1

TRIBOLOGIJA - predavanja-

2

1. UVODNE NAPOMENE

Poznavanje uslova dodira tijela koja čine kinematski par je od posebnog značaja pri istraživanju i razmatranju procesa koji se odigravaju na površini njihovog sprezanja. Dva su osnovna procesa koji se javljaju pri relativnom kretanju elemenata kinematskog para a to su:

TRENJE NA DODIRNIM POVRŠINAMA HABANJE, ODNOSNO TROŠENJE MATERIJALA SA POVRŠINE KOJE SU U MEDJUSOBNOM DIJELOVANJU.

Pri tome veličina otpora kretanja ili trenje odredjuje korisnost mehaničkog sistema, a veličina postojanosti trajnosti površina izloženih habanju ili drugim vidovima opterećenja odredjuje radni vijek. Prema tome trenje je uzročnik gubitka mehaničke energije u mašinama, a habanje materijala je osnovni razlog zamjene dijelova tokom eksploatacije. Prema tome složene probleme trenja, habanja i fenomene vezane za ove procese izučava TRIBOLOGIJA. Drugim riječima TRIBOLOGIJA obuhvata istraživanje pojava i procesa trenja i habanja te optimizaciju i maksimiziranje ovih karakteristika kod različitih mehaničkih sistema.Ima više definicija za pojam TRIBOLOGIJA, a najopštija definicija je:

TRIBOLOGIJA je tehnička disciplina koja izučava pojave i procese na površinama koje su u medjusobnom dijelovanju: direktnom ili indirektnom dodiru i relativnom kretanju.

TRIBOLOGIJA se definiše i kao multinaučna optimizacija frikcionog kompleksa. Frikcioni kompleks podrazumjeva proces trenja, habanja i podmazivanja.

TRIBOLOGIJA se definiše i kao nauka i tehnologija o transferu i disipaciji (gubitku) mase i energije u mehaničkom sistemu.

TRIBOLOGIJA je u krajnjem slučaju izvedena od grčke riječi tribos-trenje i logos-nauka. Osnovni uzročnici pojave neispravnosti pojedinih mašinskih sistema su tribološki procesi, tj. povećano trenje i habanje materijala u pojedinim tribo mehaničkim sistemima (TMS) koji čine dotični mašinski sistem. Na osnovu analiza ustanovljeno je da preko 30% svih neispravnosti osnovnih elemenata mašina nastaje kao direktna posljedica habanja. Analizirajući zavisnost pojave neispravnosti u funkciji od vremena mogu se razlikovati tri područja (slika 1.1). Područje I označava inicijalne ili rane neispravnosti i posljedica su grešaka u proračunu konstrukcije, materijalu, proizvodnji i montaži. Učestalost neispravnosti opada tokom vremena. Slučajne neispravnosti koje se javljaju u toku eksploatacije obuhvataju područje II. Eksploatacija, kontrola i održavanje po savremenim tehničkim principima omogućavaju približno konstantnost ovih otkaza. U oblasti III neispravnosti nastaju kao rezultat progresivnog razvoja triboloških procesa i primjećuje se porast intenziteta otkaza tokom vremena.

3

Slika 1.1:Zavisnost učestanosti oštećenja od vremena O značaju triboloških procesa tokom rada mehaničkih sistema može se suditi i na osnovu sljedećih razmatranja. U svakom sistemu ulazna veličina se transformiše u izlaznu preko strukture sistema. Sistem za to vrijeme trpi odredjene promjene. Ako bi to prikazali šematski to bi izgledalo kao na slici 1.2.

Slika 1.2: Shematski prikaz promjena u tribomehaničkom sistemu

4

Kada govorimo o tribologiji onda su bitna njena tri aspekta: - ekonomski - naučno-istraživački - interdisciplinarni. 1.1 EKONOMSKI ASPEKT Disipacija mehaničke energije u sistemima javlja se kao rezultat rada utrošenog na savladjivanju trenja. Procjenjuje se da se od ukupno prizvedene energije u svijetu preko 30% utroši na savladjivanje trenja. Pored direktne uštede energije, smanjenjem trenja, indirektni načini uštede vezani za poboljšanje triboloških karakteristika materijala i maziva omogućuju više radne temperature, viša opterećenja, smanjenje dimenzija mašina, što znači manje utrošenog materijala, manje sirovina i manje energije potrebne za proizvodnju tog materijala. 1.2 NAUČNO STRUČNI ASPEKT Napredak u fundamentalnim znanjima o trenju i habanju, razvoj novih materijala otpornih na habanje i novih kvalitetniji maziva, ostvaren u zadnjih četvrt vijeka, kao i aplikacija tih znanja ukazuju na bitnu ulogu tribologije kao naučno stručne discipline. 1.3 INTERDISCIPLINARNI KARAKTER Izučavanje triboloških procesa, kao i rješavanje triboloških problema zahtjeva poznavanje mnogih oblasti fizike, hemije i mašinstva, što čini tribologiju multidisciplinarnom naukom. U oblasti mašinstva tribologija se oslanja u prvom redu, na nauku o materijalima, nauku o konstruisanju i mašinskim elementima, kao i na poznavanje osnovnih zakonitosti mehanike fluida. Sumirajući prethodno može se zaključiti da tribološka istraživanja i korišćenje ostvarenih znanja, kako u procesu konstruisanja tako i u proizvodnji i eksploataciji mašina, predstavljaju neophodnost savremene industrije kada se posmatraju njeni današnji zahtjevi za ekonomično korištenje materijala, racionalno trošenje energije, smanjenje troškova održavanja i povećanje pouzdanosti mehaničkih sistema.

5

2. TRENJE Trenje kao prirodna fizička pojava predstavlja mehanički otpor koji nastaje na površini dodira dva tijela kada se jedno tijelo kreće ili teži da se relativno kreće po površini drugog. Ovako definisan otpor kretanja naziva se spoljnje trenje za razliku od trenja pri relativnom kretanju čestica unutar čvrstih materijala, tečnosti i gasova koje se označava kao unutrašnje trenje. Za veličinu unutrašnjeg trenja kod fluida koristi se termin viskoznost. U opštem slučaju gubitak energije u TMS nastaje zbog trenja tijela u neposrednom dodiru, trenja u viskoznom fluidu i gubitak usljed elastičnog histerezisa. Mada ne postoji potpuna saglasnost šta je uzrok trenja pri relativnom kretanju čvrstih tijela, veoma je jasno da je to karakteristika posmatranog sistema koja zavisi ne samo od svojstava materijala u dodiru, već i od radnih uslova i sredine u kojoj sistem radi. Pri definisanju trenja kao karakteristične promjenljive koriste se sljedeće veličine: - SILA TRENJA Ftr - KOEFICIJENT TRENJA μ - MOMENT TRENJA i Mtr - RAD TRENJA Atr KOEFICIJENT TRENJA μ je bezdimenzionalna kvantitativna karakteristika trenja. Definiše se odnosom sile trenja i normalnog opterećenja. SILA TRENJA Ftr je sila koja se javlja kao mehanički otpor kretanju, paralelna je sa pravcem kretanja, a suprotnog je smjera. MOMENT TRENJA Mtr je moment koji se javlja kao mehanički otpor obrtanju. RAD TRENJA Atr je rad neophodan da se prevazidje trenje i najvećim dijelom se pretvara u toplotu. Površine materijala su manje više hrapave a odredjivanje karakteristika i veličina hrapavosti površina vrši se danas različitim postupcima i uredjajima. Glavni kriteriji za ocjenu veličine hrapavosti je obično brojčana vrijednost srednjeg aritmetičkog odstupanja profila (Ra) od srednje nominalne linije M1M2 definisanog izrazom:

dx)x(yl

Ra ∫=1

ili približno:

∑=

=n

iia y

nR

1

1

gdje je l – referentna dužina, y(x)- jednačina funkcije profila, yi- rastojanje bilo koje tačke profila od srednje nominalne linije M1M2, i- broj tačaka. Pored veličine Ra koristimo i najveću neravninu Rmax tj. rastojanje između najvišeg vrha i najnižeg udubljenja, kao i srednju visinu neravnina koja je jednaka zbiru pet najnižih i pet najviši tačaka na referentnoj dužini, tj. :

∑∑==

+=5

1

5

1 51

51

iui

iviz yyR

gdje je: yvi – rastojanje odgovarajućih tačaka vrhova neravnina od srednje normalne linije i yui – rastojanje odgovarajućih tačaka udubljenja neravnina od srednje normalne linije.

6

Slika 2.1: Izgled mikroneravnina obrađene površine

Sa tribološkog stanovišta pri izučavanju trenja treba posebno razmotriti pored profila površina i stanje na površini tijela. Praktično su sve slobodne površine u atmosferskim uslovima pokrivene slojevima, tj. filmovima vlage, gasova, prašine ali i drugim zagadjivačima. Kod metala na slobodnoj površini, izuzev plemenitih javljaju se slojevi oksida, a površinski sloj materijala je izmjenjene strukture u odnosu na ukupnu masu zbog različitih promjena nastalih usljed procesa mehaničke obrade. Na donjoj slici shematski je prikazan sastav površinskog sloja metala sa orijentacionim vrijednostima debljina pojedinih slojeva.

