometriei de contact (eectul de muchie, particule în contact ); e) orţe tangenţiale (cu alunecare, rostogolire). Observaţiile experimentale privind oboseala supericială demonstrează că tensiunile din substratul de material inluenţează iniţial isura şi propagarea sa. Se poate explica prin teoria dislocaţiilor: (i) îngrămădirea dislocţiilor în banda de alunecare. (ii) uziunea a două dislocaţii şi ormarea în lungul planului de clivaj.

9 75 (iii) isura se ormează la extremitatea înclinată Fig Iniţierea şi propagarea isurilor. Pentru materialele ragile, se consideră ca iind medii continue. Formarea isurii, în aceste materiale, poat i explicată prin teoria lui Griith. Se consideră o isură eliptică cu lungime a şi supusă unei tensiuni σ. Energia necesară ormării isurii este γ cr πa, unde γ cr este energia supericială. Energia elastică acumulată în timp ce supraaţa se isurează este 1 σ 4π 3 a E 3 unde E este modulul de elasticitate Energia utilă isurării 4 U σ π a - 3 γ cr π a E 3 Când energia, introdusă în material prin aplicarea unor tensiuni, depăşeşte energia supericială a materialului, aria isurii creşte. În acest punct, tensiunea din isură este d U da 0 şi σ 4π 4 π a - 3 γ cr a E 3 0 rezultă σ cr γ cr a E De exemplu, pentru oţel, (considerând σ 700 N/mm, γ cr 100 erg/cm J/cm ) lungimea isurii care produce ruptura este a1 µm. Pentru caracteristica de abilitate a materialului ragil la isură se poate utiliza parametrul k c σ cr a 1/. Pentru materiale care se pot deorma elastic, o parte de energie este absorbită de curgerea plastică în zona de isură. Pentru domeniul elasto-plastic, în substratul de contact este posibil ca dislocările să interacţioneze şi să se ormeze particle sub ormă de ulgi (teoria uzării prin delaminare). ceastă teorie explică, de asemenea, ormare straturilor:

10 76 i) generarea dislocaţiilor în substrat ii) îngrămădirea dislocaţiilor; iii) ormarea de cavităţi ; iv) creşterea cavităţilor în direcţii paralele la supraaţă ; v) ormarea straturilor, când isura atinge lungimea critică 4.3. Uzarea abrazivă În practică există multe tipuri de uzare abrazivă, care se pot clasiica în (ig. 4.7 a,b): - abraziune cu "două corpuri" - abraziune cu "trei corpuri". Fig braziunea cu "două corpuri" şi "trei-corpuri" În uncţie de matura enomenului, se distinge : a) abraziune cu tăiere (dinţii de excavator, ciocănelele pulverizatorului cu impact ); b) abraziune cu eroziune (agitator de luide, interacţiunea nisipului cu materiale solide ); c) abraziune cu polisare (bile polisante). Numeroase rezultate experimentale demonstrează că volumul materialului dislocat (V u ) prin recare şi uzare este proporţional cu orţa normală şi cu distanţa de alunecare, L : V u F n ; Vu L Se deineşte rezistenţa la uzare L ε V u

11 77 şi rezistenţa relativă la uzură ε specimen ε µ ε standard(etalon) Corelaţia uzării abrazive a materialului cu duritatea abrazivului (H a ) şi duritatea materialului respectiv este cunoscută ca legea Hrusciov-Babicev. Schema de uzare este ilustrată în ig Se pot deosebi trei zone: I regiune cu uzare miderată, Fig Inluenţa durităţii asupra volumului de uzură H a <H m ; II regiune tranzitorie, H a ~H m III regiune cu uzare mare (ridicată) H a >H m. Condiţia necesară pentru a avea uzare moderată şi care este demonstrată prin această corelaţie este H m 1,3 H a. Pentru determinarea proprietăţilor materialului privind comportamentul de abraziune în regiunea cu uzare ridicată au ost testate multe materiale. Fig Diagrama Hrusciov-Babicev rezistenţa la uzare în uncţie de duritate În igura 4.9 este ilustrată reziatenţa relativă la uzare în uncţie de duritatea materialului în regiunea III.

12 78 Rezultatele sunt obţinute prin utilizarea corindonului ca abraziv (care are H,9 N/mm ) şi a aliajului de tip Babbit (plumb cu conţinut de antimoniu ) ca material etalon. Duritatea materialului este determinată înainte de utilizare. Concluzii care se pot trage din diagrama Hrusciov-Babicev: a) pentru metale pure (curba (a) din ig. 4.9) m ε u Cmetal H unde C metal 13, N -1 mm. b) penntru materiale dure şi minerale (curba ( b) în ig. 4.6) m ε u Cmineral H unde C mineral 1, N -1 mm. c) pentru materiale metalice duriicate prin deormaţii, rezistenţa la uzare nu depinde de duritatea materialului (zona c din ig. 4.9). d) pentru oţeluri duriicate prin tratamente termice, rezistenţa la uzare creşte cu duritatea materialului. Corelarea rezistenţei relative la uzare abrazive cu modulul de elasticitate (E măsurat în dan/mm ) este 0,49-4 1,3 ε 10 E u Relaţia liniară între rezistenţa la uzare abrazivă şi rezistenţa materialului poate i veriicată pentru medelul simplu al "brăzdarului" conic (ig. 4.10). Fig Modelul brăzdarului conic al uzării abrasive Pentru orţa normală F ni, aria reală este (sau aria eectivă ): F ni 1 F ni r π r r σ c π σ c unde σ c este rezistenţa la curgere a materialului. Volumul materialului dislocat pe lungimea de alunecare, L, este

