Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’ - fkit.unizg.hr · PDF file3 Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’ Okvirni sadržaj kolegija – dio TRIBOLOGIJA Procesi koji se odvijaju na površinama

1

Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’Studij: Kemija i inženjerstvo materijala (KIM)

Akad. god. 2013/2014

Nositelji obveznog kolegija:Nastava:

Dr Vera Kovačević, red.prof.Dr Sanja Lučić Blagojević, izv.prof.Dr Mirela Leskovac, izv.prof.

Vježbe:Zrinka Buhin dipl. inž., znanstv. novak ECTS: 7Ukupno sati: predavanja + (lab. vježbe + seminar): 2 + 3 (2+1)Tip kolegija: obvezni

Diplomski studij, 1 godina , semestar: zimski.• Predavanja, seminari, vježbe;• Vježbe: laboratorijske i auditorne (seminar); • Provjera znanja: kolokvij, pismeni i usmeni ispit.

2

Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’Cilj kolegija

• Cilj je poznavanje fenomena površina, gdje se inženjerstvom površina modificiraju struktura i svojstva površina i međupovršina, kao i materijala u cjelini, radi poboljšanja svojstava.

• Temeljni pristup u razvoju novih materijala je kontrolirana promjena svojstava na međupovršinama pristupom (‘buttom up’) od nanorazine do mikro- i makro-razine.

• Razumijevanje tribologije površina materijala koji su u međusobnom gibanju daje potrebna znanja o mehanizmima trenja, trošenja i podmazivanja površina kao preduvjet za rješavanjetriboloških problema - gubitaka energije i materijala u industriji, kao i dobivanja novih tribološki kompatibilnih materijala koji su karakterizirani nižim trenjem i trošenjem.

3

Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’Okvirni sadržaj kolegija – dio TRIBOLOGIJA

Procesi koji se odvijaju na površinama. Procesi kvašenja i fenomeni adhezije.Odnos međupovršina/međufaza. Interakcije na međupovršinama. Mehaničko ponašanjeplastičnih materijala. Ponašanje tankih filmova. Kontaktni kut i adhezija. Polimerni materijali u kontaktu s otapalima i vodenim disperzijama. Kemijske i mehaničke predobrade površine. Obrada površine zračenjem. Utjecaj pred-tretmana na morfologiju površine i adhezijska svojstva. Starenje površine. Područje industrijske primjene inženjerstva površina: ocjena utjecaja predobrade površine na promjene svojstava odabranog materijala i odgovarajućeg proizvoda. Ocjena mogućnosti produljenja trajnosti površina primjenom novih materijala. Primjena tribologije i zaštite površina materijala kod procesa prerade odabranih materijala. Ponašanje površina materijala kod trenja i trošenja. Topografija površina. Kemijske, strukturne i tribološke karakteristike površinskih slojeva. Studiranje morfologije, defekata i svojstava trošenja površina odabranih materijala. Ocjena triboloških svojstava materijala. Kontrola ponašanja materijala kod trenja, trošenja i podmazivanja. Mikro- i nanotribologija.

4

Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’Sadržaj predavanja

• Fenomeni površina• Fenomeni adhezije• Polimerne površine• Polimer-polimer međupovršine• Međupovršine u polimernim mješavinama,

kompozitima i adhezijskim spojevima• Tribologija

5

Tribologija Sadržaj predavanja

1. UVOD 102. OSNOVE TRIBOLOGIJE 112.1. Industrijski značaj tribologije 162.2. Tribologija materijala 182.2.1. Elementi tribosustava 20 2.2.2. Hrapavost površine 21 2.3. Struktura i svojstva materijala i površina u

funkciji tribološkog ponašanja 23

6


3. TRENJE 383.1. Zakoni trenja 39 3.2. Fenomeni trenja 413.3. Faktor trenja 47 3.3.1. Određivanje faktora trenja 553.4. Mehanizmi trenja 583.5. Tribologija polimernih materijala 633.5.1. Trenje polimera u ovisnosti o sastavu i temperaturi 67 3.6. Zaključno o trenju 70

7


4. TROŠENJE 744.1. Osnovni mehanizmi trošenja 78 4.1.1. Adhezijsko trošenje 79 4.1.2. Abrazijsko trošenje 86 4.1.3. Trošenje zamorom 92 4.2. Definiranje trošenja 984.3. Ispitivanje trošenja 100 4.4. Trošenje metala i legura 1014.5 Trošenje keramike 102 4.6. Trošenje polimernih materijala 103 4.6.1. Određivanje otpornosti na brazdanje polimernih materijala 114 4.6.2. Klizno trošenje i deformacijsko očvršćivanje polimera 120 4.6.3. Nova definicija trošenja polimernih materijala 122 4.7. Zaključno o trošenju 123

8


5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI 1295.1. Odabir materijala 1295.2. Primjena metalnih i keramičkih materijala 131 5.3. Primjena polimernih materijala 1325.3.1. Utjecaj specifičnosti polimerne strukture u tribološkoj primjeni 142 5.3.2. Utjecaj krhkosti polimernih materijala 144 5.3.3. Veza deformacijskog očvrsnuća i slobodnog volumena 151 5.3.4. Utjecaj energije površine polimernih materijala 153 5.3.5. Utjecaj dodataka u sastavu polimernih materijala 155 5.3.6. Utjecaj magnetskog polja 157 5.3.7. Utjecaj zračenja 159 5.3.8. Utjecaj predobrade 160 5.3.9. Utjecaj okoline 161 5.3.10. Računalna simulacija 162 5.3.11. Zaključno o tribologiji polimernih materijala 167

9


6. MAZIVA U TRIBOLOGIJI 168 6.1. Primjena maziva 168 6.2. Kruta sredstva za podmazivanje 1696.3. Maziva na bazi polimera 1706.4. Premazi i obrada površina 171

7. MIKRO I NANOTRIBOLOGIJA 179

8. LITERATURA ZA ISPIT 183

8.1. Dodatna literatura 184

10

1. UVOD

Tribologija je znanost i tehnika o površinama materijala koje su u dodiru i relativnom gibanju, kao i o pratećim pojavama i aktivnostima u cilju ušteda materijala i energije (na pr. procjena mogućnosti uštede na troškovima izazvanim trenjem i trošenjem ~1-2% brutto nacionalnog proizvoda; ulaganja : ušteda = 1:40 prema I. JOST, Ministarstvo prosvjete i znanosti, UK).

- Tribologija je znanstveno-stručna disciplina koja se bavi problematikom trenja i trošenja.

- Tribologija u popularnom izražavanju uključuje trenje (friction), trošenje (wear) i podmazivanje (lubrication).

11

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE

Suštinu tribologije predstavlja:- Razumijevanje prirode postojećih interakcija na

međupovršinama;- Poznavanje procesa naprezanja;- Rješavanje tehnoloških problema u praktičnoj primjeni.

Tijekom interakcija između površina dolazi do djelovanja privlačnih sila, kao i prijenosa mehaničke energije, a time se mijenja fizikalna i kemijska priroda međudjelujućih površina materijala, uključujući i topografiju površine.

- Interakcije do kojih dolazi na međupovršini (priroda interakcija i posljedice tih interakcija) određuju ponašanje međupovršine kod trenja, trošenja i podmazivanja, kao i ponašanje materijala u cjelini.

12


Istraživanja u tribologiji usmjerena su na smanjivanje negativnih posljedica trenja i trošenja, kao što su direktni gubitci (energije, materijala) i indirektni gubitci (zastoji, sigurnost, promjene u okolišu).

• Razlikuje se:- Nekorisno (štetno) trenje i trošenje uzrokuje ogromne gubitke

energije kod trenja i materijala kod trošenja). - Korisno trenje i trošenje potrebno je kod kliznih parova, obradbe

materijala odvajanjem čestica, poliranja, transporta, kod kočenja ili bušenja, kod kotača za vožnju na vlakovima ili automobilima i dr.

• Postavljaju se 2 suprotna zahtjeva koja treba uskladiti u primjeni:- TRAJNOST – predstavlja otpornost na trošenje materijala i

izbjegavanje štetnog trenja i trošenja, ali i - TEHNOLOGIČNOST koja predstavlja sposobnost oblikovanja

materijala obradom, koja uključuje korisno trenje i trošenje.

13


TRIBOLOGIJA JE INTERDISCIPLINARNA ZNANOST- Osnovne (fundamentalne) discipline tribologije

opisuju osnovnu prirodu površina, interakcije, gibanja i materijale: FIZIKA; KEMIJA; MATEMATIKA; MEHANIKA FLUIDA; MEHANIKA; ZNANOST O MATERIJALIMA; METALURGIJA; STROJARSTVO.

- Primijenjene discipline tribologijeopisuju efekte odabira materijala, obradbe, podmazivanja i primjene: MATERIJALI (metali, polimeri, keramika, ‘novi’ napredni materijali); OBRADBA MATERIJALA (površinski tretmani materijala);PODMAZIVANJE MATERIJALA (ulja, masti, aditivi);MEHANIČKE KONSTRUKCIJE (zupčanici, ležaji, klizni elementi);NOVA ISTRAŽIVANJA (nanotehnologije).

Osnovni zadatak tribologije: KONTROLA (‘upravljanje’) TRENJA I TROŠENJA

14


Primjer: Najstariji primjeri o korisnoj primjeni tribologije

(a) (b) (c)

Slika . Eskimska lučna naprava za paljenje vatre (a), Egipatski stolari buše rupe pomoću lučne naprave(b), ležaj lončarskog kola (Jerihon oko 2000 godine prije Krista)(c)

15


Primjer: Egipćani su koristili vodu kao mazivo za sniženje trenja:Transport ogromnog kipa-kolosa (oko 1880 BC) od strane 172 roba koji vuku kip

(pojedinac s silom oko 800 N) pomoću vodom podmazanih drvenih saonica

16

• Industrijska revolucija (1750-1850), je bila poticaj razvoju mehanizacije i mehaničke proizvodnje te podloga za zahtjeve za boljom tribologijom - manjim trenjem i trošenjem:

- Tribologija je ključna u modernoj mehanizaciji i strojarstvu gdje se koriste površine koje se međusobno kližu (sliding) i/ili valjaju-kotrljaju (rolling).

- Neproizvo (štetno) trenje i trošenje izaziva gubitke (napr. kod motora s unutarnjim izgaranjem, zrakoplovnih motora, kod prijenosnika-zupčanika, osovina, ležajeva i brtvila itd.).

- Površine koje se kližu (sliding), valjaju ili kotrljaju (rolling) ključne su u većini tehnologija.

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE2.1. Industrijski značaj tribologije

17

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE2.1. Industrijski značaj tribologije

Knjiga Friction and Wear of Materials, 2nd Ed., Wiley, New York 1995; Ed, Ernst Rabinowicz – citat : ‘stressed of UK Jost Report from 1960’s about the ignorance of tribology i.e. the mechanical surface interactions phenomena, especially to the wear – the most significant tribological phenomenon from the economical point of view, and the importance of coherent program of education and research in tribology’.

Razlozi industrijskog značaja tribologije: - Trošenje i korozija su najznačajniji tribološki fenomeni s

ekonomskog stanovišta jer trošenje i korozija uzrokuju ogromne troškove u industriji.

- Problemi korozije metala uzrokuju potrebu da se metalni dijelovi danas često moraju zamijeniti s polimernim dijelovima napr. u avionskoj, automobilskoj i drugim industrijama, ili se primijenjuju metalni i keramički materijali koji su zaštićeni premazima.

18

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE2.2. Tribologija materijala

Osnovni tribološki elementi čije je poznavanje potrebno zaoptimalno djelovanje i pouzdanost kod situacija trenja i trošenjakoji definiraju tribološko ponašanje materijala:

1. Mehanizmi trenja i trošenja koji uključuju adheziju i deformacije.

2. Mehanizmi adhezije i fizikalnih i kemijskih interakcija između površina u gibanju;

3. Hrapavost površine;

19


Poznavanje i razumijevanje principa tribologije omogućuje razumijevanje tribologije u industrijskoj primjeni (napr. za uspješni dizajn alatnih elemenata):

- Trenje je otpor gibanju do kojeg dolazi uvijek kada jedno čvrsto tijelo dodiruje drugo čvrsto tijelo;

- Trošenje (habanje) predstavlja oštećenje površine ili odstranjenje materijala s jedne ili s obje od dvije čvrste površine koje su u kontaktu tijekom gibanja;

- Kontrola trenja i trošenja je ključna kada se primjenjuju se raznimaterijali, premazi i površinske predobrade (jedan od najučinkovitijih načina kontrole trenja i trošenja je ispravno podmazivanje - maziva (lubricant) mogu biti kapljevine, čvrste tvari ili plinovi, koje osigurava izvođenje operacija bez teškoća i zadovoljavajuće trajanje strojnih elemenata

20

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE2.2. Tribologija materijala2.2.1. Elementi tribosustava

Elementi jednostavnog tribosustava su materijali koji su u kontaktu kod gibanja (1) i (2), uz među-sredstvo (mazivo) (3) kao idjelovanje okoline (4) (kao na pr. korozijsko djelovanje).

- Za postizanje optimalnih rezultata kod rješavanja triboloških problema trenja, trošenja i podmazivanja, treba uzeti u obzir opterećenje, F, smjer gibanja ,υ, i suprotnu silu trenja, ϕ, te ULAZ-IZLAZ protok kroz sustav (gibanje, energija, materijali, informacije), kao i razne SMETNJE (toplina i sl), kao i GUBITKE radi trenja i trošenja.

21


2.2.2. Hrapavost površineHrapavost površine uzrokuje da do kontakta dolazi na diskretnim

mjestima (asperities), gdje dolazi do međupovršinske adhezije,kada se inače glatke površine dovedu u kontakt.

• Razlikuje se: - Površinski dodir realnih (hrapavih) ravnih površina (konformni);- Površinski dodir zakrivljenih ploha (nekonformni).

Stvarna dodirna površina proporcionalna je:- Broju jediničnih dodira;- Opterećenju tj. normalnoj sili.- Kod ravnih površina stvarna dodirna površina je manja od

nominalne dodirne površine zbog neravnina – hrapavosti.

22


2.2.2. Hrapavost površine

Slika . Topografija i karakteristike hrapavosti površine: Rt - najveća visina neravnina; l – referentna duljina; Ra – srednja aritmetička udaljenost profila

23

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE2.3. Struktura i svojstva čvrstih tvari

Struktura i naročito nepravilnosti –nesavršenosti u strukturi materijala na površini i u masi utječu na tribološka svojstva:

- U čvrstim materijalima prisutne su nesavršenosti strukture – kao nepravilnosti strukture raspodijeljene u masi materijala, tzv. ‘nered’, koje mogu nastati za vrijeme proizvodnje ili tijekom deformacija.

Primjer: Nepravilnosti kristalne struktureKristali mogu sadržavati ‘nered’- atome na krivim mjestima, nedostajuće ili strane atome; nesavršenosti tj. nered u kristalu može se širiti u dvije dimenzije kao granična linija (boundary);kristalasti materijal može sadržavati samo jednu strukturu ili fazu, ali može sadržavati i više faza raznih orijentacija; individualni kristali nazivaju se zrna (grain)- a na granici zrna (grain boundary) postoji tzv. prijelazna faza.