Slika 2.2: Shematski prikaz strukture površinskog sloja metala (1- Adsorbovani sloj vode i drugih organskih materija, 2– Sloj adsorbovanog gasa, 3- Oksidni sloj, 4- Otvrdnuti sloj, 5– Sloj deformisanog materijala)

7

Kod razmatranja dodira dvije čiste površine bez slojeva u statičkim uslovima pod nekim opterećenjem savremena teorija o trenju usvaja da je: a) Stvarna površina dodira As znatno manja od geometrijske Ag dakle As << Ag. Ovo znači da dodir

dva tijela se ostvaruje samo u nekim diskretnim tačkama koje se nazivaju mikrospojevi

Ai

Fn

Slika 2.3: Geometrijska (nominalna) i stvarna površina kontakta

b) Suma površina mikrospojeva Ai formira stvarnu površinu dodira As.

∑=

=n

iis AA

1

c) Opterećenje Fn koje djeluje na površinu prenosi se preko spregnutih neravnina koje se deformišu elastično ili plastično.

d) Zavisno do načina deformisanja postoje različite relacije izmedju As i Fn, npr. za elastičnu

deformaciju

As ∼s

n

EF

Gdje je: Es – ekvivalentni (složeni) modul elastičnosti ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+

−=

2

22

1

21 11

211

EEEs

νν

v1, v2 – Poissinov koeficijent Za plastičnu deformaciju je

As ∼t

nFσ

gdje je: σt – napon na granici tečenja. Ako su u dodiru dva različita materijala, σt se odnosi na materijal maje tvrdoće.

MIKROSPOJEVI

8

e) U oblasti mikrospoja usljed dodira materijala kod kojeg su izražene athezione sile pri plastičnom deformisanju neravnina generiše se toplota pa se tako formiraju zavareni mikro spojevi. Ukoliko su u dodiru realne površine sa svim slojevima onda se zapaža da se opterećenje prenosi preko dodira osnovnih materijala (dio ΣαAi, α<1), a dijelom preko formiranih slojeva čija je ukupna površina odredjena sa Σ(1-α)Ai , gdje je sa α obilježen dio dodirne površine osnovnih materijala.

αAi

FnAi

Slika 2.4: Površina dodira tijela u kontaktu

Trenje se u principu dijeli na trenje klizanja i trenje kotrljanja. 2.1 TRENJE PRI KLIZANJU Eksperimentalna istraživanja mnogih naučnika (Leonardo da Vinči, Kulon, Amonton) i na osnovu iskustvenih rezultata utvrdjenih pri makroskopskim posmatranjem trenja može se dati nekoliko napomena vezanih za ovo trenje: SILA TRENJA je srazmjerna opterećenju koje djeluje okomito na spregnute površine. Ovaj zakon važi u širem obimu radnih uslova i za večinu metala. SILA TRENJA ne zavisi od geometrije površinskog dodira. Ovaj zakon važi za većinu materijala i za materijale koji imaju definisanu granicu tečenja, a ne važi za izrazito elastične i viskoelastične materijale. I ova konstatacija nemora biti potpuno tačna. STATIČKI koeficijent trenja je veći od kinematičkog. Ovaj zakon je dokazan za većinu materijala.

9

Slika 2.5: Trenje klizanja

Pri razmatranju problematike trenja klizanja neophodno je ukazati na jedan pojam a to je „maksimalna sila trenja“ koja se javlja na samom početku kretanja jednog tijela po drugom (slika 2.5). Pri prelazu iz stanja mirovanja u stanje kretanja sila trenja raste od nule do neke određene maksimalne vrijednosti koja je pri daljem kretanju nešto manja i konstantna. Prema sadašnjim saznanjima trenje pri relativnom kretanju suhih nepodmazanih površina čvrstih tijela nastaje iz dva razloga: 1. athezija koja se javlja u oblasti dodira dva tijela, 2. deformacija površinskih slojeva tokom kretanja i uzajamnog dijelovanja dva tijela. Ukoliko se usvoji d su gore pomenuti razlozi nastanka trenja dva nezavisna procesa tada ukupna sila trenja Ft jednaka je zbiru sila koje treba da savladaju atneziju Fadh i da se izvrši deformacija Fdef, tj.

Ft = Fadh + Fdef koja od ovih komponenti će da nadvlada zavisi od niza uslova. Osnovnu razliku treba uočiti izmedju metala i nemetala.

U slučaju sprezanja dvije metalne površine pod opterećenjem na dodirnim površinama javljaju se visoki specifični pritisci i dolazi do deformacije. Stvarna površina dodira raste sve dok ne postane dovoljno velika da nosi primjenjeno opterećenje. Kao posljedica prisnog dodira veoma su izražene sile athezije i javljaju se hladno zavareni mikrospojevi. Da bi se ostvarilo klizanje potrebno je upotrijebiti odredjenu silu koja će da nadvlada ovu atheziju i izvrši smicanje mikrovarova. Dkle ova sila je zapravo atheziona komponenta trenja Fadh.

Druga komponenta sile trenja nastaje usljed brazdanja mekše površine od strane neravnina tvrde, tj. Fdef = Fbrazd

Na osnovu mnogobrojnih istraživanja Baudena i Tejbora dokazano je da je ova komponenta, u najvećem broju slučajeva, znatno manja od athezione za većinu metala pa se često može i zanemariti, u tom slučaju sila trenja je:

Ft ≈ Fadh Athezinona sila trenja se može odrediti na jedan približan način, a to je: - ako stvarnu površinu dodira obilježimo sa As a napon na smicanje materijala sa τs onda je sila trenja Ft odredjena izrazom:

Ft = Fadh = Asτs

10

za plastično deformisanje imali smo da je stvarna površina:

As ∼t

nFσ

tsn AF σ=⇒

gdje je Fn – normalna sila opterećenja. Koeficijent trenja na osnovu dosadašnjih analiza može se odrediti kao:

n

t

FF

=μ

Uvrštavanjem izraza za silu trenja i normalnu silu u izraz za koeficijent trenja dobijamo:

t

s

ts

ss

AA

στ

στ

μ ==

Za metale se može uzeti da je napon smicanje mikrospoja τs približno jednak naponu smicanja samog materijala. Kako je kod metala veličina pritiska na granici tečenja 5 puta veča od jačine na smicanje tj. σt ≈ 5τ τ ∼ τs, možemo izračunati koeficijent trenja μ:

205

.t

s ===ττ

στ

μ

Ispitivanja pokazuju da koeficijent trenja kod metala može da ima znatno širi spektar vrijednosti od ovakvo izračunate. To se objašnjava činjenicom da se pod dijelovanjem tangencijalne sile koja raste sve dok se ne ostvari kretanje zapaža znatno povečanje stvarne površine dodira u poredjenju sa slučajem kada na spregnute površine djeluje samo sila Fn. U ovakvom slučaju koeficijent trenja ima nešto veću vrijednost od μ = 0.2. Na veličinu trenja kod metala znatno utiče i čistoća materijala, jer oksidni sloj, apsorbovanih molekula gasa, vlage i drugih materijala mogu znatno smanjiti atheziju, napon smicanja površinskog sloja, a time i veličinu trenja. Time se i tumači velika razlika u koeficijentu trenja pri klizanju metala u vakumu i vazduhu. Za elastične materijale, npr. guma a pogotovo viskoelastični materijali, tj. polimerni materijali deformaciona komponenta Fdef nastaje kao rezultat elastičnog histerezisa pri klizanju, npr. elastomera dakle:

Fdef = Fhist tako da je sila trenja:

Ft = Fadh + Fhist Uticaj površinskog filma kod nemetala, tj. polimernih materijala nije u potpunosti istražen, ali se može reći da je manji nego kod metala. Ispitivanja takodje pokazuju da ako jedan ili oba materijala u dodiru imaju nisku temperaturu topljenja i/ili toplotnu provodljivost visoke trenutne temperature nastale trenjem izazivaju topljenje površinskog sloja što može da dovede do smanjenja trenja a temperatura površine dalje ne raste. Logično je pretpostaviti da materijali manje tvrdoće imaju veće trenje nego tvrdi. Medjutim u suštini gledajući uticaj tvrdoće na trenje nije toliko veliki. Novija istraživanja uticaja brzine klizanja na trenje pokazuju da sa porastom brzine koeficijenta trenja opada, medjutim za mnoge mehaničke sisteme i njihove mehanizme taj pad nije od bitnog uticaja pa se ipak može usvojiti da koeficijent trenja ne zavisi od brzine klizanja. 2.2 TRENJE PRI KOTRLJANJU

11

Eksperimentalnim istraživanjima je utvrdjeno da je sila trenja pri kotrljanju proporcionalna opterećenju, obrnuto srazmjerna poluprečniku tijela koje se kotrlja i nezavisna od brzine kotrljanja. Trenje pri kotrljanju se obično razmatra odvojeno za dva slučaja i to: - prvi slučaj, kada se javlja trenje kotrljanja uz velike vučne sile, - drugi slučaj kada se pri kotrljanju javljaju male vučne sile. Obično se drugi slučaj smatra čistim kotrljanjem. Ako se pri kotrljanjem tijela duž neke stacionarne osnove za neki ugao ϕ tijelo pomjeri u odnosu na osnovu za veličinu Rϕ (R – poluprečnik tijela) takvo kretanje se zove čisto kotrljanje ili kotrljanje bez klizanja. Medjutim ovo neodgovara realnim uslovima jer je kotrljanje uvijek pračeno i nekim klizanjem. U stvari dodir dva tijela u relativnom kotrljanju ne javlja se duž trenutne ose kretanja već na odredjenoj površini nastaloj usljed deformacija spregnutih tijela pod opterećenjem.