13 79 V u 1 r δ F L π σ ni c L ctgϕ V u ctg ϕ F ni L π σ c După ipoteza lui rchard, există doar o proporţie k dintre toate contactele care produc particule de uzură. stel că V u ctg ϕ k F n L σ c dar σ c H m şi prin urmare constant V u H m ε u c H m Duritatea este considerată o proprietate tribologică a materialului pentru comportamentul uzurii abrazive Uzarea prin adeziune Interacţiunea materialelor este oarte importantă pentru adeziunea celor două corpuri care sunt în contact. par orţe de tip Van der Waals cu rază lungă de acţiune la iniţierea contactului, iar apoi acţionează la distanţe oarte mici (~1 nm) orţele cu rază mică de acţiune. În acest el se ormează adezivă care este dependentă de material. Ruperea joncţiunii adezive se poate produce în substratul unuia sau celui de al doilea material (ig. 4.11). Fig Uzarea adezivă În contrast cu mecanismul de uzare abrazivă pentru care este necesar un timp de deteriorare şi o valoare critică a durităţii, uzarea adezivă poate apare imediat, pirn "griparea " sau"blocarea" elementelor cu mişcare relativă. De exemplu, pentru cuplul oţel-oţel se observă transerul materialului de adeziune şi ormarea de joncţiuni "reci" şi dure. Deoarece ormarea joncţiunilor adezive şi ruperea lor sunt inluenţate de imperecţiunile şi impuritaţile supraeţei şi de eectele mediului încomjurător este diicil de ăcut o corelaţie între parametrii uzării adezive şi proprietăţole volumice ale materialului. În vid, unde inluenţele mediului sunt eliminate, pentru cuplul metal-metal, se observă următoarele legi pentru uzarea adezivă :

14 80 (i) interacţiunile adezive la interaţă nu sunt direct dependente de stabilitatea metalului; (ii) structura cristalină inluenţează uzura adezivă. Metalele cu o structură hexagonală au adeziunea inerioară celor cu structură cubică şi volum centrat. ceste dierenţe pot i explicate prin mecanisme de deormare şi prin numărul planelor de alunecare. (iii) Orientarea cristalină inluenţează uzarea adezivă. Metalele cu o densitate atomică ridicată au viteza de uzare mai redusă. (iv) Dacă sunt puse în contact metale dierite, procesul de uzare se derulează prin transer de particule ale metalului cu coeziune mai mică la cel cu coeziune superioară. (v) Cantităţi mici ale elementelor aliajului, de exemplu C şi S, sunt suiciente pentru reducerea uzurii adezive. Carbonul şi sulul, activate de energia termică de recare, diuzează la supraaţa metalică şi diminuă uzura de o manieră semniicativă. În precesele de uzare severă, se pot remarca următoarele enomenele: a) dezvoltarea unor joncţiuni în care tensiunea de contact depăşeşte limita de curgere; sensul dezvoltării joncţiunii este contrar celui vitezei de alunecare. b) isurarea materialului la inele joncţiunii şi detaşarea prin transer pe celălalt material. Pentru înţelegerea acestor enomene, Buckley a ăcut următorul experiment: deplasarea unui ştit de cupru cu structură cristallină pe o supraaţă se cupru bi-cristallină(ig. 4.1). Un grăunte al bicristalului are orientarea în plan cristalin (111) şi în altul (10). Fig Originea ruperii şi ormării particulei de uzură Pentru o singură trecere în lungul supraeţei, isurile în grăunte sunt dezvoltate la temperatura ambiantă. Dacă privim atent isurile, se remarcă margini oarte ine, lise. În spatele materialului aţă de direcţia de deplasare,se ormează o buclă dedesubtul planului de separaţie. Unghiul dintre isură şi orientarea supraeţei corespunde bandei de alunecare a bicristalului. (ig. 4.9). Se produce adeziunea bicristalului de ştit. Din cauza mişcării tangenţiale, ruperea se produce în lungul benzii de alunecare, unde orţele deplasează planurile atomice. Pentru o anumită orţă tangenţială, ştitul se detaşează de bicristal şi bucla metalului se ormează de