24


Primjer: Nepravilnosti kristalne strukture (nastavak)- Mikrostruktura kristalastog materijala predstavlja geometrijski

raspored zrna i faza u materijalu: - Veličina faze ovisi o procesu, vremenu i temperaturi;- Granica zrna predstavlja defekte u kristalnoj strukturi i stoga

snizuje električnu i termičku vodljivost materijala;- Međupovršina između zrna je nestabilna jer ima visoku

međupovršinsku energiju i relativno slabo adhezijsko povezivanje, te predstavlja prioritetna mjesta za početak korozije i degradacije u polikristalastim materijalima;

- Mikrostruktura se može promatrati kod velikog povećanjaprimjenom optičkog (do x2000) i elektronskog mikroskopa (do x100,000 ili više).

25


Materijali mogu sadržavati jednu ili nekoliko faza koje se razlikuju u strukturi ili kompoziciji:

- Unutar faze struktura može biti kristalna, polikristalna ili amorfna;

- Faze se mijenjaju s kemijskom kompozicijom i temperaturom;- Fazni dijagram pokazuje granice topljivosti krutog i kapljevitog

u uvjetima ravnoteže, kao i kemijsku kompoziciju faza koje su prisutne na raznim temperaturama i različitim koncentracijama u ravnoteži.

Primjer: Krute otopine (solid solutions) su jednofazni metalni materijali (napr. čelik, na nekim temperaturama bakar).

Primjer: Smjese ili legure kod metala sastoje se od više faza (na pr. čelik: Fe-C; na nekim temper. staklom ojačana plastika).

Primjer: Nekristalni ili amorfni materijali(predstavljaju trodimenzionalni nered materijala u masi).

26


• Najočitiju graničnu liniju predstavlja vanjska površina materijala gdje atomi na površini imaju višu površinsku energiju i slabije su vezani za unutrašnje atome:

- Ako se dodatni atomi smjeste na površinske atome - na pr. predobradom ili samo djelovanjem atmosferilija, površinska energija se mijenja.

• Za očekivati je da promjene strukture površine (interakcije) kao i promjene karakteristika površine (morfologija i prijenos naprezanja) utjecati na promjene tribološkog ponašanjamaterijala, kada je u kontaktu s drugim materijalom u gibanju, što uključuje adheziju i deformaciju.

27


Deformacija nastaje kada se materijal (na pr. komponenta alatnog stroja) podvrgne naprezanju:

- Deformacije mogu biti ili elastične i/ili plastične i ponekad vode do loma;

- Lom materijala može biti ili duktilni- savitljiv (ductile) ili krt-krhak (brittle);

- Nominalno ili inženjersko ili uobičajeno naprezanje, σ, predstavlja omjer opterećenja, F, i ishodnog poprečnog presjeka, A 0,, ako se naprezanje raspodjeljuje jednoliko preko površine poprečnog presjeka:

- Stvarno ili aktualno naprezanje, σt , predstavlja omjer opterećenja, F, kod bilo kojeg stupnja opterećenja i aktualne površine poprečnog presjeka kod tog stupnja opterećenja (At):

0AF

=σt

t AF

=σ

28


- Nominalno ili inženjersko iliuobičajeno istezanje, ε, izražava se kao promjena duljine ( lf – l0) podijeljena s inicijalnom duljinom (l0):

- Stvarno ili efektivno istezanje, εtpredstavlja zbroj porasta istezanja podijeljen s aktualnom duljinom (prirodni logaritam konačne duljine podijeljene s inicijalnom duljinom):

- Ako nema promjene volumena za vrijeme deformacije tj.

(A0l0 = Aflf) tada vrijedi: ( l i A predstavljaju duljinu i poprečni presjek, a indeksi, 0 i t, predstavljaju inicijalne i konačne vrijednosti)

00

0

ll

lll f Δ=

−=ε

( )εε +=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== ∫ 1lnln

f

0 0

ft

l

l ll

ldl

)1(ln tf

0t εσσε +=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

AA

29


• Razlike između nominalnog i stvarnog naprezanja i istezanjazanemarive su u elastičnom području materijala: u plastičnom području stvarno naprezanje i istezanje viši su nego odgovarajuće nominalne vrijednosti.

Slika . Tipične krivulje naprezanje-istezanje za istezljivi materijal

30

2. OSNOVE TRIBOLOGIJE 2.3. Struktura i svojstva čvrstih tvari

• Duktilnost-razvlačivost (ductility) opisuje istezanje prije nego se uzorak prelomi ili prekine, gdje l i A predstavljaju duljinu i poprečni presjek, a indeksi, 0 i t, predstavljaju inicijalne i konačne vrijednosti:

Duktilnost = ili

- Kod amorfnih materijala primijenjeno naprezanje djeluje na premještanje atoma, kao i njihove okoline te, kao i kodkristalastih materijala, uzrokuje dislociranja atoma i okoline, te konačno vodi do loma.

• Lom (fracture) predstavlja konačno popuštanje materijala (failure).

- Pojava duktilnog ili krhkog loma ovisi o procesu loma koji se odvija u dva stupnja: stvaranje napuklina (crack) i širenje napuklina do loma.

0

0t

lll −

0

0t

AAA −

31


• Tip loma je izrazito ovisan o mehanizmu širenja napuklina:- Duktilni lom karakterizira ekstenzivna plastična deformacija i

stabilnost napuklina sve do porasta naprezanja (viša energije istezanja do loma).

- Krti lom karakteriziraju napukline koje se brzo i spontano šire i bez porasta naprezanja s malo plastičnih deformacija (niža energija istezanja do loma).

• Slika . Naprezanje-istezanje krivulja za slučaj (a) duktilni lom i (b) krti lom: područje ispod krivulje naprezanje-istezanje je mjera žilavosti materijala

32


• Žilavost materijala (toughness) predstavlja područje ispod krivulje naprezanje-istezanje:

Žilavost =

- Jedinica žilavosti je energija po jediničnom volumenu materijala;

- Žilavost je mjera sposobnosti materijala da apsorbira energiju sve do loma (tipično materijali visoke čvrstoće imaju nisku žilavost);

- Žilavost inženjerskih materijala mjeri se standardno na uzorku s pukotinom ili zarezom (en. crack ili notch);

• Lom materijala (i duktilni i krti) je funkcija žilavosti materijala:- Način loma materijala ovisi o temperaturi (na pr. duktilni

materijal ispod određene temperature može popuštati krtim lomom).

This image cannot currently be displayed.

εσε

df

0∫

33


• Zamor (fatigue) materijala često se naziva zakašnjeli lom: uključuje konačno vrijeme do loma pod bilo kojim kontinuiranim vanjskim cikličkim ili statičkim naprezanjem:

Slika . Stadiji loma: (a) inicijalno suženje, (b) stvaranje malih šupljina (en. cavity), (c) koalescencija šupljina i stvaranje napukline, (d) širenje napukline, (e) konačni smični lom pod kutom od 45o u odnosu na smjer rastezanja.

34


• Elastični materijali imaju sposobnost pohrane mehaničke energije bez rasipanja energije, tj pokazuju vremenski neovisnu elastičnu deformaciju.

• Viskoelastični materijali imaju sposobnost djelomičnog obnavljanja rada koji je uložen za njihovu deformaciju te dijelom mogu pohraniti i dijelom mogu rasipati mehaničku energiju:

- Ne-elastična deformacija kod viskoelastičnih materijala ovisna je o vremenu;

- Napr. polimeri se općenito deformiraju pomoću viskoelastične deformacije - to su obično amorfni materijali.

35


• Za idealno elastičnu čvrstu tvar prema Hook’ovom zakonu, naprezanje (stress), τ , direktno je proporcionalno istezanju (strain) , γe , u malim deformacijama, i neovisno je o brzini istezanja (strain rate):

• Kod idealno viskozne kapljevine prema Newton-ovom zakonu, naprezanje,τ , je uvijek direktno proporcionalno brzini istezanja, γf :

- Nagib krivulje naprezanje-brzina istezanja (stress-strain rate) naziva se apsolutna (dinamička) viskoznost,η , izražena u cP (1cP=1mPa s).

fηγτ =

eGγ=τ

36


• Krivulje deformacije naprezanje-vrijeme i istezanje-vrijeme opisuju odgovarajući mehanički modeli:

(a) Elastična deformacija prikazuje semodelom opruge (vremenski neovisna elastična deformacija nestaje kod prestanka naprezanja).

(b) Viskoelastične/viskoplastične deformacije prikazuje se modelom prigušnika (‘dashpot’ ), za viskoznu deformaciju, u kojem se klip giba u cilindru s viskoznim mazivom (vremenski ovisna deformacija).

37


• Viskoelastične deformacije nisu povratne odmah nakon prestanka djelovanja naprezanja ali dolazi do oporavka nakon nekog vremena:

- Viskoelastični materijali kombiniraju ponašanja kao-čvrsta tvar i kao-kapljevina;

- Viskoelastična svojstva izrazito su ovisna o temperaturi i brzini (frekvenciji) istezanja:

• Ponašanje viskoelastičnih/viskoplastičnih materijala prikazuje se modelima koji kombiniraju efekte opruge i prigušnika.

38

3. TRENJE

Trenje (friction) predstavlja otpor gibanju za vrijeme klizanja ili valjanja-kotrljanja, do kojeg dolazi kada se čvrsto tijelo giba tangencijalno preko drugog tijela s kojim je u kontaktu:

Slika . Tijelo kliže na površini (a), tijelo se kotrlja na horizontalnoj površini (b); W (ili FN)= normalno opterećenje (sila), F(ili Ft)= sila trenja

39

3. TRENJE3.1. Zakoni trenja

• Znanstveni pristup fenomenu trenja prvi postavlja Leonardo da Vinci(1452-1519) (njegove bilješke publicirane tek nakon 100 godina):

- Sila trenja (suprotna od smjera gibanja) je proporcionalna normalnoj sili između površina u dodiru;

- Sila trenja neovisna je o nominalnoj dodirnoj površini; - Faktor trenja = sila trenja / normalno (okomito) opterećenje

(coefficient of friction = friction force / normal load).Primjer: Crteži da Vinci-evih pokusa - sila trenja na horizontalnoj i kosoj

ravnini (a); utjecaj nominalne dodirne površine na silu trenja (b):

(a) (b)

40

3. TRENJE3.1. Zakoni trenja

• Dva osnovna empirijska zakona trenja (ponovno) definiraGuillaume Amontons (1699) (studira klizanje između dviju glatkih površina):

1. Sila trenja (koja odolijeva klizanju na međupovršini) direktno je proporcionalna normalnom opterećenju;

2. Iznos sile trenja ne ovisi o prividnoj površini dodira (apparent area of contact);

• Treći empirijski zakon trenja postavlja Charles-Augustin Colomb (1785) i verificira već postavljene zakone trenja:

3. Sila trenja neovisna je o brzini gibanja (velocity) (kada jednom započne gibanje).

• Trošenje - habanje se kao područje istraživanja razvija puno kasnije (Rarnar Holm, 1946 i dr.), od istraživanja trenja i nosivog opterećenja (bearing).

41

3. TRENJE3.2. Fenomeni trenja

Tri ključne komponente trenja, treba uzeti u obzir pri proučavanju fenomena trenja, tj. uzroka i posljedica trenja:

(1) ADHEZIJA (međupovršinske veze tj. njihov tip i čvrstoću te prekid veza između tarnih materijala);

(2) DEFORMACIJA (smicanje površina i prijenos energije tarnog para tj. plastičnu i elastičnu deformaciju, duktilnost i brazdanje);

(3) KONTAKTNA POVRŠINA (stvarno područje dodira, tj. hrapavost površina).

42


Adhezijska komponenta trenja je kontrolirana stvaranjem i prekidom veza između dodirnih površina na stvarnim točkama kontakta:

- Kod većine polimera tipično su prisutne van der Waalsove i vodikove veze;

- Tijekom interakcija površina dolazi osim djelovanja privlačnih sila, i do prijenosa mehaničke energije.

Deformacijska komponenta trenja, kao drugi izvor sile trenja uz adhezijsku komponentu, pripisuje se deformacijama do kojih dolazi na mjestima dodira (asperities) dviju klizajućih površina:

- Na mjestima dodira površina, dolazi do elastične, plastične ili viskoelastične deformacije, što ovisi o svojstvima pojedinog materijala;

- Deformacije su praćene rasipanjem mehaničke energije, što ovisi o tipu deformacija, uvjetima klizanja, tarnim materijalima, njihovim mehaničkim svojstvima, okolini i drugim čimbenicima.

43


Međupovršinski spojevi tj. njihovo stvaranje, rast i prekid pod utjecajem su:

- Prirode i kemije dodirnih površina; - Naprezanja u površinskim slojevima pri danim uvjetima

opterećenja.

• Tako je npr. specifično za područje između polimernih površina definirano i kao tzv. 'treće tijelo‘, koje je karakterizirano međupovršinskim spojevima i produktima njihova loma kao visoko deformirani površinski slojevi;

- 'Treće tijelo' pretpostavlja da površina polimera uključena u proces trenja može posjedovati svojstva koja se drastično razlikuju od svojstava polimera u masi.

44


Površinska onečišćenja ili tanki filmovi na površini utječu na trenje:

- Sniženje adhezije između površina snizuje trenje;- Dobro-podmazane površine (well-lubricated) pokazuju slabu

adheziju i stoga i nisko trenje.- Porast adhezije između površina povisuje trenje;- Mala količina kapljevine koja je prisutna na međupovršini može i

suprotno - povisiti adheziju posredstvom kapljevine, što možerezultirati visokim trenjem, posebno između glatkih površina.

45


Primjeri ovisnosti jačine adhezije i trenja:- Površine čistih metala i legura u kontaktu posjeduju visoku

adheziju (jake metalne veze) i odgovarajuće visoko trenje (visoki faktor trenja oko 2 i više); oksidi metala i nečistoće snizuju adheziju i trenje;

- Keramički parovi radi niže adhezije pokazuju niži koeficijent trenja, u usporedbi s metalima, ali i veće otpornosti na smicanje;

- Polimeri kao posljedica slabih veza kao što su van der Waals, vodikove veze i sl., pokazuju nisko trenje radi nižih interakcija, te niže smične čvrstoće (općenito su neotporni, niže krutosti i čvrstoće, u usporedbi s keramikom i metalima).

- Polimerni kompoziti pokazuju nisko trenje ali i niže trošenje od polimernih materijala, te osiguravaju ravnotežu između dobre mehaničke čvrstoće i dobrog tribološkog ponašanja.

- Kruta maziva snizuju trenje jer stvaraju film niske smične čvrstoće (koriste se u formi čvrstih tvari ili filmova, suhog praha ili kao ulja (disperzije ili suspenzije).

46


Vrste trenja: suho trenje i kapljevito trenje (dry friction, fluid friction):

- Suho trenje (‘Coulomb’ trenje) opisuje tangencijalnu komponentu sile kontakta do koje dolazi kada se dvije suhe površine pokreću ili se nastoje kretati jedna prema drugoj.