Slika 2.6: Kotrljanje tijela po podlozi Da bi se tijelo na koje djeluje sila Fn obrtalo duž stacionarne ravni neophodno je da na njega djeluje neki moment nastao, npr. od sile Fo. Očigledno je da se obrtanju suprostavlja spreg sila od Fn – F1 gdje je F1 reakcija osnove (podloge) i iz uslova jednakosti svih momenta sljedi:

RFeFneFRF ot ⋅=⋅=⋅=⋅ 1 Iz ove jednačine možemo napisati da je sila trenja:

FfF odnosno FReF ntnt ⋅=⋅=

gdje je f – koeficijent otpora kotrljanja, e = f⋅R predstavlja ekscentricitet i zove se koeficijent trenja kotrljanja i ima dimenziju dužine. Mada je trenje pri kotrljanju znatno manje od trenja pri klizanju ipak se može reći da je i ono takodje veoma složen fenomen jer kao osnovni uzročnici pojave otpora kotrljanja navode se: - mikroklizanje, - elastični histerezis, - plastične deformacije materijala, - athezija.

F1 Ft

Fo

Fn

R

e

O1

O

12

Sumirajući i trenje klizanja i trenje kotrljanja postoji nekoliko načina da se smanji trenje pri klizanju: a) izborom materijala sa malim naponima smicanja površinskog sloja ili stvaranje takvog sloja različitim postupcima, b) obezbjedjenje odgovarajuće stvarne površine dodira u cilju sprečavanja izrazito plastičnih deformacija, c) izbor parova materijala sa manje izraženom medjusobnom privlačnošću što ima za posljedicu manju atheziju. Ova tri pavila odnose se dakle na trenje pri klizanju, dok za trenje pri kotrljanju postoji opšta suglasnost da se ovo trenje kod suhi površina smanjuje povećanjem tvrdoće materijala i poboljšanjem površinske obrade tijela u dodiru. 2.3 TRENJE U TEČNOM SLOJU Ukoliko se izmedju dvije površine, koje se nalaze u procesu relativnog kretanja umetne sloj fluida, neravnine će biti potpuno odvojene.

F v=v1

v=0

Slika 2.7: Strujanje između dvije ploče Na kretanje tečnosti može se primijeniti Newtonov zakon:

dydv

AF

⋅=η

Gdje je: F – tangencijalna sila, A – površina tečnosti, η - dinamička viskoznost, v – brzina tečnosti, y – debljina sloja tečnosti Može se izvesti zaključak da je kod posmatranja jediničnih veličina potrebna veličina tangencijalne sile, da bi se fluid doveo u stanje kretanja jednaka veličini dinamičke viskoznosti. Ova sila se može identifikovati sa silom trenja te se izvodi zaključak da je koeficijent trenja unutar tečnog sloja funkcija veličine viskoznosti.

13

3. HABANJE MATERIJALA 3.1 DEFINICIJA, KRIVA I VRSTE HABANJA Pod habanjem se podrazumjeva nepoželjno i progresivno odstranjivanje materijala sa površina elemenata i dijelova mašina koji su u medjusobnom dijelovanju i relativnom kretanju. Veličina habanja kad se posmatra u funkciji vremena rada TMS karakterišu tri izdvojene oblasti koje se obično označavaju kao inicijalno, stacionarno i intenzivno habanje.

Slika 3.1: Opšta zavisnost habanja od vremena (kriva habanja)

Inicijalno habanje (zona I) obuhvata period uhodavanja tokom kojeg se vrši prilagodjavanje površina. Ovo habanje je karakteristično i za startovanje različitih mašina, uredjaja i slično jer nemamo potpuno podmazivanje. U principu ovu zonu treba što prije prevazići i preći u zonu II. Oblast stacionarnog habanja (zona II) karakteriše se stalnim gubitkom materijala u jedinici vremena i uglavnom nepromjenjivim tribološkim procesima. Cilj je da ova zona vremenski bude što duža. U prodručju intenzivnog habanja (zona III) priraštaj gubitka materijala znatno raste s vremenom i dolazi do promjena u procesu habanja a oštećenja površina su izrazita. Kada se dodje u ovu zonu potrebno je prekinuti proces rada tog TMS. Zavisno od konstrukcije i radnih uslova razlikujemo više situacija procesa habanja:

14

a) habanje materijala pri klizanju suhi površina, npr. kočnice, spojnice i sl., b) habanje pri kotrljanju podmazivanih površina, npr. kotrljajni ležaj, zupčasti prenosnici, c) habanje pri kotrljanju podmazivanih površina, npr. kotrljajni ležaj, zupčasti prenosnici, d) habanje pri kotrljanju suhi površina, npr. šina – točak, e) habanje materijala pri kretanju čvrstih čestica, npr. cjevovod, uredjaji za transport materijala itd. f) habanje materijala pri strujanju fluida, npr. cjevovod, strujne mašine, itd. Postoje četiri osnovna mehanizma habanja i to:

athezija, abrazija, zamorno habanje, tribohemijski procesi na površini.

Rijetki su slučajevi da djeluje smo jedan mehanizam habanja, obično djeluje više njih istovremeno. Problemi koji se javljaju su višestruki, npr. teško je utvrditi koji je mehanizam habanja u pitanju ili koji je mehanizam habanja dominirajući, zatim kvantificirati uticaj pojedinih mehanizama habanja itd. Pojedini mehanizmi habanja mogu izazvati različite vrste habanja, npr. jedan mehanizam habanja može izazvati različite vrste habanja. Postoje sljedeće vrste habanja.

eroziono habanje, habanje usljed zamora materijala, abrazivno habanje, athezivno habanje, kavitaciona erozija, freting, habanje kao posljedica oksidacije i usljed procesa korozije.

Različite vrste kretanja, različitih elemenata u dodiru mogu imati različite mehanizme habanja kao što je prikazano na slici 3.2. Sa prikazane slike moguće je zaključiti da u skoro svim situacijama imamo zastupljena sva četiri mehanizma habanja, a to ide u prilog činjenici da je izučavanje triboloških procesa izuzetno težak posao.

15

Slika 3.2: Zastupljenost mehanizmi habanja

3.1.1 Athezivno habanje Predstavlja osnovnu i najzastupljeniju vrstu habanja materijala pri klizanju tijela u medjusobnom direktnom dodiru. Teorija athezivnog habanja zasniva se na razmatranju pojava koje se javljaju pri interakciji neravnina površina koje su u dodiru i relativnom kretanju. Ove pojave su razmatrane slično i pri izučavanju trenja pri klizanju. Tom prilikom je ukazano da na mjestima stvarnog dodira dva tijela, vladaju visoki specifični pritisci što dovodi do plastične deformacije materijala i prisnog dodira sa jako izraženim athezionim silama. Kao rezultat athezije i plastične deformacije koju prati generisanje toplote u materijalu, javljaju se zavareni mikrospojevi (frikcione veze). U toku relativnog klizanja spojena mjesta se raskidaju, a novi spojevi formiraju.