15 81 deasupra supraeţei. La trecerea următoare, ştitul va oreca adeziunea situată deasupra supraeţei şi astel se ormează particula de uzură. Legea uzării prin adeziune este L V k F n H unde V este volumul de material uzat; H - duritatea; F n orţa normală ; L lungimea de recare; k coeicientul de uzare adezivă Uzarea tribo-chimică În procesele de alunecare şi/ s-au rostogolire, elementele cuplei de recare interacţionează cu mediul de lucru. Mediul de lucru poate i un lubriiant special sau mediul natural. Interacţiunile între elemente (1 şi ) şi mediul ambiant pot i considerate ca un proces ciclic cu două etape : i) În prima etapă, supraeţele (1) şi () interacţionează cu mediul ambiant şi rezultă produse de reacţie (1)-(3) şi ()-(3) şi care sunt localizate pe supraeţele (1) şi (). ii) În etapa a doua a recării dintre produsele de reacţie, care pot i abrazive sau nu, se pot orma isuri, ruperi. Supraeţele devin "immaculate" şi procesele reîncep cu prima etapă. Produsele de reacţie sunt adăugate proceselor de recare şi uzare şi duc la modiicări energetice în zona de contact : - reactivitatea se dezvoltă în timpul creşterii temperaturii asperităţii, astel că se accelerează ormarea stratului supericial; - proprietăţile mecanice ale stratului se modiică şi apare tendinţa la rupere ragilă a asperităţii. Pe baza acestei ipoteze enomenologice, se poate deini o grosime critică a stratului supericial care, prin rupere, produce particule de uzură. stel, Quin explică uzarea prin oxidarea oţelului : Dacă se consideră t c durata contactului unei singure rugozităţi care se poate rupe cu probabilitatea k, atunci un strat de oxid de grosime h u se va deteriora după timpul t tc t k Dacă se consideră că viteza de alunecare este constantă, v, şi că în timpul t lungimea de recare este L, rezultă L t vk Masa de oxid pe unitatea de supraaţă care se ormează în timpul t este m k p t unde k p este viteza de oxidare. Dar mρh u (ρ densitatea oxidului) şi rezultă k p t h u ρ Semniicaţia coeicientului statristic de uzare k este L k p k V ρ hu Pentru legile de oxidare se consideră că viteza de uzare este de tip rrhenius

16 8 k p c exp - Q RT c unde c este constanta rrhenius, Q este energia de activare, R la constanta universală a gazelor, T c températura din zona de contact. Ţinând cont de aceste relaţii, coeicientul statistic de uzare tribo- chimică devine L k Q c exp - RT c h ρ v u Pentru contactul plastic (indicele de plasticitateψ >1), p c H, unde p c este rezistenţa la curgere, H ditatea materialului, volumul de material uzat este: Q L c exp - k RT c V F n l F n l 3H 3 h u ρ v H unde F n este orţa normală şi l este lungimea totală de recare. ceastă expresie indică principalele elemente de dependenţă ale uzării tribochimice:: a) variabilele de lucru (F n, v, l, T c ); b) constantele generale şi parametrii de material ( c, Q, R, ρ, H); c) caractersticile de interacţiune (L, T c, h u ) Forme complexe de uzare Principalele orme de uzare (oboseală supericială, abraziune, adeziune şi uzare tribo- chimică) există ca atare sau în dierite combinaţii în uncţie de parametrii de lucru şi de ponderea unora sau altora în procesul de recare. De exemplu, uzarea prin retting conţine toate ormele de uzare. cest tip de uzare apare atunci când corpurile solide se deplasează prin oscilare relativă cu amplitudini oarte mici ( < 100 µm) şi se întâlneşte în următoarele cuple de recare: articulaţii, caneluri, asamblări presate, etanşări statice metalice, cuplaje etc. Procesul de uzare prin retting poate i schematizat astel: - în prima etapă se iniţiază isurile prin mişcarea de oscilaţie şi se propagă; - în etapa a doua se ormează particulele de uzură ca urmare a procesului de oboseală supericială şi / sau de adeziune. În această etapă se produc reacţii tribo-chimice. - în timpul celei de-a treia etape, particulele de uzare se detaşează şi multe dintre ele pot i abrazive. stel, procesul se reia. În orice proces de uzare, se poate aplica principiul suprapunerii eectul. Pentru cazul unei cuple de recare cu două elemente cu uncţionare în atmoseră gazoasă, trebuiesc analizaţi următorii parametrii: - caracteristile izice ale materialelor, M 1, M ; - mediul gazos, G; - zonele deormate ale materialelor, D 1, D ; - materiale retranserate D 1 1 ; D - le materiale deormate şi retransormate D 1, D 1 ; - produse de reacţie, R 1, R ; - produse de reacţie transerate, R 1, R 1 - produse de uzare ale materialelor, Z M ;

17 83 - produse de uzare ale stratului de reacţie, Z R ; - lgaze adsorbite, G 3 1, G 3. Schimbările componentelor materialelor în sistemul tribo- mecanic sunt ilustrate în ig Studiul sistematic şi sistemic al procesului de uzare este speciic iecărei cuple de recare şi permite deducerea principalelor legi de uzare şi limitele de aplicare ale lor. Fig Suprapunerea mecanismelor de uzare