- Kapljevito trenje opisuje tangencijalnu komponentu sile kontakta do koje dolazi kada postoje dva susjedna sloja u kapljevini koja se kreću različitim brzinama relativno jedan prema drugom, kao što se to događa u kapljevini ili plinu između površina.

TRENJE NIJE SVOJSTVO MATERIJALA nego predstavlja odgovor danog tribo-sustava.

47

3. TRENJE3.3. Faktor trenja

Faktor trenja, f , definira tribološko ponašanje tribopara i predstavlja omjer sile trenja i okomitog opterećenja.RAZLIKE u veličini f KOD KLIZANJA I/ILI KOTRLJANJA:- Vrijednosti faktora trenja kod klizanja suhog tijela tipično više

od 0.1 do u nekim slučajevima vrijednosti većih od 1.- Vrijednosti faktora trenja kod kotrljanja krutog cilindra ili

sferičnog tijela koje se giba nasuprot cilindičnog, sferičnog ili tijela blagog nagiba su niske u području 5x10-3 do 10-5;

• Trenje materijala koje nastaje kotrljanjem (rolling friction), puno je manje od trenja materijala koje nastaje klizanjem (sliding friction):

- Trenje kod kotrljanja obično je ograničeno na tijela besprijekornog, kontinuiranog oblika s vrlo malom hrapavosti; spajanje i odvajanje elemenata površine kod kotrljanja različito je od kontakata kod klizanja.

- Kod kotrljanja, ovisno o kinematici, elementi površine dolaze u kontakt i razdvajaju se u smjeru normalno na međupovršinu, prije nego li dodirno (tangencijalno) kao u slučaju trenja klizanjem.

48


Utjecaji na veličinu faktora trenja materijala:- Međupovršina para materijala u kontaktu (mating material);- Priprema površine;- Uvjeti međusobnog djelovanja površina (napr. djelovanje kemijskih

spojeva na površinu, kao i podmazivanje može promijeniti kemiju i topografiju površina i time se mijenjaju i faktori trenja);

- Uvjeti trenja (klizanje, kotrljanje).Primjeri faktora trenja triboparova (istih ili različitih) materijala: - Metali i legure; Au (1-1.5), Cu (0.8-1.2), Ni (0.7 – 0.9); Ni legura (0.6-

0.9).- Keramika: SiC (0.3-0.7); BN (0.25 – 0.5), Al2O3 (0.3-0,6).- Polimeri – elastomeri: prirodni i sintetski kaučuk, guma (0.3-0.6),

silikonski kaučuk (0.2-0.6); Polimeri – plastika: poliamidna, nylon (0.2-0,4), politetrafluorpolietilen - teflon (0.05-0.10);

- Sredstva za podmazivanje: kruta; grafit (0.05-0.15), fulereni (C60) (0.05-0.10), kapljevita; životinjske masnoće i vegetabilna ulja (0.02-0.05), sintetička ulja (0.02)

49


Faktor trenja, f , nije uvijek konstantan, i ovisi i uvjetima na površini:

- Definiran je omjerom sile trenja, Ft , koja djeluje suprotno smjeru relativnog gibanja, i normalnog opterećenja, FN, ali i uvjetima;

f = Ft / FN Primjer: Promjena faktora trenja, f , u ovisnosti o sili trenja, Ft , u

kliznom dodiru tribopara bakar-bakar, kada f naglo raste zbog probijanja zaštitnog oksidnog sloja bakra kod većih opterećenja (I) i ostvarenja čistog metalnog dodira na površinama, ili postupno raste kod namjerno oksidirane površine (II) koja štiti površinu i njenog postupnog trošenja (Slika ).

50


• Primjer: Promjena faktora trenja ovisi o karakteristikama površina: (a) ne mijenja se s porastom normalnog opterećenja(čelik kliže po Al na zraku); (b) raste (bakar kliže po bakru na zraku gdje je oksidirani sloj niske smične čvrstoće kod nižeg opterećenja odgovoran za nisko trenje jer odvaja površine od direktnog kontakta, a porast trenja posljedica je uništenja oksidiranog sloja i sklizanja po čistom metalu); (c) koeficijent trenja snižava se s porastom opterećenja (AlSI440C nehrđajući čelik kliže po leguri Ni3Al u zraku) radi porasta hrapavosti površine koja snizuje kontakte i/ili sniženja opterećenja od mikro- do nanonewton-skog područja što snizuje trenje (Slika).

51


Tipične (empirijske) vrijednosti faktora trenja za dane triboparove materijala publicirane su u literaturi i njihova vrijednost više je u relativnom odnosu nego u njihovim apsolutnim vrijednostima (Tablica).Tablica : Faktori trenja različitih triboparova materijala

______________________________________________________Materijali u paru μs

____________________________________________________________________Al na Al 0,80-1,20Koža na metalu 0,60Drvo na metalu 0,20-0,60 Al2O3 na Al2O3 (nepodmazana keramika) 0,30-0,60Prirodni i sintetički kaučuk (polimeri-elastomeri) 0,30-0,60PE visoke gustoće (polimeri-plastika) 0,15-0,30Grafit (čvrsta maziva) 0,05-0,10 Sintetička ulja (tekuća maziva) 0,02-0,03

____________________________________________________________________

52


Statičko trenje, ‘static friction’, μs , odnosno statički faktor trenjanepomičnog uzorka predstavlja silu potrebnu da potakne gibanje (F), podijeljenu sa silom koja pritiskuje zajedno dane dodirne ‘mating’ površine (N):

μS = F/N

Dinamičkog trenje, ‘dynamic friction’ (nazvano i kinematičko trenje ‘kinematic friction’) nastaje kod pokretnih uzoraka u gibanju; Dinamičko trenje , μk,, odnosno dinamički faktor trenja, predstavlja silu (F), potrebnu da održi gibanje danih površina kod definirane brzine, podijeljenu sa silom koja pritiskuje dodirne (mating) površine (N):

μk = F/N

53


Dijagram ravnoteže sila za tijelo na kosini:

54


Ovisnost faktora statičkog trenja, μs i konstantnog kuta u mirovanju ili kuta trenja θ :

- θ je kut kod kojeg tijelo bilo koje mase smješteno na ravninunagnutu za kut manji od θ , koji zatvara s horizontalom, ostane na mjestu;

- Kada se nagibni kut θ poveća, tijelo počne klizati prema dolje; - Statička sila trenja je tangencijalna sila potrebna da inicira

relativno gibanje;- Kinematička (dinamička) sila trenja je sila potrebna da zadrži

relativno gibanje dva tijela u kontaktu; - Faktor statičkog trenja je ili veći ili jednak faktoru

kinematičkog trenja.

Θtans =μ

55


3.2.1. Određivanje faktora trenjaTribologija ima relativno malo standarda, u usporedbi s mehanikom:- Bitno je da svi uzorci kod ispitivanja imaju istu termičku

povijest;- Bitno je da su uzorci odgovarajuće pohranjeni prije ispitivanja

radi moguće degradacije zbog djelovanja vlage ili drugih kemikalija.

• Priprava materijala: - U karakterizaciji materijala općenito, materijali za eksperimente

trebaju biti pripremljeni i karakterizirani prema prethodno definiranoj proceduri koja se uključuje u standarde.

• Određivanje statičkog i dinamičkog trenja materijala: - Mašina za testiranje uključuje primjenu pokretnog bata (sled) na

koji je pričvršćen uzorak u obliku kvadra:

56


3.2.1. Određivanje faktora trenjaOdređivanje statičkog i dinamičkog trenja materijala: - Mašina za testiranje uključuje primjenu pokretnog bata (sled) na

koji je pričvršćen uzorak u obliku kvadra:

57


3.3.1. Određivanje faktora trenja• Standard ASTM D-1894 dozvoljava i suprotnu opciju tj.

primjenu stacionarnog nepokretnog bata s pokretnom plohom(standard preporuča brzinu od 150 mm/minuti, temperaturu 23oC ± 2oC i relativnu vlažnost 50 % ± 2 %); u praksi se koriste manje brzine kod ispitivanja trenja radi postizanja veće točnosti –naročito je to važno kod ispitivanja malih uzoraka.

• Statičko i dinamičko trenje može se prikladno odrediti i instaliranjem dodatnog dijela za trenje na univerzalnu mašinu za mehanička ispitivanja; ćelija za opterećenje (load cell) se tada koristi za mjerenje sile potrebne da uzorak kliže preko plohe.

• Danas se razvijaju se i primjenjuju nove eksperimentalne metode za polimere za određivanje specifičnih triboloških svojstava – (niska) otpornost na grebanje (‘scratching’).

58

3. TRENJE3.4. Mehanizmi trenja

Trenje kod klizanja:

- Trenje kod klizanja koje nastaje između dva elementa tribosustava ilustrira pravila kod trenja (empirijske zakone) koji vrijede:

- Sila trenja (Ft) djeluje suprotno od smjera relativnog gibanja i kod suhog dodira proporcionalna je normalnom opterećenju(FN).

- Faktor trenja definira se kao omjer sile trenja i normalnog opterećenja;

- Sila trenja ne ovisi o nominalnoj dodirnoj ploštini, niti o brziniklizanja.

Jedinični događaj procesa klizanja od početka do završetka dodira jednog para mikroizbočina (asperities) opisuje porijeklo sile i mehanizam trenja (Slika ):

59


Slika . Jedinični događaj procesa klizanja

60


Sila trenja kod klizanja predstavlja zbroj četiri komponente, koje su i same zbroj pojedinačnih komponenata i koje djeluju na svakom dodiru mikroizbočina materijala u kontaktu:

Ft = ∑F1 + ∑F2 + ∑F3 + ∑F4

∑F1 = otpor na elastičnu deformaciju (proporcionalan modulima elastičnosti tarnog para); ∑F2 = otpor na plastičnu deformaciju (ovisi o granicama tečenjatarnog para); ∑F3 = otpor na brazdanje (ovisi o duktilnosti tarnog para i brzini

relativnog gibanja); ∑F4 = otpor na kidanje adhezijskih veza (ovisi o jačini

adhezijskih veza uspostavljenih između materijala tarnog para prikazanih na Slici .)

61


Slika . Potencijalne adhezijske veze između tarnog para materijala u klizajućem kontaktu

62


Trenje kod kotrljanja je općenito mnogo manje od trenja kod klizanja, jer uglavnom izostaju komponente sile trenja od brazdanja (∑F3) i od adhezijskih veza (∑F4):

Ft = ∑F1 + ∑F2

- Povećanjem broja prolaza kod kotrljanja smanjuje se sila trenja, Ft , jer se postupno smanjuje intenzivnost plastične deformacije, te se sila trenja sastoji se samo od otpora elastičnim deformacijama i posebno je niska.

- Primjer: Izazito niski faktor trenja kod kotrljanja za tarni par meki čelik-kaljeni čelik za silu trenja 0.1 N i opterećenje 48 N, f = 0.002.

63

3. TRENJE3.5. Tribologija polimernih materijala

Potrebe u industriji iniciraju razvoj materijala na bazi polimera koji mogu zamijeniti metalne komponente u industriji.

Prednosti u primjeni polimernih materijala:

- Glavni razlog je očuvanje i štednja energije radi karakteristika polimernih materijala;

- Niska gustoća polimernih materijala, manja masa i manjapotrošnja goriva u odnosu na metalne materijale (automobili ili avioni);

- Bolja sposobnost apsorpcije šokova i vibracija;- Rad s malom snagom i bukom;- Moguća optička transparentnost;- Dobra adhezija prema mnogim supstratima;- Niske cijene održavanja.

64


Nedostaci kod primjene polimernih materijala kao zamjene metala:

- Svojstva trenja polimera su značajno različita od metala;- Niska mehanička čvrstoća;- Velika sklonost grebanju (scratchability);- Svojstva se značajno mijenjaju s vremenom i s temperaturom;- Visoko trošenje (wear);- Primjena sredstva za podmazivanje kod polimera ne uzrokuje

sniženje trenja kao i ni zaštitu protiv grebanja i trošenja.

65


• Većina knjiga i udžbenika ne pokriva područje tribologije a nanočito ne iz tribologije polimernih materijala (trenja, trošenja, i otpornosti na grebanje) (J.E. Mark, Ed. Physical Properties of Polymers Handbook, American Institute of Physics Press, Woodbury, NY (1996), A.Y. Goldman, Prediction of Deformation Properties of Polymeric and Composite Materials, American Chemical Society, Washington, DC (1994).

• Relevantne knjige iz tribologije uglavnom opisuju metale s osnovnim tribološkim podatcima o rezanju metala (E. Rabinovicz, Friction and Wear of Materials, 2nd ed. Wiley, New York (1995) i ne pokrivaju ni tribologiju polimera ni tribologiju keramike (koji su uključeni u industrijskim procesima obrade odvajanjem strugotina ‘machining’ , kao i trošenja kod keramičke obrade, metoda podmazivanja itd.).

66


Novu strategiju rješavanje problema u polimernoj tribologiji zahtijevaju nove primjene (nadolazeća minijaturizacija u elektronici i odgovarajućim industrijama u kojoj se koriste polimetni materijali):

- Sredstva za podmazivanje mogu umanjiti probleme trenja kod metala i keramike, ali kod polimera ona uzrokuju bubrenje (swelling);

- Primjer: Tekuća sredstva za podmazivanje nisu poželjna u aparatima za rezanje koji rade velikom brzinom (na pr. polisilikon-mikromašine MEMS) jer kapljevina oko mašine može voditi do prigušenja;

- Posebni problem kod primjene polimernih materijala je sklonost trošenju i grebanju (na pr. Teflon).

Odgovor su istraživanja, razvoj i poznavanje triboloških procesa u polimerima koji su usmjereni na stvaranje novih materijala na bazi polimera s niskim trenjem, visokom otpornošću na grebanje, i u danim slučajevima niskim trošenjem.

67


3.5.1. Trenje polimera u ovisnosti o sastavu i temperaturiPrimjer sniženja trenja polimera u ovisnosti o sastavu i temperaturi umreživanja:

- Ispituje se efekt otvrdnjavanja na raznim temperaturama (-24oC i 70oC) na promjene trenja komercijalnog epoksida u koji je dodaje rastući maseni udio termoplastičnog fluoropolimera (FPEK) u kompoziciju:

- Konačni cilj je poboljšanje triboloških svojstava – sniženje trenja (uz istovremeno poboljšanje otpornosti na grebanje – što je teško postići jer se uobičajeno poboljšava ili jedno ili drugo svojstvo, ali ne u isto vrijeme; napr. Teflon ima nisko trenje, ali i malu otpornost na grebanje);

- Epoksidi koji imaju vrlo široku primjenu, umrežavaju se (crosslinking) – tj. otvrdnjavaju (curing) i pritom je važna i brzina otvrdnjavanja; otvrdnjavanje je provedeno na sobnoj temperaturi 24oC i na povišenoj temperaturi 70 oC uz odabrani aditiv u kompoziciji - termoplastični fluoro-polimer , 12 FPEK na Slici .

68


3.5.1. Trenje polimera u ovisnosti o sastavu i temperaturi

Slika .Promjena dinamičkog trenja u ovisnosti o kompoziciji i o temperaturi otvrdnjavanja epoksida

- Zadatak eksperimenta je sniženje trenja (ali istovremeno) i porast otpornosti na grebanje!) epoksida koji je umrežen na raznim temperaturama i u koji je dodan aditiv termoplastični fluoropolimer (FPEK).