16

Mjesto na kome dolazi do kidanja (smicanja) mikrospoja zavisi od svojstava samog spoja i materijala u dodiru. Ako je spoj manje tvrdoće od materijala spregnutih dijelova, smicanje nastaje u samom spoju na mjestu dodira površina. Dakle, na kontaktnim površinama dva tijela javljaju se, tzv. «treća tijela» čije mehaničke osobine mogu biti različite, što znači da ne moraju imati osobine spregnutih materijala. U ovom slučaju kada je «treće tijelo» manje tvrdoće od spregnutih materijala površine su manje oštećene i habanje je neznatno. Ako je spoj tvrdji od oba materijala u dodiru, a materijali su različite tvrdoće tada dolazi do raskida u površinskom sloju mekšeg materijala. Pri tome se materijal prenosi po pravilu na tvrdu površinu i u toku daljnjeg kretanja tako zavareni djelići se otkidaju, lome i formiraju produkte habanja. U trećem slučaju u dodiru su isti materijal ali i tada je mikrospoj tvrdji od osnovnih materijala u kontaktu zbog njegove izmjenjene strukture što je rezultat opterećenja i visokih lokalnih temperatura. U ovom slučaju smicanje i prijenos materijala, kao i oštećenje nastaje na obje površine. Iz ovih razloga u konstrukcijama gdje postoji mogućnost athezivnog habanja treba izbjegavati upotrebu istih materijala. Prethodna razmatranja ukazuju na pojavu i mehanizam athezivnog habanja ali ne daju mogućnost kvantificiranja veličine habanja. Jedno od rješenja za izučavanje athezivnog habanja je da se usvoji topografska slika idealizovane površine. Kod ovog slučaja pravi se niz predpostavki i na jedinstven način se dolazi do izraza za veličinu habanja koji je pokazao dobru suglasnost sa ispitivanjima u nekim konkretnim slučajevima. Kod ovog slučaja usvaja se da su neravnine sfernog oblika i da se kontakt dva tijela dogadja u nekom broju sličnih neravnina, a da su površine dodira krugova produkti habanja loptastog oblika. Ako dvije površine pod opterećenjem F imaju n kontakata onda i-ti kontakt nosi opterećenje:

4

2πσ dF ti ⋅=

Ukupno opterećenje je:

4

2πσ dnFnF ti ⋅⋅=⋅= (1)

Slika 3.3: Shematski prikaz: a) doira dvije neravnine sfernog oblika, b) razdvajanja neravnina (s=d)

17

Ako se pretpostavi da svaki od n kontakata proizvodi dijeliće habanja i da će do razdvajanja neravnina doći kada pokretna površina predje put s = d, zapremina pohabanog materijala V po jedinici puta s odredjena je izrazom:

1223

221

34

2

33

πππ

dnd

d

nd

r

nsV

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

== (2)

iz izraza za sliku F, tj. izraza (1) možemo napisati da je:

4

2πσ

dnF

t

⋅= tj. 123

2πσ

dnF

t

⋅= (3)

Uporedjujući izraz (2) i (3) zaključujemo da je:

t

FsV

σ3= (4)

U realnim uslovima produkti habanja nastaju samo od jednog tijela raskinutih spojeva što znači da svaki spoj ne proizvodi produkt habanja. Ako sa kad obilježimo dio ostvarenih kontakata koji proizvode djeliće habanja tada izraz (4) postaje:

adt

kFsVσ3⋅

= (5)

Izraz (5) predstavlja osnovnu jednačinu athezivnog habanja. Iz izraza (5) možemo zaključiti da u njemu ne figurira prečnik d što znači da ova jednačina važi i za druge oblike neravnina. Osim toga veličina ovog habanja je direktno proporcionalna puta s i opterećenju F, a obrnuto proporcionalna granici razvlačenja σt. Iz izraza (5) takodje vidimo da je faktor athezionog habanja kad bezdimenziona veličina i vadi se iz tablica. Iz ovog izraza (5) takodje vidimo da su sve veličine mjerljive izuzev kad što predstavlja osnovni nedostatak ovog izraza i onemogućuje njegovo šire korištenje. Načini da se atheziono habanje smanji su:

potpunim razdvjanjem površina slojem maziva dovoljne debljine (hidrodinamičko plivanje, npr. kod kliznih ležišta), različitim postupcima i sredstima za smanjenje athezionih procesa na mjestima samog dodira dva tijela.

18

3.1.2 Abrazivno habanje Abrazija je najizraženija vrsta habanja i preko 50% svih oštećenja je izazvano abrazijom. Mehanizam dijelovanja abrazije je mehaničke prirode i nastaje klizanjem tvrdjeg materijala po mekšem, što izaziva brazdanje mekšeg materijala. Razlikuje se abrazija nastala klizanjem hrapave tvrde površine po mekšoj i abrazija izazvana dijelovanjem sitnih čvrstih čestica na površini po kojoj klize. Pri abraziji tvrdim česticama razlikuju se, zavisno od broja tijela u dodiru dva slučaja:

Prvi slučaj nastaje pri relativnom klizanju dva tijela, tj. abrazivne čestice i površine, Drugi slučaj predstavlja kontakt tri tijela i nastaje kada se abraziv nalazi izmedju površina u relativnom kretanju.

a) b) Slika 3.4: Abrazija dva tijelaa a) i tri tijela b)

Da bi se dobio izraz za veličinu abrazivnog habanja usvaja se jednsotavan model kod kojeg se jedna površina sastoji od niza koničnih neravnina sa istim poluuglom α, a druga poršina je glatka i manje tvrdoće. Za vrijeme kretanja neravnine, koja je napravila trag u mekšoj površini, samo je dio površine konične neravnine u dodiru sa materijalom koji brazda.

s

d2r

Fi

a

Slika 3.5: Shematski prikaz modela abrazivnog habanja

19

Na neravninu djeluje slika Fi a opterećenje koje nosi neravnina izraženo preko tvrdoće materijala H glasi:

2

2πrHFi ⋅= (1)

gdje je 2

2πr - vertikalna projekcija površine, pa je ukupno opterećenje za n neravnina u dodiru:

2

2πrHnFnF i ⋅⋅=⋅= (2)

Kada konus brazda površinu na nekom putu s tada je skinuta zapremina materijala:

sdrsdrVi ⋅⋅=⋅⋅

=2

2 , αctgrd ⋅=

Sredjivanjem ovih izraza dobija se: αctgsrVi ⋅⋅= 2 odnosno za n neravnina

αctgsrnVnV i ⋅⋅⋅=⋅= 2 (3) Ako se ova zapremina, izrazi u zavisnosti od sile i tvrdoće, tj. uključi se izraz (2) tada dobijamo:

απ

ctgHF

sV 2

= (4)

Modifikacijom izraza (4) možemo postići sličan izraz kao kod athezivnog habanja, dakle:

abkHFsV = (5)

kab – koeficijent abrazivnog habanja. Eksperimentalni podaci pokazuju dobru saglasnost sa pomenutom jednačinom (5), a zapaža se da je dobijena jednačina sličnog oblika kao kod athezivnog habanja. Iz izraza (5) takodje vidimo da značajnu ulogu igra i tvrdoća materijala. Postoje i odredjeni načini da se abrazivno habanje smanji, npr. eliminacijom abrazivnih materijala putem prečišćavanja maziva ili vazduha koji se dovodi izmedju površina u dodiru, kao i dobrim zaptivanjem čime se sprečava protok nečistoća sa spoljnje strane. 3.1.3 Habanje usljed površinskog zamora materijala Nastaje kada vrijednost i učestanost opterećenja nadvise one veličine koje materijal može da podnese. S druge strane može biti iniciran i koncentracijom napona od stranih čestica utisnutih u materijal. Zatim zamor materijala može nastati, a time i proces habanja naprezanjem nastalim zbog pogrešne montaže, zatim promjenama u materijalima izazvanim visokim temperaturama ili korozijom i slično. Dakle proces habanja i opterećenja površinskim zamorom je povezan sa ponovljenim ili promjenjenim naprezanjima u materijalu koji je izložen i/ili kotrljanju u direktnom ili indirektnom dodiru. Ipak pojava i širenje prskotina nastalih zamorom nisu u potpunosti objašnjene. Oštećenja zbog zamora materijala javljaju se i kod dobro podmazivanih elemenata pri kotrljanju, npr. kod