69


3.5.1. Trenje polimera u ovisnosti o sastavu i temperaturi- Rezultati ispitivanja pokazuju sniženje trenja epoksida koji je

umrežen na nižoj temperaturi otvrdnjavanja (na sobnoj temperaturi) s manjim dodatkom FPEK-a, za razliku od porasta trenja epoksida s istom udjelom FPEK-a, kada je otvrdnjavanje na višoj temperaturi.

- Razlozi sniženja trenja kod niže temperature otvrdnjavanja su u migraciji FPEK-a na površinu u danim uvjetima niže temperature otvrdnjavanja, što se očekuje da snižava površinsku napetost uzorka – te time snižava i trenje. (Također se očekuje da se u slučaju migracije FPEK-a na površinu stvori sloj koji će - istovremeno povisiti otpornost površine epoksida na grebanje!).

- SEM rezultati su potvrdili prisutnost fluoropolimera na površini.- Rezultati mjerenja energije površine su potvrdili nižu energiju

površine kod uzoraka epoksida koji su umreženi na sobnoj temperaturi, kao potvrda pretpostavke da je stvoren sloj FPEK-a na površini u tim uvjetima i koji je odgovoran za opaženo sniženje trenja.

70

3. TRENJE3.6. Zaključno o trenju

• Trenje predstavlja otpor gibanju dva materijala za vrijeme klizanja ili kotrljanja, koje se događa kada se čvrsto tijelo giba tangencijalno preko drugog tijela s kojim je u kontaktu.

• Faktor trenja definira se kao omjer sile trenja i normalnog (okomitog) opterećenja;

- Faktor trenja nije prirodno svojstvo materijala nego ovisi o uvjetima rada i o uvjetima površine.

- Statička sila trenja je tangencijalna sila potrebna da inicira relativno gibanje; kinematička (dinamička) sila trenja je sila potrebna da zadrži relativno gibanje.

- Faktor statičkog trenja je ili veći ili jednak faktoru kinematičkog trenja.

• Amontons’ dva zakona trenja, predviđaju da je (1) sila trenja proporcionalna je normalnom opterećenju i (2) sila trenja neovisna je o prividnom području kontakta.

• Coulombs’ treći zakon trenja utvrđuje da je (3) faktor kinematičkog trenja je neovisan o brzini klizanja.

71


Trenje kod klizanja ili kotrljanja nastaje kao posljedica ADHEZIJE i DEFORMACIJA te izgleda KONTAKTNE POVRŠINE.

• ADHEZIJA uključuje sile koje su suprostavljene smicanju adhezijskih veza koje se stvaraju na međupovršini u području stvarnog kontakta;

- Bliskost neravnina uzrokuje ili fizikalne ili kemijske interakcije;- Adhezija je prisutna u svim kontaktima; - Stupanj adhezije je funkcija uvjeta na međupovršini.- Adhezijska komponenta trenja može se smanjiti:- sniženjem čvrstoće adhezije i - sniženjem stvarnog područja kontakta (jedna od metoda sniženja

adhezijske čvrstoće je korištenje filmova niske smične čvrstoće na međupovršini kao premazi).

72


• DEFORMACIJA i mehanizmi rasipanja energije se događa za vrijeme relativnog gibanja i kontakta dviju površina:

- Kontakt se događa na neravninama (asperity), što vodi do plastične i/ili elastične deformacije.

- Deformacija tvrdih materijala – metala i keramike uključuje sile koje su potrebne za deformaciju neravnina od strane tvrđeg materijala po mekšem materijalu.

- Deformacija viskoelastičnih materijala uključuje i gubitak energije kao rezultat gubitaka kod elastične histereze, te uspostavu ravnotežnog stanja nakon oporavka.

- Deformacijska komponenta trenja je funkcija relativne tvrdoće i hrapavosti površine, kao i čestica od trenja uklopljenih na međupovršini.

- Opterećenje rezultira deformacijama na dodirnim neravninama, gdje se stvaraju određena mjesta kontakta na što izrazito utječe TVRDOĆA i HRAPAVOST površine.

73


Deformacijska komponenta trenja može se smanjiti:- redukcijom plastične deformacije;- sniženjem hrapavosti međupovršine;- odabirom materijala slične tvrdoće;- uklanjanjem onečišćenja.

74

4. TROŠENJE

Osnovni tribološki elementi, čije je poznavanje potrebno za optimalno djelovanje i pouzdanost kod situacija trenja i trošenja:

- MEHANIZMI ADHEZIJE;- MEHANIZMI TRENJA I TROŠENJA;- HRAPAVOST POVRŠINE; - PODMAZIVANJE.

• Uloga triboloških elemenata mora biti razumljiva za optimalno djelovanje i dugotrajnu pouzdanost, te za ekonomsku opravdanost tribopara u primjeni.

75

4. TROŠENJETrošenje materijala predstavlja oštećenje površine ili uklanjanje materijala s jedne ili s obje čvrste površine u kontaktu, koje se kližu, kotrljaju ili gibaju, relativno u odnosu jedna na drugu:

- Do trošenja, u većini slučajeva, dolazi preko površinskih interakcija na neravninama;

- Trošenje je progresivni gubitak materijala uslijed dinamičkog kontakta s drugim čvrstim tijelom ili kapljevinom tijekom relativnog gibanja a materijal se na dodirnim površinama mijenja;

- Svojstva krutog tijela su promijenjena, makar na površini ili blizu površine kada je materijal na površini istisnut;

- Svojstva površine i materijala se mijenjaju i kada je malo ili nimalo materijala izgubljeno, zbog promjena na mikro i nano-razini.

76

4. TROŠENJE

Posljedice trošenja materijala mogu biti slijedeće:

- Potpuno uklanjanje materijala s površine odvajanjem materijalakao čestica trošenja - gubitak materijala raste kako oštećenje materijala kod trošenja napreduje;

- Samo premještanje materijala prema dodirnim površinama - u slučaju samo prijenosa materijala s jedne na drugu površinu konačni volumen ili gubitak mase na međupovršini je nula.

• Definicija trošenja materijala osniva se na gubitku materijala, ali i oštećenje bez promjene volumena i mase, također predstavlja trošenje.

U dobro dizajniranim tribološkim sustavima uklanjanje materijala trošenjem vrlo je spori proces ali pripremljen, kontinuiran i kontroliran.

77

4. TROŠENJE

Svrha istraživanja u tribologiji je maksimalno smanjiti i ukloniti gubitke do kojih dolazi zbog trenja i trošenja na svim razinama gdje su uključeni procesi trljanja-poliranja-brušenja-čišćenja i trenja površina.

• Do trošenja dolazi na mehanički i/ili kemijski način i općenito se trošenje ubrzava zagrijavanjem kod trenja.

• Trošenje uključuje osnovne fenomene kojima je zajedničko u većini slučajeva uklanjanje čvrstog materijala s površine.

78

4. TROŠENJE4.1. Osnovni mehanizmi trošenja

Osnovni mehanizmi trošenja:(1) ADHEZIJSKI;(2) ABRAZIJSKI;(3) ZAMOR;(4) EROZIJA I SUDARI;(5) KEMIJSKI (ili korozijski);(6) induciran ELEKTRIČNIM LUKOM.- Svi mehanizmi, osim zamora, pojavljuju se uz postupno

odstranjenje materijala. - Ne postoje pojedinačni mehanizmi trošenja – prije su to

kombinacije adhezijskih, korozijskih ili abrazijskih načina trošenja; trošenje se inicira jednim mehanizmom a nastavi nekim drugim mehanizmom i sl.

• Analiza popuštanja materijala je kompleksna - istražuju se komponente popuštanja i određuje tip mehanizma trošenja koji je odgovoran za popuštanje (primjena mikroskopa i raznih naprednih analitičkih tehnika za istraživanje površina).

79

4. TROŠENJE4.1.1. Adhezijsko trošenje

(1) ADHEZIJSKO TROŠENJE nastupa u slučaju kada je ključna adhezija (ili međusobno spajanje) kada su dva nominalno ravna čvrsta tijela u kontaktu klizanjem, bez ili sa podmazivanjem:

- Adhezija se uslijed smicanja pojavljuje se na površinama u kontaktu na međupovršini (glatka – manje hrapava- površina potiče adheziju odnosno adhezijsko trošenje).

- Adhezijsko trošenje nastupa kada se neravnine - izbočine koje su uslijed klizanja u kontaktu smiču, što može rezultirati odvajanjem dijelova s jedne i dodatno ‘naljepljivanjem’ dijelova jedne površine na drugu površinu;

- Preneseni fragmenti mogu otpasti s površine na koju su prenesenii biti preneseni natrag na originalnu površinu, ili se mogu formirati čestice trošenja;

- Neke čestice trošenja su slomljene procesom zamora, za vrijeme ponovljenih opterećenja i rasterećenja, što konačno rezultira odvajanjem čestica i kao posljedica gubitkom mase tijekom adhezijskog trošenja.

80


Odvajanje dijelova čestica od materijala adhezijskim trošenjempretpostavlja nekoliko mehanizama u najslabijem području:

- Transfer fragmenata između blokova;

- Plastično smicanje i stvaranje pukotina duž kojih se odvajaju fragmenti;

- Kemijska promjena fragmenata koji se odvajaju s velikom površinom koja oksidira i snizuje adhezijsku čvrstoću;

- Uklanjanje čestica nakon prekida adhezijskih veza.

81


Volumen adhezijskog trošenja (ν) za plastični kontaktproporcionalan je primijenjenom opterećenju (W ili FN ) i udaljenosti kod klizanja (x) i općenito je obrnuto proporcionalna tvrdoći (H) površine koja se troši:

k je bezdimenzijska konstanta trošenja- Brzina trošenja materijala s primarno plastičnim kontaktom

općenito opada s porastom tvrdoće, za danu kombinaciju materijala.

- Za plastične kontakte stvaranje čestica kod trošenja - volumen trošenja raste sa svakom interakcijom na neravninama, odnosno raste s stvarnim područjem kontakta, Ar ,(Ar = W / H), i s udaljenosti kod klizanja, x.

HkWxv =

82


Slika Shematski prikaz dvije mogućnosti popuštanja do loma (1 i 2) za vrijeme smicanja međupovršine

83


Volumen adhezijskog trošenja (ν) za elastični kontakt do kojeg dolazi na vrlo glatkim površinama, opada s hrapavošću površine i modulom elastičnosti:

gdje je:E* = efektivni modul elastičnosti, (σ/ β*) = hrapavost površine: σ je standardna devijacija površinskih uzvišenja (surface height), a β* su i njihove odgovarajuće duljine;k’ = bezdimenzijska konstanta trošenja;W = primijenjeno opterećenje;x = udaljenosti kod klizanja.

( )**

,

/ βσEWxkv =

84


Tipične vrijednosti konstante trošenja (k) parova materijala i njeno sniženje sa stupnja podmazivanja (degree of lubrication)

______________________________________________________Metal Nemetal

na metal, k (x 10-6) na metal, k (x 10-6)Površina Slični Različiti____________________________________________________________Čista (bez podmaz.) 1500 15-500 1.5Slabo podmazana 300 3-100 1.5Prosječno podmazana 30 0,3-10 0,3Odlično podmazana 1 0,03-0,3 0,03____________________________________________________________

85


Kako smanjiti primarno ADHEZIJSKO TROŠENJEza danu kombinaciju materijala gdje je prisutan:

Primarno plastični kontakt;- Sniziti jačinu veza (podmazivanjem),- Povećati tvrdoću (H), - Smanjiti stvarno područje kontakta (Ar = W/H),- Sniziti opterećenje (W),- Smanjiti put klizanja (x).

Primarno elastični kontakt;- Povećati hrapavost (ν/β*)- Povisiti efektivni modul elastičnosti (E*),- Sniziti opterećenje (W),- Smanjiti put klizanja (x).

HkWxv =

( )**

,

/ βσEWxkv =

86

4. TROŠENJE4.1.2. Abrazijsko trošenje

(2) ABRAZIJSKO TROŠENJE brušenjem (abrasive wear) nastaje kada neravnine hrapave tvrde površine ili tvrde čestice klize po mekšoj površini i oštećuju površinu pomoću plastične deformacije ili loma:

- Abrazija je trošenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim česticama ili tvrdim izbočinama:

- Mehanizmi adhezijskog i abrazijskog trošenja djelotvorni su za vrijeme direktnog fizičkog kontakta između dviju površina;

- Kada su površine odvojene kapljevitim filmom tj. isključene su abrazijske čestice ti mehanizmi trošenja ne djeluju.

87


Slika . Shematski prikaz abrazijskog trošenja:

(a) hrapava, tvrda površina ili površina s abrazijskim šiljcima za grebanje klizi po mekšoj površini (operacije brušenja, rezanja);

(b) slobodni abrazijski šljunaks šiljcima koji je smješten između površina od kojih je barem jedna mekša od abrazijskog šljunka (operacije poliranja).

88


Kod abrazijskog trošenja u većini situacija dolazi do grebanja i opažaju se brazde (scratching) na mekšoj površini, koje se vide kao serije utora-žljebova (groove) paralelnih sa smjerom klizanja.- Izrazi koji se koriste za abrazijsko trošenje su grebanje (

scratching), zarezivanje (scoring), uz pomoć dijetla (gouging), ovisno o stupnju djelovanja na površinu;

• Jednadžba za adhezijsko trošenje također može pokriti i široko područje abrazijskih situacija:

gdje je kabr bezdimenzijska konstanta abrazijskog trošenja koja uključuje i geometriju neravnina odnosno hrapavost površine, tj.hrapavost površine povećava abrazijsko trošenje.

HWxkv abr=

89


Utjecaj hrapavosti na volumen abrazijskog trošenja vrlo je izrazit:- U uvjetima plastičnog kontakta brzina abrazijskog trošenja raste

s hrapavošću površine (kabr uključuje hrapavost površine) i opada sa tvrdoćom, H:

- U uvjetima elastičnog kontakta stvarnih površina u dodiruabrazijsko trošenje, suprotno od elastičnog kontakta, opada s porastom hrapavosti površine (σ/ β*= hrapavost površine):

( )**

,

/ βσEWxkv =

HWxkv abr=

90


Brzina abrazijskog trošenja mijenja se kao funkcija brzine klizanja i veličine čestica abrazijskog papira:

- Brzina abrazijskog trošenja često je vrlo velika – dva do tri reda veličine veća od adhezijskog trošenja;

- Eksperimentalni dokazi pokazuju da je brzina trošenja sustava s dva tijela općenito obrnuto proporcionalna tvrdoći i da je proporcionalna normalnom opterećenju i udaljenosti kod klizanja za mnoge čiste metale; svojstva legura su puno kompleksnija.

91


Kako smanjiti primarno ABRAZIJSKO TROŠENJE(2-3x veće od adhezijskog trošenja) za danu kombinaciju materijala gdje je prisutan:

Primarno plastični kontakt;- Povećati tvrdoću (H),- Sniziti hrapavost (niža konstanta abrazijskog

trošenja, kabr,, uključuje nižu hrapavost!)