20

kotrljajnih ležaja, zupčanika i slično. Ovi elementi su zapravo izloženi promjenjivom opterećenju tako da poslije izvjesnog broja obrtaja dolazi do odvajanja materijala sa površina. Habanje materijala usljed površinskog zamora javlja se i kod elemenata u relativnom klizanju ako su izloženi dinamičkom opterećenju. Tipičan primjer je zamor materijala kliznih ležišta, koljenastog vratila. Pojava habanja i oštećenja materijala kod različitih elemenata mašina kao posljedica zamaranja materijala je veoma složena i još nedovoljno istražena, tako da ne postoje definisani postupci za otklanjanje ili ublažavanje ove vrste habanja. U tom smislu da bi smanjili efekte habanja usljed zamora materijala možemo izvesti neke metalurške zahvate (termičke obrade i sl.), zatim konstruktivne zahvate i na kraju uzimati kvalitetnija maziva. 3.1.4 Mehanizam tribohemijskog habanja Mehanizam tribohemijskog habanja može izazvati različite vrste habanja kao što su eroziono habanje, kavitaciona erozija, habanje usljed procesa oksidacije i korozije itd. Eroziono habanje kao naziv obično se koristi i za slučaj oštećenja uzrokovanih fluidom sa ili bez čvrstih čestica, koji udara o površinu čvrstih tijela. Habanje materijala dejstvom čvrstih materijala nošenih fluidom je prisutnije i ova oštećenja su posljedica i direktnog brazdanja ili udara čvrstih čestica o površinu. Intenzitet erozionog habanja zavisi od više faktora, npr. od ugla pod kojim čvrsti materijal nošen fluidom udara o površinu, zatim kinetičke energije, kao i svojstava samog materijala. Za žilave materijale najveće habanje je ako je ugao udara oko 200, a za čvrste materijale najveće habanje je ako je ugao 900. Kavitaciona erozija je prvi put zapažena na propelerima brodova, a istraživanja ukazuju da se ova vrsta habanja javlja kod mnogih dijelova mašina kao posljedica kavitacije. Npr. kod kliznih ležišta, hidrauličnih sistema, pumpi, turbina, pa i kod zupčanika javlja se kavitaciona erozija. Kavitaciona erozija je u stvari kavitaciono habanje i sa ovim terminom označava se gubitak materijala sa površine tijela koja su u relativnom kretanju s tečnošću u oblasti implozije (nestajanje) parnih mjehurića sadržanih u fluidu. U oblasti implazije mjehura nastaju lokalni visoki pritisci i temperature i kolapsom kavitacionih mjehurića nastaje habanje materijala. Način za smanjenje kavitacionog habanja sastoji se u povećanju pritiska tečnosti u sistemu, zatim konstruktivnim riješenjima, koja smanjuje mogućnost pojave kavitacije, izborom materijala koji su otporni na kavitacionu eroziju i konačno izborom maziva pogodnih za ovu vrstu habanja. Habanje usljed procesa oksidacije je zapravo hemijski proces na površini metala i veoma se često javlja ili kao osnovni mehanizam habanja ili kao prateći proces. Oksidacija je rezultat hemijski reakcija metala ili njegovih komponenata sa kiseonikom a odvija se ili po linarnom ili paraboličnom zakonu. Ako je zapremina oksida Voks manja od zapremine materijala Vmat od koje je oksid nastao, tj.: Voks < Vmat tada formirani sloj oksida ne pokriva cijelokupnu površinu tako i dalje postoji kontakt kiseonik – metal. U tom slučaju oksidacija se vrši po linearnom zakonu pa se debljina sloja izražava kao:

h = kL ⋅ t gdje je: kL – konstanta oksidacije i zavisi od temperature, t – vrijeme oksidacije.

21

Ako je Voks = Vmat od koje je oksid nastao na metalnoj površini onda se stvara efikasan sloj oksida pa je daljni kontakt kiseonik - metal otežan. Tada se oksidacija odvija po paraboličnom zakonu a debljina oksida je:

h2 = kP ⋅ t gdje je: kP – konstanta parabole, t – vrijeme oksidacije. Oksidaciono habanje se javlja i kada sloj oksida dobije neku kritičnu debljinu. U tom slučaju razlikujemo dva različita procesa:

u prvom slučaju oksidni sloj se potpuno odstranjuje kad dostigne kritičnu debljinu hkr, a materijal površine se ponovo izlaže oksidaciji (slika 3.6a), u drugom slučaju oksidni sloj dostiže neku kritičnu debljinu i tad se on kontinualno haba sa nekim od mehanizama habanja(slika 3.6b).

hkr.

Deb

ljina

oksi

da

Vrijeme

tk 2tk 3tk

a) Vrijeme

Deb

ljina

oks

ida

hkr.

b)

Slika 3.6: Oksidaciono habanje Ovo je karakteristično za aluminijum i njegove legure. Habanje usljed procesa korozije je problem hemijskog razaranja materijala i ne javlja se samo kod spoljnih površina, npr. mašina nego i kod unutrašnjih površina. Ova pojava posebno dolazi do izražaja kada pojedini dijelovi nisu duže vrijeme u upotrebi a nisu prethodno poduzete odgovarajuće mjere zaštite. Habanje usljed korozije može se javljati i unutar kristala što je posebno nepovoljno jer se nemože otkriti na vrijeme. Ova vrsta habanja posebno je izražena u hemijskoj industriji gdje imamo uticaj agresivnih materija ali i kod drugih mašina pri čijem radu mogu nastati agresivne tečnosti, npr. sagorijevanje goriva u motorima i sl. 3.1.5 Freting Freting je vrsta habanja materijala sa površina elemenata mašina koji su u direktnom prisnom dodiru, a izloženi malim pomjeranjima ili vibracijama. Freting se često javlja kod presovanih sklopova i zavrtanjskih veza. Smatra se da je freting u osnovi specifični oblik athezivnog habanja pri čemu normalno opterećenje i direktan dodir površina izazivaju jaku atheziju spregnutih neravnina, a vibracije tokom rada njihovo raskidanje. Kod metala je ova vrsta habanja često praćena i korozijom i tada se ta pojava naziva freting korozija, a manifestuje se tamnosmedjim mrljama na površini u početnom stadiju, dok kasnije imamo odvajanje materijala u vidu finog praha. Freting se može smanjiti eliminacijom vibracija, povećanjem tvrdoće materijala ali i primjenom čvrstih maziva.

22

3.2 METODE PRORAČUNA VELIČINE HABANJA Metode proračuna veličine habanja imaju za cilj da omoguće konstrukcije dijelova mehaničkih sistema koji će raditi u datim uslovima sa poznatim i prihvatljivim vrijednostima veličine habanja, čime se obezbjedjuje visoka efikasnost i maksimalno iskorištenje materijala za proračunati vijek. Matematički modeli za proračun habanja materijala koji su zasnovani i razradjeni na teorijskim osnovama fizičkih predstava procesa habanja, sadrže konstante koje su najčešće vezane za karakteristike materijala i uslova rada. 3.2.1 Primjena Arčardove jednačine Može se koristiti za proračun veličine habanja pri trenju suhih površina ili graničnog podmazivanja. Ova jednačina ima oblik (ranije izvedena jednačina 5):

adt

kFsVσ3⋅

= [ m3 ]

V - zapremina pohabanog materijala, m3

F - opterećenje, N s - prijeđeni put pokretne površine, m σt- napon na granici tečenja, Pa Kad – koeficijent athezivnog habanja. 3.2.2 Proračun habanja na osnovu teorije zamora Krageljski i Kombalov dali su matematički model za proračun intenziteta habanja pri klizanju tijela na osnovu razmatranja zamora materijala kao uzročnika. Metoda se zasniva na teorijskim razmatranjima interakcije individualnih neravnina kao funkcije opterećenja trenja i geometrijskih karakteristika profila površine. Bezdimenzionalna veličina intenziteta habanja može se izraziti kao:

g

sh

gh A

Ai

sh

AsVI =

Δ=

⋅Δ

=

ΔV – zapremina materijalna uklonjena s – put klizanja Δh – debljina pohabanog sloja Ag – geometrijska površina dodira As – stvrna površina dodira ih – specifični intenzitet habanja Specifični intenzitet habanja predstavlja zapreminu pohabanog materijala Δv na putu s koji je jedak prečniku dodirne d površine neravnine podjeljenom sa stvarnom površinom dodira As:

sh As

vI⋅Δ

=

Ako je n – broj ciklusa medjusobne interakcije neravnina koji dovodi do razaranja zapremine ΔV, jedinična zapremina pohabanog materijala se može izraziti jednakošću:

nVv Δ

=Δ

23

3.2.3 pv proizvod Kod mnogih elemenata mašina u uslovima suhi površina i za granično podmazivanje pri proračunu veličine habanja koriste se različite formule koje u svojoj osnovi sadrže pv proizvod, pri čemu je: p – specifični pritisak v – brzina klizanja Intenzitet habanja se iskazuje jednačinom:

Ih = K ⋅ p ⋅ v 3.3 NAČINI IZRAŽAVANJA VELIČINE HABANJA Pri izražavanju veličine habanja materijala koristi se parametri procesa habanja koji se zove intenzitet habanja ( Ih ). On se odredjuje diferenciranjem funkcije h = f(T), (slika 3.7):

dTdhI h =

gdje je: h – veličina habanja, T – trajanje kontakta u područjima I i II .

Slika 3.7: Opšta zavisnost habanja od vremena (kriva habanja)

Kriva habanja se može aproksimirati sa dvije poznate funkcije:

10

11

TTT

ZTCh ==⋅= i kTT

TTZ CTCh =

=+⋅=13

22

Intenzitet habanja u oba slučaja definiše se: 1

11−== z'

hI TCdTdhI -prva zona

12

2 −== z'hII TC

dTdhI -druga zona

Intenzitet habanja je funkcija trajanja kontakta, a oblik funkcije je prikazan na slici 3.9a. Za praćenje razvoja procesa habanja koristi se i veličina nazvana otpornost na habanje (Rh). Ona se odredjuje diferenciranjem funkcije T=T(h), (slika 3.8):

dhdTRh =

24

Slika 3.8: Funkcija T=T(h)

Otpornost na habanje je funkcija pohabanosti elementa, a oblik funkcije je prikazan na slici 3.9b:

Slika 3.9: Funkcije Ih = f(T) i Rh = f(h)

Za kvantitativno izražavanje veličine habanja (gubitka materijala) koristi se promjena geometrije, promjena mase i promjena zapremine ispitivanih uzoraka. Na osnovu ovih veličina mogu da se definišu sljedeći intenziteti habanja:

Linearni intenzitet habanja (Ihl) shI hl

Δ=

gdje je: Δh – debljina pohabanog sloja materijala, s – prijedjeni put

Gravimetrijski intenzitet habanja (Ihg) smI hg

Δ=

gdje je: Δm – gubitak mase materijala usljed habanja, s – prijedjeni put

Zapreminski intenzitet habanja (Ihv) sVI hv

Δ=

gdje je: Δh – zapremina pohabanog materijala, s – prijedjeni put

Energetski intenzitet habanja sF

VIt

hh ⋅Δ

= , gdje je: Ft – sila trenja.