- Sniziti kontakt (podmazivanje),- Smanjiti stvarno područje kontakta (Ar = W/H),- Sniziti opterećenje (W),- Smanjiti put klizanja (x).

Primarno elastični kontakt;- Povećati hrapavost (ν/β*)- Povisiti efektivni modul elastičnosti (E*),- Sniziti opterećenje (W),- Smanjiti put klizanja (x).

HWxkv abr=

( )**

,

/ βσEWxkv =

92

4. TROŠENJE4.1.3. Trošenje zamorom

(3) ZAMOR površine i potpovršina (dubinska površina) uočeni su za vrijeme cikličkih promjena naprezanja - ponovljenog kotrljanja (rolling) odnosno ponovljenog klizanja (sliding):

- Ponovljeni ciklusi opterećenja i rasterećenja kojima se materijal podvrgava mogu izazvati stvaranje potpovršine ili površinskih pukotina, koje na kraju, nakon kritičnog broja ciklusa, mogu rezultirati u prekidu površine i stvaranju velikih fragmenata, ostavljajući velike jame (pits – ‘pitting’).

- Prije te kritične točke (nakon 10 2,103, 105 ili više ciklusa) dolazi do zanemarivog trošenja, što je suprotno od mehanizama trošenja uzrokovanog adhezijskim ili abrazijskim trošenjem, gdje trošenje izaziva postupnu istrošenost (deterioration) od početka kretanja.

93


Količina materijala koja se ukloni kod trošenja zamorom nije korisni parametar za procjenu:

- Relevantniji faktor (‘useful life’) za procjenu trošenja zamorom izražava se kao broj ciklusa ili vrijeme prije nego se dogodi popuštanje zamorom (fatigue failure, fatigue life ) (ISO/R 472), izražen kao vijek trajanja/dinamička izdržljivost;

• Mehanizam zamora operativan je na međupovršini: - Površine u kontaktu (‘mating’) doživljavaju velika naprezanja koja

se prenose na međupovršinu;- Maksimum tlačnih naprezanja javlja se na površini; - Maksimum smičnih naprezanja javlja se na nekoj udaljenosti od

površine.

94


Vrijeme do popuštanja uslijed zamora ovisi o: - Amplitudi smičnih naprezanja;- Uvjetima podmazivanja međupovršine;- Svojstvima zamora materijala koji se kližu jedan po drugome.

• Kemijski potpomognute deformacije i lom rezultiraju u porastu trošenja površinskih slojeva u statičkim i dinamičkim uvjetima valjanja i klizanja (‘rolling and sliding’):

- Kemijski potpomognut rast pukotina (najčešće kod keramike) uobičajeno se označava kao statički zamor;

- U prisustvu dodatnih rasteznih naprezanja i vodene pare, npr.kod pukotine u keramici brzo dolazi do pucanja veza, što povisuje brzinu stvaranja pukotina i ubrzava trošenje zamorom.

95


Rast pukotina potpomognut vlagom predstavlja statički zamor.Primjer: Silika staklo u okolini gdje djeluje voda:

(H – O – H) + (– Si – O – Si – ) → ( – Si – OH HO – Si – )Molekule vode hidroliziraju veze siloksan mostova na pukotini

i stvaraju dvije terminalne siloksanske grupe: (a) duž međupovršine stvara se tip krhke pukotine; (b) pucanje veza u silika staklu uzrokovano vodom (oznake -krugovi: O= veliki, Si= srednji, H= mali, vrste iz okoline = crni)

96


Statički zamor ovisi o naprezanju kada dolazi do popuštanja: - Do popuštanja dolazi kada su male pukotine koje se postepeno

povećavaju dovoljno duge da zadovolje Griffith-ove kriterije za lom, tj. na najslabijem mjestu u strukturi - pukotini duljine l, gdje produkt modula E i energije loma G ima najnižu vrijednost:

σf = k (E . G / l )1/2

Rast pukotina može se predočiti kao: (1) polagano gibanje pukotina zbog kemijskog djelovanja na

pukotinu; (2) kritično gibanje pukotina inicira se kada je pukotina dovoljno

duga da zadovolji kriterije Griffith-ove jednadžbe.

97


Kako smanjiti primarno TROŠENJE ZAMOROM za danu kombinaciju materijala:

- Sniziti broj ponavljanja kotrljanja i/ili međusobnog klizanja površina;

- Onemogućiti stvaranje pot-površinskih i površinskih pukotina, kao i njihov rast ispod (poznatog) kritičnog broja σf = k (E . G / l)1/2

ciklusa opterećenja (ili vremena), prije nego se dogodi popuštanje i lom.

- Birati materijale koji imaju visoki modul (E) i energiju loma (G)- Smanjiti ili ukloniti kemijske utjecaje

(voda, otapala i sl.) koji potpomažu rast pukotina (statički zamor).

98

4. TROŠENJE4.2. Definiranje trošenja

Trošenje, kao i trenje, nije svojstvo materijala već predstavlja odgovor sustava:

- Djelatni uvjeti trenja utječu na međupovršinsko trošenje;- Krivo se pretpostavlja da međupovršine s visokim trenjem

pokazuju i visoke brzine trošenja i obratno.

Primjer: - Međupovršine krutog maziva i polimera pokazuju relativno nisko

trenje, ali i relativno visoko trošenje;- Keramike pokazuju umjereno trenje ali ekstremno nisko trošenje

itd.

99

4. TROŠENJE4.2. Definiranje trošenja

Trošenje može biti ili poželjno ili nepoželjno ponašanje materijala:

- Poželjno trošenje zahtijeva kontrolirano trošenje (obrada odvajanjem strugotina, poliranje i struganje i dr.;

- Nepoželjno trošenje se treba smanjiti (gotovo u svim strojnim primjenama kao kod ležajeva, brtvila, nazubljenih alata i bregastih osovina i dr.

- Dijelovi trebaju biti zamijenjeni već nakon što je trošenjem uklonjen relativno mali dio materijala ili ako je površina prekomjerno hrapava;

- Do trošenja dolazi na mehanički i/ili kemijski način i općenito se trošenje ubrzava zagrijavanjem kod trenja;

- Trošenje uključuje osnovne fenomene koji svi imaju zajedničko u većini slučajeva uklanjanje čvrstog materijala s površine.

100

4. TROŠENJE4.3. Ispitivanje trošenja

Obično se trošenje kvantificira određivanjem specifične brzine trošenja (specific wear rate), μsp, mjerenjem volumetrijskog gubitka uzorka (Vloss) pri primijenjenoj sili (F) i putu klizanja (D):

μsp = Vloss / (F . D)

- Standardna mjerenja trošenja raznih materijala u uvjetima abrazije koja se provode prema normi (ASTM G 65-85), trebaju dati mjerljive rezultate promjene mase, što ovisi o danom sastavu odabranih uzoraka.

101

4. TROŠENJE4.4. Trošenje metala i legura

Čisti metali i legure u čvrstom kontaktu pokazuju visoku adheziju i odgovarajuće visoko trenje, ali i trošenje:- Najmanja onečišćenja smanjuju kontakt ili stvaraju kemijske

filmove koji snizuju adheziju, što rezultira sniženjem trenja i trošenja;

- Metalurška kompatibilnost određuje brzinu trošenja danog metalnog para; općenito trošenje legura je niže od trošenja čistih komponenata:

- Čelici su najčešće korišteni za strukturne i tribološke primjene i ovisno o kemijskoj kompoziciji (postotak legurnih komponenata i ugljika) i obradi, mogu se dobiti razne mikrostrukture i fizikalna svojstva, kao i konstante trošenja.Tablica: Otpornost na trošenje raznih metalnih mikrostruktura

____________________________________________________Metalni par Tvrdoća (kg/mm2) Konstanta trošenja,

k (x10-4)Čelik – Čelik 217 70Kadmij – Kadmij 20 57Platina – Platina 138 130

102

4. TROŠENJE4.5. Trošenje keramike

Keramički parovi imaju puno niže vrijednosti faktora trenja i brzinu trošenja u odnosu na čiste metale:- Keramički materijali pokazuju ograničeno plastično tečenje na sobnoj

temp. i puno manju duktilnost-razvlačivost nego metali; - Žilavost keramike kod loma je važno svojstvo koje utječe na (relativno

niže) trošenje; - Keramike pokazuju visoku mehaničku čvrstoću, otporne na korozijska

djelovanja okoline, koriste se u uvjetima visokog opterećenja, ubrzanja, temperatura i korozije;

- Visoka mehanička svojstva rezultiraju u vrlo malom stvarnom području kontakta odgovornim za vrlo nisko trenje i relativno nisko trošenje.

Primjer: Abrazijske konstante trošenja keramičkih parovaMaterijal k ( x 10-3)

---------------------------------------------------------------------SiC 1,1B4C 5,5Si3N4 43

103

4. TROŠENJE4.6. Trošenje polimernih materijala

Polimeri općenito pokazuju nisko trenje, kada se usporede sparovima metala i keramike, ali pokazuju umjereno više trošenje:

- Polimeri uključuju plastomernu i duromernu plastiku i elastomere.

- Plastike odgovarajućih svojstava u zahtjevnoj tribološkoj primjeni koje se najčešće koriste su: politetrafluoretilen (PTFE), acetalna plastika (polioksimetilenska plastika), polietilen visoke gustoće (PE-HD), poliamidna plastika (najlon), poli(amid-imid) (PAI), poliimid (PI), polifenilen sulfid itd.

- Elastomeri u tribološkoj primjeni koji se najčešće koriste su:prirodni kaučuk (NR) i sintetski kaučuk, butadien/akrilonitrilni kaučuk (Buna-N) ili nitrilni kaučuk, stiren/butadienski kaučuk (SBR) i silikonski kaučuk.

104


Polimerni kompoziti u tribološkoj primjeni koriste se radi poželjnih mehaničkih i boljih triboloških svojstava od polimernih materijala:

- Polimerni kompoziti su impregnirani općenito sa vlaknimaugljikovog grafita ili stakla, ili punilima praškom grafita, MoS2, bronce i dr.);

- Orjentacija vlakana utječe na brzinu trošenja; - Koeficijent trenja i brzina trošenja polimera su niži kada su

vlakna orjentirana normalno prema površini klizanja.- Punila kao staklo ili ugljik mogu biti tvrđi od površine metala (na

pr. aluminija) i uzrokovati oštećenja metalne površine, te se treba uzeti u obzir tvrdoća metalne površine kao i moguća abrazija metalne površine kao posljedica djelovanja punila u polimeru.

105


U većini slučajeva kod polimernih materijala ključne su četiri vrste trošenja: - Abrazijsko trošenje;- Adhezijsko trošenje;- Trošenje zbog zamora materijala i - Trošenje zbog kemijskih promjena u graničnom sloju

(tribokemijsko trošenje). Trošenje se primarno javlja radi adhezije između površina ako su

površine para materijala koje se međusobno habaju (matting surfaces) glatke.

Za polimere je posebno zanimljivo abrazijsko trošenje: - Abrazijski mehanizam je dominantan kod klizanja polimera

nasuprot hrapavim površinama u paru;- Osnova abrazijskog trošenja je rezanje (cutting) i brazdanje

(plowing) površine tvrđim česticama ili izbočinama na površini.

106


Abrazijsko trošenje polimera, temeljem eksperimentalnih rezultata proporcionalno je relaciji:

1/σu εu

gdje je: σu prekidno rastezno naprezanje, a εu prekidno istezanje. Rezultati ispitivanja potvrdili su da koeficijent trenja raste s omjerom 1/σu εu, ovisno o tipu polimera u slijedu: - Polimeri s najnižim trenjem (polietilena niske gustoće (PE-LD), i

poliamida (PA66); - Polimeri malo višeg trenja (poli(tetrafluoretilena) (PTFE),

polipropilena (PP), poli(oksimetilena) (POM);- Polimeri visokog trenja poli(metil-metakrilata) (PMMA) i polistirena

(PS).

107


Kod tvrđih polimera, kao što su mnogi duromeri (thermoset), koji se kližu uzduž glatkih površina, važan mehanizam trošenja je zamor:

- Deformacija neravnina u polimerima primarno je elastična i trošenje zbog zamora rezultira stvaranjem pukotina (crack) koje se povezuju s predominantnom elastičnom deformacijom;

- Čestice trošenja stvaraju se širenjem i presjecanjem pukotina;

- Trošenje mnogih polimera događa se prvo transferom polimerana tvrđu površinu, koja je u paru, i zatim uklanjanjem čestica trošenja.

108


Pretežni mehanizam trošenja ovisi o hrapavosti površine danih triboparova:- Hrapavija površina polimera rezultira u stvaranju debljeg filma

prijenosa koji je odgovoran za trošenje polimera; - Veća hrapavost površine snizuje trošenje za pretežno elastični

kontakt - (σ/ β*= hrapavost površine);- Hrapavost površine metala kao tribopara za pretežno plastični

kontakt, utječe na porast brzine trošenja. Pretežni mehanizam trošenja ovisi i o tvrdoći površine:- Tvrđa površina snizuje trošenje za pretežno plastični kontakt.

(H = tvrdoća površine)• Mehanizam ADHEZIJE preferira GLATKE POVRŠINE.• Mehanizam ABRAZIJE preferira HRAPAVE POVRŠINE.• Mehanizam ZAMORA preferira CIKLIČKO OPTEREĆENE

POVRŠINE.

109


Tijekom klizanja površina polimera kada dolazi do trenja i trošenjastvaraju se visoke temperature na međupovršini ovisno o pritisku (P)

i brzini klizanja (V) koje ograničavaju primjenu – tzv. PV limiti: P = normalni –okomiti pritisak (‘Pressure’);V = brzina klizanja (‘Velocity’)

• Polimeri i čvrsta sredstva za podmazivanje klasificiraju se na osnovi PV limita:

- Iznad PV limita polimeri se počnu taliti na međupovršini, čak i na sobnoj temperaturi, i trošenje brzo raste;

- PV limiti elastomera još su niži nego PV limiti za plastiku. - PV vrijednosti za polimere u uvjetima podmazivanja (ulje ili voda)

mogu biti red veličine viši nego u suhim uvjetima bez podmazivanja jer tekući medij uklanja toplinu trenja s međupovršine i tako dozvoljava operacije kod viših PV uvjeta;

- Punila u plastici utječu na tribološko ponašanje plastike kod klizanja, tj povisuju PV limite (Tablica ):

110


Tablica . Klizanje nepunjene i punjene plastike na čeliku u suhim uvjetima

Materijal PV limit na V Maksimum Konstanta trošenja Faktori 22oC, MPa radne temp. ( x 10-7 mm3 / trenjam/s (at m/s) (oC) Nm )

_______________________________________________________________________________PTFE (nepunjen) 0,06 (0,5) 110-150 4000 0,05-0,1PTFE (+stakl.vlakna) 0,35 (0,05-5,0) 200 1,19 0,1-0,25PTFE (+grafit.vlakna) 1,05 (5,0) 200 - 0,1Poliamid 0,14 (0,5) 110 38,0 0,2-0,4 Poliamid (+grafit) 0,14 (0,5) 150 3,0 0,1-0,25Poliimid 3,50(0,5) 315 30,0 0,15-0,3Poliimid (+grafit) 3,50(0,5) 315 5,0 0,1-0,3 Epoksid (+staklo) 1,75(0,5) 260 - 0,3-0,5______________________________________________________________________________

111


Tribološka karakterizacija polimernih materijala uključuje:- Trenje (friction); - Trošenje (wear); - Otpornost na grebanje (scratch resistance); i - Dizajn interaktivnih površina u relativnom gibanju (design of

interactive surfaces in relative motion).- Podmazivanje (lubrication) se također razmatra kao kostitutivni

element triboloških karakterizacija, ali može biti uključeno i u dizajn, posebno na način kako utječe na trenje i trošenje.

• Tribološka razmatranja polimernih materijala nužna su za korisnike u industriji (zamjena metalnih dijelova polimernim komponentama u proizvodnji automobila u aviona, sve veća primjena materijala na bazi polimera u zubarstvu i dr.).

112


Definicija trošenja podrazumijeva da se trošenje možejednostavno odrediti iz volumena (ili iz mase) krhotina (debris), odnosno produkata trošenja (wear particles), koji se odvajaju od ispitka tijekom trošenja.

• Standardna metoda ASTM G 65-85 ne može međutim dati pouzdane rezultate za polimere jer količina krhotina ovisi o relativnoj brzini gibanja dviju površina u dodiru, pritisku na površine i porastu temperature;

- Dio energije gibanja pretvara se u toplinu trenja pri klizanju ili kotrljanju površina tarnog para;

- Što je veća brzina, stvara se više topline, te pokusi potrebni za određivanje faktora trenja nisu izotermalni.

Problem je što temperatura ispitivanja koja se razlikuje od polimera do polimera izravno utječe na trošenje polimera.

113


Ista relativna brzina trošenja rezultirati će različitim porastom temperature kod različitih polimera:- Stoga i uz konstantnu brzinu gibanja tijekom ispitivanja trošenja

rezultati mogu biti bez smisla;- Napr.rezultati su pokazali da brojni polimeri pri klizanju u dodiru s

čelikom prolaze minimum pri karakterističnoj temperaturi. Danas još nema opće prihvaćene standardne ispitne metode za određivanje trošenja polimera i polimernih materijala jer usporedba mase produkata trošenja nastalih tijekom ispitivanjapolimernih materijala nema smisla jer izrazito ovisi o uvjetima ispitivanja.Rezultati standardnih ispitivanja trošenja polimernih materijala nisu pouzdani jer ovise o viskoelastičnom ponašanju pojedinih polimera.

114


4.6.1. Određivanje otpornosti na brazdanje polimernih materijala

Kod polimernih materijala pouzdano se može mjeriti otpornost na grebanje (scratch resistance) kao jedan od najvažnijih triboloških parametara ponašanja:

- Test grebanja (scratch test) originalno je dizajniran 1950’ kao mjera adhezije tankih tvrdih filmova;

- Test grebanja sastoji se od deformiranja površine pod pritiskompovlačenjem pokretnog tvrdog bata s iglom za grebanje (tip);

- Primjenjeno opterećenje može se držati konstantno, povećavati kontinuirano ili povećavati korak po korak.

115



Ispitivanje brazdanjem pruža mogućnost određivanja trošenja polimera kod klizanja (sliding wear): - To je mnogo pouzdanija metoda od određivanja abrazijskog

trošenja mjerenjem gubitka mase (ali dobiveni rezultati višestrukim brazdanjem nisu ekvivalentni rezultatima abrazijskog trošenja).

- Otpornost na brazdanje (scratch resistance) jedan je od najvažnijih parametara određivanja trajnosti površine polimernih materijala;

Ispitna metoda brazdanja uključuje brazdanje površine ispitka i mjerenje dubine brazda, odnosno ureza (depth of groove)nastalih pri brazdanju, uz zvučni detektor koji prikazuje promjene faza na površini. Ispitivanja se provode mjernim instrumentom -ispitivalicom brazdanja.

116



Ispitivanje trošenja polimernih materijala brazdanjem duž istih udubina primjenom definiranog ispitivanja prikazanog na Slici:

117



• Određivanje otpornosti na grebanje: određivanje trenutne dubine penetracije Rp;

• Nakon viskoelastičnog oporavka (healing) koji obično traje 3 minute (ili 5 minuta) mjeri se dubina nakon oporavka Rh(točnost mjerenja ± 7.5 nm; mjerenje se provodi kod konstantne sile ili kod progresivnog povećanja sile).

118



Rezultati ispitivanja brazdanja izražavaju trenutačnu dubinu prodiranja (penetration depth), Rp, i preostalu dubinu (residual depth) nakon oporavka (healing), Rh : - Polimeri su viskoelastični materijali koji se stoga mogu

oporaviti, ili zacijeljeti nakon brazdanja, čime se podiže dno utora (žlijeba) do konačne dubine, Rh ;- definira se iznos zacjeljenja ili oporavka (the amount of healing or recovery), ΔR, koji predstavlja razliku dviju dubina brazdanja:

ΔR = Rp – Rh

kao i postotak oporavka (percentage recovery), f , zbog viskoelastičnosti polimera, koji se izračunava iz (relativno velikog) ΔR:

f = [(Rp – Rh) . 100%] / Rp

119



• Određivanje otpornosti na grebanje: određivanje trenutne dubine penetracije Rp;

• Nakon viskoelastičnog oporavka (healing) koji obično traje 3 minute (ili 5 minuta) mjeri se dubina nakon oporavka Rh(točnost mjerenja ± 7.5 nm; mjerenje se provodi kod konstantne sile ili kod progresivnog povećanja sile.

Višestruko grebanje duž istog utora je moguće i daje rezultate trošenja kod klizanja.

120


4.6.2. Klizno trošenje i deformacijsko očvršćivanje polimera

• Pokazalo se da nakon porasta preostale dubine prodiranja s porastom broja ispitivanja brazdanja kod kliznog trošenja, dolazi do ravnoteže kod izvjesnog broja brazdanja kada više nema promjena preostale dubine prodiranja, tj. dostiže se konstantna dubina prodiranja (Slika).

121


4.6.2. Klizno trošenje i deformacijsko očvršćivanje polimera

Uzastopno brazdanje postupno smanjuje dubinu brazde i vodi do dubine koja se više ne mijenja s brojem brazdanja: - Pretpostavljeno je da taj fenomen podsjeća na očvršćivanje, gdje

dno udubine nakon višestrukog brazdanja predstavlja materijal visoke kohezije (high cohesion material).

- Prvi primjer otkrića fenomena tzv. deformacijskog očvršćivanja(strain hardening) kod kliznog trošenja poliestera otkriven je 2004. godine.(W. Brostow).

- Zaključeno je da kod većine polimera nakon izvjesnog broja grebanja, čiji broj donekle raste s naprezanjem, dostiže konstantu dubinu grebanja;

Postoje polimeri koji ne slijede ponašanje deformacijskog očvrščivanja nakon višestrukog brazdanja, što je posljedica krhkosti - napr. polistiren (PS) po čemu se PS razlikuje od drugih polimera.

122


4.6.3. Nova definicija trošenja polimernih materijalaPredložena je nova definicija trošenja polimera, gdje je mjeratrošenja, W(F) , konačna oporavljena dubina, Rh , koja se određuje prilikom ispitivanja višestrukog brazdanja polimera(za danu geometriju šiljka (intender), pri propisanoj brzini ispitivanja i

sili ispitivanja, (F), pri 25oC ili na nekoj drugoj temperaturi):

W(F) = lim Rh(F)n →∝

gdje Rh = preostala (oporavljena- healing) dubina, n = broj grebanja duž utora.

- U praksi eksperiment višestrukog grebanja treba prestati kada je:[Rh (n + 1) – Rh (n)]/ Rh (n)

(tipično nakon oko 15 testova).

123

4. TROŠENJE4.7. Zaključno o trošenju

• Trošenje predstavlja oštećenje površine ili uklanjanje materijalas jedne ili s obadvije površine koje se gibaju jedna prema drugoj klizanjem, valjanjem ili udarom.

• Definicija trošenja općenito se bazira na gubitku materijala s jedne ili obje površine para materijala kod trenja.

• Brzina trošenja nije nužno vezana uz trenje. • Otpornost na trošenje para materijala općenito se klasificira kao

bezdimenzijski parametar faktor trošenja ili kao volumen trošenja, po jedinici opterećenja, po jedinici udaljenosti klizanja.

• Trošenje nastaje na mehanički ili kemijski način i općenito se ubrzava toplinom trenja.

• Trošenje u slučaju trenja nije inherentno svojstvo materijala već ovisi o operativnim uvjetima i o uvjetima površine.

124


• Osnovni mehanizmi uključuju razna trošenja : (1) Adhezijsko; (2) Abrazijsko; (3) Zamor; (4) Udar kod erozije i sudara; (5) Kemijsko i (6) Trošenje inducirano električnim lukom.

• Postupno uklanjanje materijala je karakteristično za trošenje kod svih mehanizama, osim mehanizma zamora.

- Trošenje započinje jednim mehanizmom i nastavlja se drugim mehanizmom, u mnogo slučajeva, što komplicira analizu popuštanja.

125


• Adhezijsko popuštanje i trošenje javlja se zbog adhezije neravnina u kontaktu na međupovršini:

- Za vrijeme klizanja neravnine na površini podvrgnute su deformacijama: plastičnoj deformaciji, elastičnoj deformaciji i/ili lomu.

- Volumen trošenja koji se odnosi na primarnu plastičnu deformaciju proporcionalan je normalnom opterećenju i udaljenostima klizanja a obrnuto proporcionalan tvrdoći površine koja se troši:

• Volumen trošenja koji se odnosi na primarnu elastičnu deformaciju proporcionalan je također normalnom naprezanju i udaljenosti klizanja ali je obrnuto proporcionalan modulu elastičnosti i omjeru parametara koji definiraju hrapavost.

HkWxv =

( )**

,

/ βσEWxkv =

126


• Abrazijsko trošenje javlja se kada neravnine hrapave, tvrde površine klize po mekšoj površini i oštećuju međupovršinu pomoću plastične i/ili elastične deformacije i/ili loma u slučaju savitljivih i lomljivih materijala:

- Brzina abrazijskog trošenja je u slučaju plastične deformacije funkcija (pored tvrdoće) i hrapavosti površine (kabr) tj. – raste s porastom hrapavosti (suprotno od adhezijskog mehanizma trošenja);

- U slučaju elastične deformacije porast hrapavosti smanjuje i adhezijsko i abrazijsko trošenje.

• Kemijsko i korozijsko trošenje nastupa u korozijskoj okolini. • Trošenje materijala općenito ovisi o odabranom paru

materijala, pripremi površine i operacijskim uvjetima.• Jednadžbe trošenja sugeriraju da je konstanta trošenja, k ,

neovisna o normalnom naprezanju i brzini klizanja, ali ta pretpostavka vrijedi samo za određeno područje naprezanja i brzina.

HWxkv abr= ( )**

,

/ βσEWxkv =

127


• Čisti metali i legure posjeduju visoku adheziju, i odgovarajući tome visoko trenje i trošenje; svako onečišćenje umanjuje kontakt, a kemijski stvoreni filmovi koji smanjuju adhezijurezultiraju u sniženju trenja i trošenja.

• Slični ili različiti keramički parovi koji se obično koriste u suhim uvjetima pokazuju umjereno trenje ali maksimalnu otpornost na trošenje; kod keramike žilavost kod loma je važno mehaničko svojstvo koje utječe na trenje; keramike reagiraju s vlagom iz zraka – neoksidacijska reakcija stvara korisne hidride ( tribokemijska reakcija) koji rezultiraju u niskom trenju i trošenju; suprotno tome oksidi keramike rezultiraju u visokom trenju i trošenju zbog povećanja rasta pukotina u visokoj vlazi.

• Metali i keramika - u širokom području uvjeta primjene ne djeluje samo jedan mehanizam trošenja.

128


• Polimeri koji uključuju plastike i elastomere općenito pokazuju vrlo nisko trenje i umjereno trošenje; ojačani kompoziti su otporniji od plastike i elastomera, posebno na povišenoj temperaturi i pritisku (PV ograničenja).

• Polimeri su viskoelastični materijali koji se stoga mogu oporaviti, tj deformacije su dijelom povratne te ‘zacijeljeti’ sa vremenom nakon brazdanja, čime se podiže dno utora (žlijeba) do konačne dubine koja se određuje, kao i postotak zacjeljenja ili oporavka.

• Uzastopno brazdanje postupno smanjuje dubinu brazde i vodi do dubine koja se više ne mijenja s brojem brazdanja te predstavlja tzv. očvršćivanje materijala.

• Većina polimera nakon izvjesnog broja grebanja, čiji broj donekle raste s naprezanjem, dostiže konstantu dubinu grebanja.Postoje polimeri koji ne slijede to ponašanje kao što je polistiren (PS) (što je posljedica krhkosti po čemu se PS razlikuje od drugih polimera.

• Predložena je nova definicija trošenja polimera, gdje je mjera trošenja, W(F) , preostala oporavljena dubina brazde Rh koja je konstanta nakon višestrukog brazdanja polimera (oko 15x).

129

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.1. Odabir materijala

Kod odabira materijala za tribološke primjene prvo se mora identificirati prevladavajući mehanizam trošenja s ciljem izbora materijala koji zadovoljavaju sve operativne uvjete.

- Svojstva materijala koja treba kontrolirati, pored mehanizma trošenja s ciljem odgovarajućeg odabira i primjene materijala u tribološkim uvjetima unutar operativnih zahtjeva su

ČVRSTOĆA, RAZVLAČIVOST, ŽILAVOST, TVRDOĆA;

- Ponekad zahtjevi novog dizajna traže od materijala i neka proturječna svojstva kao što su visoka mehanička čvrstoća zajedno s visokom komfortabilnosti - razvlačivosti, ili visoka tvrdoća zajedno s visokom žilavosti kod loma i sl; (takva zahtjevna svojstva mogu se postići kod nanokompozita).

130

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.1. Odabir materijala

Primjena raznih materijala u tribologiji je široka : - Lijevano željezo, nehrđajući čelik;- Visoko temperaturne i druge legure; - Keramika, cementni karbidi; kompoziti keramike i metala

(cermet);- Polimeri i kompoziti (u zadnje vrijeme sve više);- Čvrsta sredstva za podmazivanje i samo-podmazujuće čvrste

tvari.‘Krojenje’ svojstava materijala za specifične potrebe i ponekad

ekstremne uvjete, kao što su visoka temperatura, velika brzina, teško opterećenje, moguće je postići promjenom strukture (napr. umreživanjem i sl.) ili s dodacima (napr. nanopunila), koji mijenjajuinterakcije na međupovršini i očvršćuju materijal u cjelini.

U tribologiji se odabiru pojedini anorganski i organski rastresiti (bulk) ) materijali za primjenu radi niskog trenja i/ili niskog

trošenja.