25

4. TRIBOMETRJA Oblast eksperimentalnih istraživanja u tribologiji zove se tribometrija i ona obuhvata sva mjerenja počev od mjerenja triboloških karakteristika sredstava za hladjenje i podmazivanje i materijala elemenata TMS pa do ispitivanja pouzdanosti pojedinih sklopova i mašina u cjelini. Svaki TMS, dakle ima sljedeće karakteristike:

Radne karakteristike Tribo sistem Tribološke

karakteristike

Sila trenja

Koeficijent trenja

Buka, vibracija

Porast temperat.

Intenzit. habanja

Debljina slojamaziva

Vrsta kretanja

Opterecenje

Brzina

Temperatura

Vrijeme

Karakteristikapovršina

Hrapavost

SastavPovršinsk. sloja

1 - Prvi element sistema2 - Drugi element sistema3 - Mazivo4 - Sredina

1

2

3

4

Slika 4.1:Karakteristika i parametri relevantni pri tribološkim istraživanjima Sa slike 4.1 vidi se šta su radne karakteristike a šta su tribološke, a šta karakteristike površine. Sa tribometrijske tačke gledišta nas interesuju tribološke karakteristike. U okviru tribometrije svrstava se i razvoj eksperimentalne tehnike, tj. istraživačkih uredjaja za mjerenje pojedinih triboloških karakteristika. Općenito tribološka istraživanja se mogu podjeliti u tri grupe: 1. laboratorijska ispitivanja, 2. ispitivanja koja se sprovode na specijalnim probnim stolovima u laboratorijskim usloviman i 3. eksplataciona istraživanja. Laboratorijska istraživanja se obavljaju na specijalno konstruisanim uredjajima koji se zovu tribometri. Opitna tijela na kojima se vrši ispitivanje obično imaju konvencionalnu geometriju koja simulira odredjene uslove dodira, npr. kod tačke, linije, površine i sl. Cilj ovakvih ispitivanja je odredjivanje zavisnosti izmedju otpornosti na habanje i fizičko – hemijskih i mehaničkih svojstava materijala u funkciji radnih parametara (opterećenje, brzina i sl.) kao i radnih uslova (temperatura, sredina i sl.) i izbor optimalnih konstruktivnih i mazivnih materijala i utvrdjivanje njihove medjuzavisnosti. Do sada je utvrdjeno da postoje više stotina različitih tribometra podjeljenih prema geometriji u 12 grupa. Oni se često zovu i standardni tribometri i sastavljeni su od elemenata

26

konvencionalne geometrije. Općenito kontakt se može ostvarivati, npr. preko više sfernih površina, preko ukrštenih cilindara, zatim izmedju površine cilindra i ravne površine, izmedju dvije ravne površine, izmedju dva diska. Tribometri koji se najčešće susrću u praksi prikazani su na slici 4.2.

Slika 4.2 Primjeri tribometara: a) kontakt čeone površine cilindra malog prečnika po čeonoj povtšini diska, b) kontakt čeone površine cilindra malog prečnika po omotaču cilindra koji se obrće, c) kontakt preko ukrštenih cilindara, d) kontakt između dva diska Osim gore pomenutih tribometara koji su standardni postoji i niz drugih standardnih tribometara koji su namjenski izradjeni, npr. tribometar sa četiri iglice koji služi za ispitivanje kvaliteta maziva itd. Osim toga tribometri mogu biti i nestandardni, dakle tribometri koji su radjeni za odredjena ispitivanja konkretnih mašinskih elemenata, npr. tribometar za ispitivanje kliznih ležišta, zupčanika i sl. Za određivanje koeficijenta trenja, opčenito, koriste se eksperimentalna ispitivanja na modelnim uređajima. Na slici 4.3 dat je shematski prikaz jednog takvog uređaja za ispitivanje koeficijenta trenja podmazanih površina u kontaktu, konstrukcije prema Timkenu. Obrtanjem diska 1, izradjenog od čelika Č.4320, ostvaruje se relativna brzina klizanja prema mirujućoj epruveti 2, izradjenoj od bronze CuSn12. Normalna sila na mjestu kontakta diska 1 i epruvet 2 može se postići preko sistema poluga ili na neki drugi način dok disk 1 dobija pogon od elektromotora 3 .

a b

d c

27

Slika 4.3: Shema ispitnog uređaja prema Timkenu

U drugu grupu spadaju ona tribološka ispitivanja koja se sprovode na specijalnim probnim stolovima u laboratorijskim uslovima uz korištenje realne konstrukcije pojedinih mehanizama pa i ijelih mašina. Tokom ispitivanja teži se simulacija radnih uslova koji se očekuju u eksploataciji ipak dobiveni rezultati su ograničene primjene jer nemamo potpunu korelaciju sa realnim rezultatima. Isto tako ne možemo potpuno jasno definisati uticaj svih parametara na neki posmatrani element koji istražujemo, primjer slika 4.4, 4.5.

nd=5 min-11 ispitni disk - Č.4320

2 epruveta - CuSn12

mjerno vratilo 3 EM

Fmazivo ϑ=50 °C

termopar

28

Slika 4.4: Ispitno postolje za ispitivanje pužnih prenosnika

Slika 4.5: Ispitno postolje za ispitivanje koeficijenta trenja frikcionih površina Treća grupa obuhvata eksploataciona ispitivanja na realnim mašinama. Ona ima za cilj utvrdjivanje vijeka trajanja i pouzdanost njenih mehanizama. Medjutim nedostatci ovih ispitivanja su: veoma visoka cijena, dugo vrijeme trajanja, otežana kontrola promjenljivih veličina i nemogućnost praćenja pojedinih uticaja na tribološke karakteristika.

29

4.1 METODE MJERENJA VELIČINE HABANJA Metode koje se koriste za mjerenje veličine habanja mogu se dijeliti na različite načine. Prva podjela bi bila sljedeća:

Metode kod kojih je neophodno demontirati ispitivani mašinski elementi da bi se na njemu izvršila mjerenja. Metode kod kojih je mjerenje moguće u procesu ispitivanja bez demontaže. Prednost ove metode je očigledna ali ona je i složenija.

Podjelu metoda mjerenja habanja moguće je izvršiti i na diferencijalne i integralne metode mjerenja. Diferencijalne su one metode koje omogućavaju mjerenje habanja jedne ili više oblasti ispitivane površine, dok integralne metode omogućavaju mjerenje cjelokupnog mašinskog elementa. Podjela se može vršiti i na direktne i indirektne. Direktne metode kvantificiraju veličinu habanja direktno, dok je kod indirektne metode za ocjenu veličine habanja neophodno uporedjivanje sa odgovarajućim etalonima i prethodno definisanim odnosom. Prednost direktne metode je očigledna. Neke od navedenih metoda bi bile: a) Mjerenje habanja mjernim sredstvima. Kod ove metode mjeri se apsolutna veličina habanja, a

koriste se konvencionalna mjerila, npr. granično mjerilo, mikrometar, mikroskopi i sl. b) Mjerenje habanja šablon indikatorom U izabranoj tački zuba zupčanika vrši se mjerenje habanja a

šablon služi kao oslonac pri mjerenju.

4 3

2

1

X

Slika 4.5: Shema mjerenja habanja zupčanika šablon-indikatorom

c) Mjerenje habanja metodom mjerenja mase, tj. mjeri se masa prije i poslije nekog perioda rada. d) Mjerenje habanja metodom korištenog ulja, a sastoji se u tome da se odredjena količina ulja

spali, a preostali produkti habanja analiziraju. e) Mjerenje habanja profilometrom, a to znači da se prati linija habanja preko nekog zareza koji je nanešen na nekoj aktivnoj površini.

30

Slika 4.6: Veličina linijskog habanja (h) na osnovu specijalnog nanešenog zareza na aktivnoj površini

f) Mjerenje habanja primjenom otisaka aktivne površine. Ovaj metoda se koristi kada nije moguće

pristupiti nekoj površini mjernim instrumentima, nego se napravi otisak koji se kasnije analizira. g) Mjerenje habanja metodom radioaktivnih izotopa. Suština ove metode sastoji se u tome, što se

ispitivani element aktivira uvodjenjem radioaktivnih izotopa u ispitivanu površinu. Kvantificiranje i ocjena habanja se vrši mjerenjem promjena radioaktivnosti produkata habanja ili smanjenjem radioaktivnosti ispitivanog elementa.

h) Ferografija je u osnovi postupak razvijen za izdvajanje produkata habanja iz ulja. Izdvojeni produkti habanja analiziraju se na optičkim ili elektronskim mikroskopima sa svih aspekata (količine, oblika, veličine). Šematski prikaz jednog Ferografa prikazan je na slici:

Pumpa

Uzorak ulja

Magnet

Kolektor

Tribo - mehanicki sistem

Slika 4.7: Ferograf Sa slike vidimo da je princip rada sljedeći. Uzorak maziva se pomoću pumpe prevodi preko staklene ploče ispod koje se nalazi jak magnet. Produkti habanja putem magneta bivaju zadržani na staklenoj ploči, a onda se pravi tzv. Ferogram na osnovu kojeg se analiziraju procesi habanja. Ovaj metoda je danas najefikasniji direktan je i automatiziran.