131

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.2. Primjena metalnih i keramičkih materijala

- Željezni-crni metali i njihove legure – čelici i lijevano željezonajčešći su kao komercijalni metali koji se primjenjuju u tribologiji (super-legure čelika s visokom koncentracijom legiranih elemenata pogodni su za visoko-temperaturne primjene);

- Ne-željezni metali i legure kao što su indij, olovo, kositar, bakar, aluminij posjeduju nisku smičnu čvrstoću, dobru sposobnost ugrađivanja i odličnu konformabilnost;

- Druga klasa ne-željeznih materijala koja uključuje kobalt, nikal, molibden i njihove legure odlikuje se tvrdoćom i koristi se na povišenim temperaturama – otporni su na trošenje u korozijskim uvjetima;

- Keramike su tvrdi ne-metali kao karbidi, nitridi, boridi, silicidi (to su materijali otporni na trošenje, osiguravaju čvrstoću i žilavost u tribološkim primjenama).

- Kompoziti keramike i metala (cermet) posjeduju dobra svojstva i keramike i metala.

132

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3. Primjena polimernih materijala

U interpretaciji triboloških svojstava polimera ne mogu sedirektno primijeniti znanja iz tribologije metala radi specifičnih strukturnih karakteristika polimera (npr. na mehanička svojstva

polimera direktno utječu zapletaji lanaca). - Zato se očekuje da specifičnosti polimerne strukture djeluju na

tribološka svojstva polimera, kao što djeluju i na ostala svojstva;

- Poznato je da sva makroskopska svojstva polimera ovise o mikro-nano strukturi i interakcijama na molekulnoj razini;

- Navedeno upućuje na postojanje veza između različitih makroskopskih svojstava uključivši i tribološka svojstva.

Potrebe u industriji iniciraju razvoj materijala na bazi polimera koji mogu zamijeniti metalne komponente u - glavni razlog je očuvanje i štednja energije s polimerima radi nižeg trenja i trošenja.

133


Karakteristike primjene polimera:- Neosjetljivi su na koroziju u odnosu na metale (ali reagiraju s

tekućinama – bubre i snizuju se mehanička svojstva); - Lako teku kod umjerenih pritisaka i temperatura (flow);- Imaju nisku toplinsku vodljivost;- Imaju visoku toleranciju na abrazijske čestice (embeddability) i

pokazuju elastičnost u raspodjeli naprezanja (resilience) i sprječavaju zaglavljivanje napr. kalupa (seizure);

- Polimeri se koriste također kao aditivi u nepolimernim čvrstim tvarima i tekućim sredstvima za podmazivanje, radi svojstva niskog trenja.

- Polimeri i polimerni kompoziti koriste kod relativno niskih opterećenja, brzina i temperatura, znatno nižih nego u slučaju metala i keramika;

- Problem primjene polimera u uvjetima okoline je osjetljivost na djelovanje vlage i kisika radi degradacije.

134


Polimerni materijali odabiru se za primjenu u tribologijiradi niskog trenja i/ili relativno niskog trošenja:- Nedostatak - polimeri npr. za polimerne ležajeve (bearings) u

odnosu na metalne ležajeve u tribološkoj primjeni imaju nižu mogućnost podnošenja opterećenja;

- Dodatak punila u polimere može nadoknaditi mnoge nedostatke kod primjene - polimerni kompoziti podnose viša opterećenja;

Načini oblikovanja npr. strojnih dijelova i sl. od linearnih polimera plastomera-termoplasta:

(1) Injekcijsko prešanje (injection moulding) - samo simetrični i jednostavni oblici (šipke, cijevi);

(2) Ekstrudiranje (extrusion) - samo simetrični i jednostavni oblici;(3) Izravno prešanje (compression moulding) + ekstrudiranje – za

masovnu proizvodnju.

135


Oblikovanje plastomera:(1) Injekcijsko prešanje (injection moulding) - samo za polimere koji

se prerađuju u talini - stavljanjem polimera u prahu ili peletama u zagrijanu šupljinu aparata za injekcijsko prešanje polimer se omekša, i tada se rastaljeni polimer potiskuje prema naprijed u ohlađene šupljine pomoću klipne pužnice, gdje ostaje na temperaturi ispod staklišta (Tg) ili tališta (Tm) da se osigura da oblikovani dio zadrži traženi oblik;

(2) Ekstrudiranje (extrusion) - direktno oblikovanje u kalupu: oblikovani dio se prerađuje tehnikom srašćivanja tj. površinskog staljivanja čestica direktno u kalupu na povišenoj temperaturi(sintering technique); direktno oblikovanje može također biti izvedeno u jednom koraku tlačenjem (ramming) smole pod pritiskom kroz zagrijani kalup;

(3) Izravno prešanje (compression moulding) - stavljanje polimernog materijala, obično u obliku praha, u šupljine zagrijanog kalupauz primjenu topline i pritiska (nekoliko stotina stupnjeva Celzijusa, desetine megapaskala).

136


Oblikovanje duromera i elastomera:- Duromerna plastika (thermoset plastics) očvrsnuta umreživanjem,

ne može se proizvesti injekcijskim prešanjem jer bi se rastaljeni polimer umrežio već tijekom prerade;

- Duromerna plastika proizvodi se preradom direktno u kalupu izravnim prešanjem i ekstrudiranjem;

- Svojstva duromerne plastike su promijenjena otvrdnjavanjempomoću djelovanja topline ili kemikalija zbog umreživanja koje stvara netopljive produkte.

- Elastomeri su polimeri sa svojstvima poput -gume (rubber-like material);

- Produljenje (elongation) općenito je veće od 200% kod popuštanja i loma uz znatnu povratnu rastegljivost (resilience);

- Elastomeri imaju niski modul elastičnosti i pokazuju pod naprezanjem veliku dimenzijsku promjenu istezanjem ali uz povrat skoro na originalne dimenzije, odmah nakon što se ukloni deformacijsko naprezanje.

137


Samo nekoliko tipova polimera značajnije se koriste za primjene koje se odnose na trenje i trošenje, od velikog broja polimera koji su komercijalno dostupni (Tablica ).Tablica . Plastika, elastomeri, punila i ojačavala koji se koriste za tribološke

primjene_______________________________________________________________________Plastomerna Duromerna Elastomeri Punilaplastika plastika

_______________________________________________________________________Fluorirani ugljikov. Fenolna plast. Prirodni kaučuk VlaknaPTFE Poliimidna plast. Sintetski kaučuk UgljikFluorir. etilen-propilen Poliesterska plast. Stiren/butadienski kauč. PTFEAcetalna plast. Epoksidna plast. Izobutilen/izopren StakloHomopol.i kopol. Etilen/propilen Arom.poliamidPolietilenska plast. Kloropren PoliesterPE-HD Butadien/akrilonitril PrašciPoliamidna plast. Poliakrilat MoS2, AgNylon 6, 6/6, 6/10, 6/12 Fluoroelastomer Ugljik, grafitPolikarbonatna plast. Silikoni Silica, aluminaVisoko-temp. plast. Poliuretani TekućinePoliimidi, poliesteri Kopoliesteri, olefini Mineralno ulje

Masne kiseline

138


Svojstva polimera mogu se krojiti za specifične zahtjeve pomoćudodataka punila i ojačavala:

- Mehanička i samo-podmazujuća svojstva polimera mogu se dodatno poboljšati miješanjem s punilima u obliku vlakana, praška i kapljevina;

- Dodatak punila daje mogućnost korištenja polimera na visokim PVograničenjima (‘PV limits’) usporedivo s mekim metalima;

- Iznad uvjeta trenja definiranih PV limitom polimeri se počnu taliti na međupovršini, čak i na sobnoj temperaturi, i trošenje raste brzo.

139


Odgovarajuća punila značajno utječu na opće poboljšanje svojstava polimera:- Poboljšanje mehaničkih svojstava; - Porast udarne žilavosti (impact strength);- Porast rastezne čvrstoće (tensile strength);- Porast čvrstoće kod puzanja - statička trajna čvrstoća (creep

resistance), kao i kapacitet izdržavanja opterećenja (load-carrying capacity);

- Porast koeficienta termičke ekspanzije i termičke vodljivosti.Dodatak punila u polimere u kompozitima općenito rezultira poboljšanjem i triboloških svojstava:- Sniženje faktora trenja;- Sniženje brzine trošenja;- Porast izdržljivosti (endurance life).

140


Polimeri i polimerni kompoziti koriste se kao sredstva za podmazivanje za sniženje trenja kod kontakata klizanjem i kod trošenja nasuprot tvrdih i glatkih površina:- Plastika se koristi kao čvrsti premaz na površinama visokog

trenja kao metali, s funkcijom sredstva za podmazivanje(lubricant) radi efekta sniženja trenja;

- Plastika se također radi niskog trošenja, dodaje uljima i drugim kapljevinama koje se koriste kao sredstva za podmazivanje.

Prednosti polimera i polimernih kompozita kao triboloških materijala:- Samo-podmazivanje i otpornost na trošenje i koroziju;- Kemijska stabilnost i podatnost (compliance);- Sposobnost za prigušivanje vibracija i amortizaciju šoka; - Niska emisija zvuka i mala masa, te niska cijena;- Polimeri su kemijski inertni i stoga se mogu koristiti i u

korozijskim uvjetima.

141


Prednosti polimera (nastavak):- Polimerni kompoziti i ojačani polimeri imaju visoku čvrstoću –

stoga imaju visoki omjer čvrstoće u odnosu na masu i koriste se u strukturama koje nose opterećenje (load-bearing) u automobilu, avionu i sl;

- Polimeri mogu biti i prekriveni metalnim filmom;- Elastomeri se zbog svojstva rastegljivosti (resilience) koriste za

brtvljenje (sealing);- Polimeri su lagani (lakši od metala) i koriste se u transportu.Nedostaci polimera u usporedbi s metalima:- Niža termička vodljivost; - Niži koeficienti termičke ekspanzije (10x i više); - Bubrenje u raznim otapalima; - Mekšanje s zagrijavanjem; - Niža čvrstoća i modul;- Neotpornost na grebanje površine (scratching).

142

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.1. Utjecaj specifičnosti polimerne strukture u tribološkoj

primjeni

Razvoj tribologije polimernih materijala vezan je uz ovisnost njihovih svojstava o trajanju opterećenja, što nije slučaj s metalima ili keramikom:- Polimerni materijali su viskoelastični i važna je ovisnost

njihovih svojstava o vremenu;- Očito je da su i tribološka svojstva pod sličnim utjecajima kao i

mehanička svojstva te ostala svojstva polimera; - Kako sva makroskopska svojstva ovise o molekulnoj strukturi i

interakcijama, očekuje se da postoji veza između mehaničkih i ostalih svojstava te triboloških svojstava polimera(napr. abrazijsko trošenje polimera proporcionalno je omjeru 1/σu εu)

Polimeri često imaju kompleksnu višefaznu strukturu gdje postoji više domena i pod-domena koje značajno mijenjaju ponašanje polimera, što otežava tribološka i druga ispitivanja.

143

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.1. Utjecaj specifičnosti polimerne strukture u

tribološkoj primjeni

Poznato je, sva makroskopska svojstva polimernih materijala ovise o mikro-nano strukturi i interakcijama na molekulnoj razini:- Mora postojati i izvjesna povezanost između različitih svojstava i

tribološkog ponašanja polimera;- Kao primjer može se navesti rezultat utjecaja koncentracije čađe

kao dodatka, kada statičko trenje brzo opada na isti način kao što opada i električna otpornost.

Tribološka ispitivanja mogu se provesti na nekoliko razina od mikrorazine do nanorazine:- Na toj osnovi mogu se istražiti korelacije između

viskoelastičnosti, krhkosti i tribološkog ponašanja materijala na osnovi polimera koje odražavaju utjecaje sastava, orijentacije u magnetnom polju i obrade površine.

144

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.2. Utjecaj krhkosti polimernih materijala

Eksperiment: Ispitivanje trošenja mjerenjem višestrukog brazdanja:- Mjerenja dubine brazdanja nakon višestrukog brazdanja i nakon

oporavka W(F), potvrdila su novu definiciju trošenja polimera, W(F) = lim Rh(F) koja vrijedi za polimere (osim polistirena !)

n →∝

145


Polimeri različite strukture svi pokazuju svojstvo očvrsnuća tj. dostižu asimptotsku vrijednost nakon višestrukog brazdanja:polikarbonat (PC), akrilonitril/butadien/stirenski kopolimer (ABS), poli(tetrafluoretilen) (PTFE), polietilen niske gustoće (PE-LD), poli(eter-sulfon) (PES), stiren/akrilonitril kopolimer (SAN) i dr.

- Viskoelastičnost polimernih materijala rezultira u tribološkom svojstvu oporavka nakon brazdanja Rh i dostizanja konstantne dubine nakon višestrukog brazdanja. W(F) = lim Rh(F).

Različito tribološko ponašanje polistirena (PS), tj. nepostojanje pojave rasteznog očvršćivanja (strain hardening), pripisano jesvojstvu izrazite krhkosti (brittleness) polistirena;

Krhkost polistirena, ali i ostalih manje krhkih materijala, treba dovesti u vezu sa stupnjem oporavka radi viskoelastičnosti, da se može interpretirati specifičnost tribološkog ponašanja.

146


Rezultat dinamičko-mehaničke analize polimera na najbolji način određuje viskoelastična svojstva polimera:- Viskoelastična svojstva opisana su kompleksnim modulom, E*,

koji daje vezu između modula pohrane materijala, E', kao odgovora čvrstog dijela (solid-like response) i modula gubitka, E'',kao odgovora kapljevitog dijela (liquid-like response):

E* = E' + iE''gdje je: i = (-1)1/2.

- Primjeri rezultata ispitivanja potvrđuju da postoji veza između E'i E'‘ , energije površine polimera, te triboloških svojstava;

Krhkost predstavlja suprotnost žilavosti (toughness), koja se opisuje kao integral krivulje ovisnosti naprezanje-deformacija te predstavlja apsorbiranu energiju kod loma, odnosno prekida (failure).

147


Materijal s visokim modulom pohrane, E', neće biti krhak, tj. postoji njihova inverzna ovisnost, te se temeljem E' može procijeniti krhkost materijala i njegovo potencijalno tribološko ponašanje.

- Očito je za svojstvo krhkosti važan otpor na deformaciju, koji se može predstaviti s E', ali istodobno je važno i prekidno istezanje, tj. εb ;

- Materijal visoke duktilnosti nije krhak pa se može pretpostaviti inverzna ovisnost između krhkosti i εb, kao i opisana inverzna ovisnost krhkosti i modula pohrane E‘ ;

• U skladu s gore navedenim relacijama krhkost materijala, B, definirana je slijedećim izrazom:

B = 1 / (εb . E')

gdje se prekidno istezanje (εb) može odrediti u kvazi-statičkom rasteznom ispitivanju, a modul pohrane (E') dinamičkom mehaničkom analizom (DMA) pri frekvenciji od 1.0 Hz.