31

5. PROCES PODMAZIVANJA 5.1 VIDOVI PODMAZIVANJA I RELATIVNA DEBLJINA SLOJA MAZIVA U zavisnosti od debljine sloja maziva i njegovog površinskog rasporeda, stepena geometrijske sličnosti spregnutih površina i radnih uslova posmatranih elemenata i dijelova mašina moguće je ostvariti različite vidove podmazivanja. Svrha podmazivanja je razdvajanje površina slojem maziva da bi se kretanje elemenata mehaničkog sistema ostvarilo sa što manjim gubitkom energije i spriječilo njihovo habanje. Osim ovoga mazivo ima ulogu i sredstva za hladjenje TMS. Dva vida podmazivanja sa dosada poznato i to: - potpuno podmazivanje, - nepotpuno podmazivanje. Kod potpunog podmazivanja sloj maziva mora imati odredjenu moć nošenja, a ovo podmazivanje može da se ostvari na više načina: Hidrostatičko podmazivanje (HSP) a to je podmazivanje kada prinudnim načinom dovodimo mazivo u zonu kontakta, npr. (klizno ležište i sl.). Hidrodinamičko podmazivanje (HDP) obezbjedjuje sloj maziva u kontaktnoj zoni pravilnom konstrukcijom elemenata kao i primjenom odgovarajućih maziva. Medjutim ovo podmazivanje je praktično teško ostvariti jer imamo veliki broj uticajnih faktora koje moramo uzeti u obzir; Elastohidrodinamičko podmazivanje (EHDP) se primjenjuje pri proračunu podmazivanih površina gdje vladaju visoka specifična opterećenja. Ova visoka specifična opterećenja dovode do elastične deformacije površinskih slojeva materijala što znatno mjenja geomatriju dodirne površine, a visoki pritisci mjenjaju i viskozitet maziva. Prema tome tribološke karakteristike sistema su odredjene i elastičnim svojstvima materijala, hidrodinamičkim efektima i reološkim svojstvima maziva. Ako je relativna debljina maziva λ > 1 smatra se da su spregnute površine potpuno razdvojene i da je ostvarena EHTP.

2122

21

/qq )RR(

h+

=λ

Gdje je: h – debljina uljnog filma, Rq1, Rq2 – srednje kvadratno odstupanje prifila. Nepotpuno podmazivanje nastaje kada je sloj maziva nedovoljne veličine da spriječi dodir površina i imamo dva slučaja: a) mješovito podmazivanje (MP) b) granično podmazivanje (GP) Zone potpunog i nepotpunog podmazivanja mogu se prikazati dijagramom.

32

Slika 5.1: Stribekova kriva i režimi podmazivanja Smanjenje trenja i habanja materijala može se dakle ostvariti na više načina i to: - izborom konstrukcije - izborom materijala -ali i primjenom odgovarajućih vrsta maziva. Korištenjem maziva je ipak neizostavan način za rješavanje triboloških problema. Pod mazivom se podrazumjeva bilo koji materijal kojim se razdvajaju površine tijela u relativnom kretanju sa ciljem smanjenja trenja i habanja. Maziva mogu biti tečna, polutečna i čvrsta. Tečna maziva su obično mineralna i sintetička ulja. Mineralna ulja su organskog porijekla, dok sintetička mogu imati različito porijeklo. Fizičko-hemijske karakteristike su im približno iste, a sintetička ulja su nezapaljiva. Od polutečnih maziva najčešće se koriste različite vrste masti. Od čvrstih maziva najčešće se koriste molibdendisulfid MoS2, grafit, plastični materijali najčešće PTFE (teflon) politera flor etilen – PTFE. U cilju poboljšanja triboloških karakteristika svih maziva često se dodaju različite vrste aditiva različitih namjena. Kod tečnih maziva najvažnija karakteristika je viskoznost i ona odredjuje veličinu otpora kojom se tečnost suprotstavlja kretanju a nastaje kao rezultat djelovanja medjumolekularnih sila u fluidu. Kod maziva uvodi se pojam reologija maziva, a reologija kao disciplina izučava deformaciju i/ili strujanje materijala. Viskoznost maziva najviše zavisi od temperature i pritiska. Sa porastom temperature viskoznost opada a sa porastom pritiska raste. Jedan od izraza za određivanje viskoznosti je:

poe ⋅= βηη

gdje je: ηo – viskoznost na atmosferskom pritisku, β – koeficijent promjene viskoznosti, p – pritisak. Općenito tečna maziva se dijele na Njutnovske i ne Njutnovske fluide i obzirom na to definišu se različite vrste izraza i karakteristika.

33

6. IDENTIFIKACIJA OSNOVNIH TMS U PRENOSNICIMA Prenosnici sadrže veliki broj TMS kao, npr. zupčasti parovi, frikcioni parovi, lančani i remeni prenosi, klizna ležišta, presovani spojevi, hidropumpe, hidromotori, hidrocilindri, cijevni vodovi, razvodni i drugi ventili itd. Kod zupčastih parova javljaju se uglavnom najčešće sljedeće vrste habanja: a) Abrazivno habanje koje može biti dosta razorno; b) Skrečing teža forma abrazivnog habanja a karakterišu ga ogrebotine i kratki zarezi u pravcu

klizanja; c) Skoring je brzo odvodjenje metala izazvano kidanjem malih zavarenih dijelova pri neposrednom

dodiru kontaktnih površina, a karakteriše se dubokim brazdanjem u pravcu klizanja; d) Koroziono habanje nastaje usljed hemijskih dejstava kiselih materijala vlage ili primjesa u

mazivu, a karakteriše se sitnim jamicama koje se tokom vremena gube; e) Inicijalni piting se ispoljava u obliku sitnih jamica na dodirnici ili nešto ispod nje. Ovaj piting

nije posebno opasan budući da se može odstraniti a osim toga nije progresivan; f) Razorni piting se javlja ispod dodirnice a broj jamica kao i njihove dimenzije se neprekidno

uvećavaju što konačno dovodi do znatnog oštećenja zupčanika. Prema nekim analizama pojava pitinga se javlja u 90% slučajeva u industrijskim zupčanicima. Uzrok pitinga još nije u potpunosti definisan ali se pretpostavlja da je mehanizam adhezije;

g) Speling karakteriše ljuspanje vrha i bokova ivica zupčanika itd. Kod kotrljajnih ležajeva javljaju se sljedeće vrste habanja: a) piting – kao posljedica zamornog habanja; b) električni piting – koji je posljedica vrtložnih struja a koje se javljaju kao posljedica različitih

materijala iz kojih je uradjen; c) koroziono habanje; d) abrazivno habanje; e) adheziono habanje; f) freting korozija. Kod kliznih ležišta moguće su sljedeće vrste habanja: a) zamorno habanje, odnosno piting, b) korozija, c) abrazija, d) wiping je vrsta habanja kod koje se materijal na jednoj oblasti kontaktne površine razlijeva,

odstranjuje i prenosi u drugu oblast. Oštećena površina je svijetle boje a najčešće se javlja kod mekših materijala, naročito kod zalivaka od bijelog metala.

Kod nepokretnih spojeva vijčanih veza usljed oscilacija moguća je freting korozija. Kod zaptivnih elemenata moguća je pojava abrazije, korozionog i zamornog habanja. Kod hidromotora, odnosno hidropumpi često se javlja kavitaciona erozija, a pri puštanju istih u pogon javlja se i abrazija usljed nečistoća koje se nalaze u fluidu.

34

7. MATERIJALI TMS Materijal od kojih se izradjuju elementi TMS su u najvećem broju slučajeva metalne prirode mada se sve češće primjenjuju i nemetalni materijali, npr. polimeri svih vrsta, keramika, kompozitni materijali i slično. Sa tribološke tačke gledišta nemetalni materijali bi bili vrlo povoljni obzirom na bilo koji tribološki proces medjutim mehaničke osobine se ne mogu još uvijek porediti sa metalima, a i uticaj temperature je više izražen kod nemetala. Sila trenja na kontaktnim površinama, kao i otpornost habanja kontaktnih parova zavise u značajnoj mjeri od strukturnih karakteristika metalnih materijala. Pod strukturom metalnih materijala podrazumjeva se fazni sastav, tip i karakter kristalne rešetke, broj i karakter defekata u kristalnoj rešetci. Pored ovog značajan uticaj na otpornost habanja ima i njihova tvrdoća koja po pravilu raste sa povećanjem sadržaja ugljenika. Prisustvo feritne strukture uslovljava malu tvrdoću kontaktnih slojeva i nisku otpornost na habanje. Austenitna struktura koja se javlja u legiranim čelicima i pored relativno male tvrdoće ima veliku otpornost na habanje. Prisustvo karbida utiče na znatno povećanje tvrdoće i ima presudan uticaj na veličinu otpornosti habanja kontaktnih slojeva. Perlitna struktura (zrnasta) ima malu tvrdoću pa i otpornost na habanje. Prisustvo plastične perlitne strukture u kontaktnim slojevima elemenata TMS povećava, u značajnoj mjeri njihovu otpornost na habanje. Prisustvo martenzitne strukture je obavezno ako hoćemo veću otpornost na habanje. Pojava grafita u strukturi utiče na smanjenje njihove tvrdoće ali povećava otpornost na habanje jer djeluje kao podmazujuće sredstvo i na taj način smanjuje trenje.Čelici poznati po velikoj otpornosti na habanja bez primjene postupka opremljivanje kontaktnih slojeva su: a) visoko legirani manganov čelik sa 1,2% C i 12% Mn sa austenitnom strukturom, pri velikoj

sklonosti otvrdnjavanje površinskih slojeva pri hladnoj deformaciji. Jedan od ovakvih čelika je Č.3160;

b) visokougljenični čelik sa 0,6 – 0,8% C i sa nešto manjim sadržajem mangana namjenjen za izradu raznih dijelova u mašinogradnji a koji su izloženi habanju u uslovima visokih pritisaka i temperatura, npr. Č.1530;

c) visoko legirani čelik sa 2% (C) legiran sa 12 % (Cr) i 0,1% (V-vanadijuma). namjenjen je za uslove visokih temperatura i kontaktima koji se ostvaruju izmedju metalnih i nemetalnih materijala, npr. Č.4150;

d) za izradu kotrljajnih ležaja primjenjuje se čelik Č.4120 i Č.4146; e) za klizna ležišta se koriste, tzv. antifrikcioni metali medju kojima se bijeli metali i bronze

smatraju osnovnim. Medjutim težnja je kod ovih ležišta primjena poroznih ležišta i primjena samopodmazujućih ležišta. Porozna ležišta dobijaju se sinterovanjem, npr. željeznog praha ili bronze. Samopodmazujuća ležišta se rade, npr. od polimernih materijala, čvrstih maziva i keramike.

f) od materijala za izradu zupčanika a sa tribološke tačke gledišta, najčešće se koriste čelici: Č.4320, Č.4720, Č.5420, Č.7422 kod onih zupčanika kod kojih se traži izuzetno velika otpornost na habanje koriste se čelici za nitriranje, npr. Č.4739;

g) za izradu kliznih vodjica alatnih mašina najčešće se koriste čelici Č.1530, Č.4320 i SL.22; h) od materijala za izradu reznih alata najčešće se koriste, tzv. brzorezni čelici, npr. Č.6880

(18% W), Č.6980 (sa kobaltom), Č.7880 i Č.6983.

35

8. POSTUPAK POVEĆANJA OTPORNOSTI NA HABANJE KONTAKTNIH SLOJEVA

Tribološka svojstva triboloških elemenata TMS funkcija su fizičko-hemijski i strukturnih karakteristika materijala od kojeg su izradjeni. Medjutim kontaktni slojevi mogu da imaju različita tribološka svojstva u odnosu na svojstva koja bi trebalo očekivati s obzirom na hemijski sastav, mehaničke osobine i strukturne karakteristike osnovne mase materijala i to prije svega u zavisnosti od primjenjenog postupka obrade kontaktnih površina i uslova pod kojima su one nastale (sila, temperatura, brzina rezanja i sl.). U zavisnosti od primjenjene vrste obrade rezanjem, režima rezanja i geometrije obrade javiće se na obradjenoj površini veća ili manja hrapavost. Osim toga na površini može doći do povećanja mikrotvrdoće, čak i do 2 puta veće od osnovnog materijala. Naravno ako je veća tvrdoća i manja hrapavost, imamo veću otpornost na habanje. Ove pojave izučava posebna oblast u tribologiji nazvana teorija nasljedja. Povećanjem otpornosti na habanje, osim gore navedenog načina, može se postići postupcima modifikovanja površina. Postoje dva osnovna načina modifikovanja površine: 1. metode nanošenja triboloških prevlaka na osnovni materijal i 2. metode promjene svojstava osnovnog materijala u površinskim slojevima. Prvi način odlikuje se formiranjem prevlaka koje treba da ispune sljedeće uslove: a) da ima dovoljnu debljinu, b) da je ravnomjerno nanešena po čitavoj površini; c) da je homogena u hemijskom pogledu; d) da je metalurška veza prevlake i podloge dovoljno čvrsta; e) da je mehanički homogena i bez uključaka; f) da je cijena prevlake prihvatljiva. U prvu grupu postupaka za nanošenje triboloških prevlaka spada: a) fizičko taloženje iz gasovite faze ili PVD postupak, b) hemijsko taloženje iz gasovite faze ili CVD postupak c) TD postupak d) plazma spray proces e) sinergističke prevlake f) polimerne prevlake g) prevlake od keramike. U drugu grupu postupaka spadaju: a) jonska inplantacija b) lasersko otvrdnjavanje c) jonski difuzioni procesi d) površinsko plastično deformisanje. PVD postupak u suštini se odlikuje transferom materijala u gasovitoj fazi do formiranja prevlake. Ovaj postupak omogućava formiranje bilo kakve neorganske prevlake, npr. tvrdi metali i razne legure povoljnih triboloških karakteristika i sl. Npr. prevlake mogu biti i od Ti (titana), Zr (cirkonija), Mo (molibden), W (volfram), Cr (krom) itd.

36

CVD postupak je hemijska reakcija koja se odvija u gasovitoj fazi, a osnovna razlika od PVD postupka je to što je prevlaka formirana pomoću prelaznih neuravnoteženih procesa. Ovaj postupak takodjer zahtjeva visoke temperature (oko 10000C) i danas se ovim postupkom dobijaju i jednoslojne ali i višeslojne prevlake. Npr. TiN, TiC, TiCN (titan carbon nitrat). TD proces je difuzioni proces i efikasan je za dobijanje tankih prevlaka karbidne prirode velike gustine i tvrdoće sa odličnim svojstvima otpornosti na habanje i koroziju. Plazma spray postupak omogućava formiranje prevlake od različitih materijala, npr. metali, keramika, legure i sl. Nanose se u obliku spray-a velike energije. Sinergističke prevlake su prevlake u slojevima uglavnom od polimernih materijala. Ako se nanose na čelik i druge željezne legure onda pokazuju još bolja svojstva pa se zovu i sinergističke jer djeluju zajedno. Polimeri služe za tanke filmove na metalnim površinama kao naljepljene trake ili moglajs mase (kuglice). Kemijski su veoma postojane prema svim agresivnim elementima izuzev acetona i benzola Keramika kao materijal ali kao i prevlaka predstavlja kombinaciju jednog ili više metala sa nemetalima obično kiseonikom (O), ugljikom (C) ili azotom (N). Keramika je vrlo stabilno hemijsko jedinjenje i ne reaguje lahko sa drugim materijalima i ima visoku tačku topljenja. Medjutim keramika pokazuje težnju ka prskanju, što znači da joj žilavost nije na potrebnom nivou. Ipak danas se keramika koristi u tehnici visokih temperatura, npr. nuklearna tehnika, hemijska industrija i sl. PVD ili CVD postupkom može se keramika nanositi na bilo koji materijal kod prevlaka. Jonska inplantacija omogućava formiranje metastabilnih površinskih struktura sa željenom modifikovanom strukturom. Drugim riječima rečeno to je proces u kome se praktično bilo koji elemenat može uvesti u površinsku strukturu bilo kojeg tvrdog metala. To se obično postiže snopom jona velike brzine i energije gdje joni prodiru do dubine od 0,01 do 1 μm gubeći pri tome energiju u sudaru sa atomima osnovnog materijala. Lasersko otvrdnjavanje površine u današnje vrijeme koristi se snažni CO2 laser, kontinualnog emitovanja laserskog zraka. Dejstvo lasera na površini može se koristiti za transformaciju strukture i stvaranje metastabilnih faza ili uvodjenje legirajućih elemenata u osnovnu strukturu materijala ali i za formiranje prevlaka. Jonski difuzioni procesi zasnivaju se na termodifuzionim procesima. Tu, npr. spadaju cementacija (uvodjenje C u površinu), nitriranje (uvodjenje N u površinu), karbonitriranje, boriranje (B), alitriranje (Al) itd. Površinsko plastično deformisanje ima sve značajnije mjesto posljednjih godina, a na ovaj način smanjujemo habanje površina a povećavamo površinski sloj.