148


Potvrda pretpostavke ovisnosti krhkosti materijala, B, prikazane gornjom jedn. i veza s vrijednosti postotka oporavka materijala, f ,prema slijedećoj jedn. , f = [(Rp – Rh) . 100%] / Rp, prikazana je na Slici za različite tipove polimera:

- Izraziti pad krhkosti između polistirena (PS) i drugih materijala koji slijede upućuje i na određenu graničnu vrijednost krhkosti ispod koje svi polimeri pokazuju 'normalna' ili nekrhka svojstva (i svojstvo ‘očvrsnuća’):

149


Ponašanje polistirena koje se razlikuje od ostalih polimera može se sada i kvantitativno objasniti kao posljedica vrlo visoke vrijednosti krhkosti (B = 8,78)- Visoka krhkost je razlog da jedino PS u ispitivanjima nije

pokazao tribološko svojstvo deformacijskog očvrsnuća nakon višestrukog brazdanja, prikazano na Slici, u usporedbi s ostalim polimerima čije su vrijednosti krhkosti puno niže (B = 0,09 za SantopreneTM; 0,11 za PC; 0,63 za PES; 1,35 za PMMA; 0,19 za PVDF ili 1,30 za PPSU u usporedbi s vrijednosti 8,78 za PS!).

- Na taj način objašnjena je činjenica da za sada od ispitanih materijala samo PS ne pokazuje svojstvo deformacijskog očvrsnuća i postizanje asimptotske vrijednosti nakon višestrukog brazdanja te da zbog visoke krhkosti pokazuje izrazito mali udio oporavka u usporedbi s ostalim polimerima.

150


Razlog specifičnog ponašanja polistirena treba tražiti u njegovojstrukturi i svojstvima:

- Tako npr. efekti stirenskih jedinica u strukturi PS u polimernoj mješavinama s poliamidom djeluju na dobru preradljivost u taljevini, ali loše utječu na mehanička svojstva.

- Svi istraženi polimerni materijali pokazuju isto ponašanje, osim polistirena, što je objašnjeno njegovom visokom krhkosti u usporedbi s ostalim polimerima.

151

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI

5.3.3. Veza deformacijskog očvrsnuća i slobodnog volumena

Eksperiment: Slobodni volumen i tribološka svojstva polimera- Oporavak nakon brazdanja može se povezati s općom

vremenskom ovisnošću mehaničkih svojstava kao npr. kod puzanja (creep).

- Predviđanje pojave puzanja, može se postići ispitivanjima koja se temelje na određivanju slobodnog volumena polimera.

- Može se očekivati da će materijali koji imaju više slobodnog volumena, koji opisuje volumen praznina kod polimera, rezultirati uvećem udjelu oporavka, f , nakon višestrukog brazdanja.

• Slobodni volumen se izražava:νf = ν - ν*

gdje su sve vrijednosti specificirane na jediničnu masu kao 1 g: ν* je osnovni –bitni (hard-core) volumen (odgovara skupljanju slobodnog prostora na 0 Kelvina kod beskonačno visokog pritiska). U praksi ν* se određuje podešavanjem P-V-T rezultata na jednadžbu stanja.

152


5.3.3. Veza deformacijskog očvrsnuća i slobodnog volumena

Rezultati na Slici potvrđuju da više slobodnog volumena rezultira u većem viskoelastičnom oporavku, gdje je za različite polimere prikazana ovisnost udjela oporavka (prosjek nekoliko sila koje uzrokuju oporavak nakon trošenja pri trenju klizanja, što se određuje uzastopnim brazdanjem - 15 puta duž istog utora), o slobodnom volumenu.

153

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.4. Utjecaj energije površine polimernih materijala

Primjer: Promjenom sastava na površini tarnog para polimernih materijala mijenja se energija površine i odgovarajuća tribološka svojstva. - Eksperimenti određivanja napetosti površine, γ , odgovarajućih

čvrstina mjerenjem kontaktnog kuta s tri odabrane testne kapljevine (dvije polarne) pokazali su da postoji veza između napetosti površine, γ , i triboloških svojstava polimernih materijala, tj. dubine prodiranja, Rp , i dubine prodiranja nakon oporavka, Rh , i statičkog i dinamičkog trenja.

- Veza između napetosti površine i triboloških svojstavamaterijala očekivana je jer oba svojstva predstavljaju fenomene površine.

- Primjer potvrđuje da se minimalna napetost površine, kao i maksimalno poboljšanje triboloških svojstava događa kod iste koncentracije fluoropolimera (~ 5%) u mješavini s epoksidom koja je migrirala na površinu i odgovorna je za promjene svojstava površine (Slika)

154

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.4. Utjecaj energije površine polimernih materijala

- Zaključeno je da je napetost površine interesantna u tribološkim istraživanjima; rezultati primjera pokazali su da su istovremeno sniženje trenja i porast otpornosti na grebanje tj. poboljšanje triboloških svojstava (gornje krivulje na slici) posljedica efekta fluoropolimera koji migracijom na površinu u danim uvjetima istovremeno snižava i površinsku napetost epoksida i konačnu dubinu grebanja.

155


5.3.5. Utjecaj dodataka u sastavu polimernih materijalaRezultati ispitivanja sistema epoksi + FPEK:- Moguće je postići istovremeno nisko trenje (statičko i dinamičko) i

visoku otpornost na grebanje;- Kod koncentracije od 5 wt.% fluoropolimera s otvrdnjavanjem na

24oC sniženo je istovremeno i trenje (friction) i dubina grebanja(scratch depth) kod momentalne dubine i nakon oporavka;

- Temperatura otvrdnjavanje vrlo je važna jer rezultati pokazuju da otvrdnjavanje na višoj temperaturi ima suprotni efekt – ne snižava nego povisuje trenje kod iste koncentracije FPEK (5%).

- Kod iste koncentracije FPEK (5%) koja povoljno utječe na tribološka svojstva potvrđena je i minimalna napetost površine(surface tension).

156


5.3.5. Utjecaj dodataka u sastavu polimernih materijalaEksperiment: Utjecaj raznih dodataka - Brojni primjeri prikazuju da je utjecaj različitih dodataka u

sastavu polimernih materijala na tribološka i ostala svojstva u ovisnosti o površinskim karakteristikama dodataka i razini interakcija s polimernom matricom.

- Tako npr. na faktor trenja polimernih mješavina, uz osnovne komponente, utječu i karakteristike faktora trenja dodanog sredstva za kompatibilizaciju, koje se dodaje zbog nemješljivosti polimera u polimernoj mješavini.

- Primjer pokazuje da kompatibilizator koji se odlikuje visokim faktorom trenja, kao npr. stiren/etilen-blok-butadien/stiren (SEBS), dodan u PP/PS mješavinu s manjim udjelom polistirena i manjim faktorom trenja uglavnom negativno djeluje jer povisuje faktor trenja mješavine.S druge strane dodatak istog kompatibilizatora u PP/PS mješavinu s većim udjelom polistirena, i većim početnim faktorom trenja, bitno pozitivno utječe na tribološka svojstva jer se u tom slučaju snizuje faktor trenja.

157

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.6. Utjecaj magnetskog polja

Eksperiment: Polimeri s dipolnim momentom mogu se orijentirati u električnom i magnetskom polju:- Istraženi su efekti orijentacije polimera na tribološka svojstva

polimernih tekućih kristala = PLC (polymer liquid crystals): PET/0.6PHB (poly(ethylene terephtalate)/0.6 (mol fractio of the second LC component)PHB= p-hydroxybenzoic acid.

- PLC je zagrijan na 280oC, primijenjeno je magnetsko polje od 1.8 Tesla u vremenu 30 min na 280oC; ispitano je statičko i dinamičko trenje kao i penetracija i dubine oporavka nakon penetracije uzoraka u usporedbi s početnim uzorkom (0), te uzorcima nakon djelovanja magnetskog polja (Slika):

158

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.6. Utjecaj magnetskog polja

Slika. Razultati porasta statičkog i dinamičkog trenja za PLC nakon djelovanja magnetskog polja radi orjentacije krutih dijelova PLC u odnosu na smjer grebanja (scratch direction)

159

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.7. Utjecaj zračenja

Eksperiment: Ispitivanje utjecaja zračenja (irradiation) s protonima na otpornost na grebanje epoksida (scratch resistance) (Slika)

Slika. Porast otpornosti na grebanje ishodnog uzorka epoksida (0) radi djelovanja zračenja protonima jačine 10 i 40 MeV.

160

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.8. Utjecaj predobrade

Eksperiment: Utjecaj predobrade - najvažnije pitanje kod trošenja je kako smanjiti i/ili ukloniti trošenje materijala:- U literaturi su navedeni primjeri kako utjecati na sniženje trošenja

površine s raznim obradama i predobradama površine, čime se može poboljšati adhezija između matrice i dodataka (vlakna ili punila) u kompozitima.

- Tribološka svojstva hibridnih materijala kao npr. epoksid+silika izrazito su poboljšana, tj. sniženo je trenje i bitno je sniženo trošenje kao rezultat djelovanja čestica silicijeva dioksida (silika) koje sprječavaju stvaranje napuklina; na trošenoj površini hibrida vidljivi su finiji valovi u usporedbi s onima na čistom epoksidu, što upućuje na njihovu specifičnu mikrogeometriju površine koja pozitivno utječe na veću otpornost trošenju.

- Uključivanje silika nanočestica u polimerni lateks, posebno in-situ polimerizacijom, izrazito poboljšava otpornost trošenju, što je osobito važno u primjeni vododisperznih premaza gdje se interakcije na međupovršini mogu još unaprijediti dodatkom površinski aktivnih i/ili funkcionalizirajućih sredstava.

161


5.3.9. Utjecaj okolinePrimjer: Djelovanje okoline(plinovi i vlaga) utječe na mehanička svojstva. kao i na trenje i trošenje polimera.

Slika . Brzina trošenja PTFE kompozita koji kliže duž željeza na 70oC, kao funkcija koncentracije vode u raznim uvjetima okoline, ovisi o vlazi i 1000x je niža u dušiku u usporedbi s djelovanjem kisika i zraka.

162

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.10. Računalna simulacija

Razlozi kompjutorske simulacije:- Mogućnost promatranja i analize fenomena i procesa bez

potrebe eksperimentiranja – posebno onih na molekulnom nivou;- Sposobnost stvaranja novih materijala s virtualnom

strukturom;- Provjera pretpostavki, modela, teorija;- Velika brzina dobivanja rezultata;- Pojedinačna provjera pojedinih varijabli.

Primjeri kompjutorske simulacije:- Kontinuirano ispitivanje grebanja;- Lociranje inicijacije loma;- Propagacija loma.

163


Simulacija fenomena brazdanja provedena je sličnom metodom kao i simulacija rasteznih deformacija. Jedino je u tom slučaju sila primijenjena okomito na površinu materijala i mjerena je rezultirajuća lokalna deformacija.

- Primjer MD simulacije ispitivanja brazdanja umjesto njegovaeksperimentalnog ispitivanja može se provesti na način da dijamantni šiljak (indenter) (tamni element na Slici) brazda po površini polimera sa segmentima lanca koji su prikazani kao sfere.

- Simulacija brazdanja daje kontinuiranu ovisnost ponašanja svakog segmenta polimera u vremenu.

- Klasični eksperiment daje samo dvije vrijednosti: prosječnu dubinu prodiranja – dno krivulje, i prosječnu dubinu prodiranja nakon oporavka – asimptotska vrijednost krivulje.

164


Simulacija ispitivanja brazdanja

165


Eksperiment: Simulacija rasteznog ponašanja polimernih tekućih kristala

- PLC je dvofazni sistem i koristi se isti pristup kao za svaki 2 ili više fazni sistem; matrica PLC sistema sadrži uglavnom fleksibilne dijelove lanca (mali udio LC faze) dok otoci u strukturi sadrže veći broj relativno krutih LC sekvenci;

- Istražuju se uvjeti pod kojima će doći do popuštanja i loma materijala: standardna MSE metoda sastoji se u primjeni pretražnog elektronskog mikroskopa (SEM) za ispitivanje površine loma s ciljem definiranja događanja koja su dovelo do loma (što je teško jer postoje mnogi načini koji vode do loma materijala).

166


Slika . (A) Simulacija dvofaznog sustava s fazom 3D kvazi-sferičnih struktura kao otoci u drugoj fazi; (B) Simulacija rastezne deformacije daje mogućnost definiranja točke prekida veza i slijeda razvoja pukotine dok ne dođe do prekida u sustavu s LC krutim segmentima (tamne točke kao otoci) u fleksibilnom segmentima gdje dolazi do pucanja veza (svijetle točke)

(A) (B)

167

5. PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI5.3.11. Zaključno o tribologiji polimernih materijala

• Poboljšanje triboloških svojstava polimera i materijala na bazi polimera moguće je uz razumijevanje osnovnih mehanizama koji vode do niskog trenja, visoke otpornosti na grebanje i otpornosti na trošenje.

• Eksperimentalno je potvrđena veza između napetosti površine i trenja kao i dokazi o otvrdnjavanju površine polimera kod kliznog trošenja koja vodi do postizanja konstantne preostale dubine nakon oporavka kod višestrukog grebanja koja raste s porastom naprezanja, uz dokaze da se većina polimera tako ponaša uz izuzetke polimera kao PS čije ponašanje određuje svojstvo krhkosti (brittleness).

• Poboljšanje triboloških svojstava polimera, čija je površina puno mekša od metala i keramike, može se postići primjenom aditiva, kao i izlaganjem djelovanju zračenja, djelovanju magnetskog polja i dr., tj. djelovanjem koje odgovarajuće mijenja površinu polimera.

168

6. MAZIVA U TRIBOLOGIJI6.1. Primjena maziva

Maziva koja se koriste u obliku čvrstih tvari ili filmova, suhog praha ili kao ulja (disperzije ili suspenzije) općenito snizuju trenje stvarajući tanki film na površini niske smične čvrstoće.- Primjena maziva (lubricants) osigurava sniženje trenja, kao i

zaštitu od brazdanja i trošenja.- Dodatkom kapljevitih maziva u mikroporozne polimere - tzv.

mikroporozna maziva, znatno se dodatno snizuje trenje i trošenje polimera; odgovarajuće podmazivanje s nekim uljimadaje niski faktor trenja (~ 0,02) što je puno niže od najnižeg faktora trenja za same polimere (~ 0,04 za PTFE).

- Disperzija samih polimera u kapljevini, kao na pr. PTFE koloid u nafti i sintetičkom mazivom ulju, dodatno snizuje trenje i trošenje kod klizanja i valjanja.

- Kruta sredstva za podmazivanje (solid lubricants) (na pr. MoS2, grafit, PTFE) koriste se samostalno ili u raznim kombinacijamakao dodatci aditivi u ulja, masnoće, polimere i druge čvrste materijale.

169

6. MAZIVA U TRIBOLOGIJI6.2. Kruta sredstva za podmazivanje

• Prednost mekih nemetala (molibden disulfid MoS2, grafit, talk, i druge anorganske soli) je svojstvo podmazivanja zbog niske smične čvrstoće; MoS2 ima svojstvo podmazivanja zbog uslojene rešetkaste strukture te je svojstvo niske smične čvrstoće kod MoS2 intrinsično svojstvo.

• Kod drugih mekih nemetala, posebno grafita, potrebno je prisustvo adsorbiranih plinova ili interkalirane nečistoće između osnovnih ravnina, da se postigne niska smična čvrstoća.

• Nedostatci samo-podmazujućih krutih tvari: npr. MoS2 brzo oksidira na temp. iznad 300oC; grafit zahtijeva prisustvo vodene pare; PTFE je meki organski materijal za nisko opterećenje.

• Kruta sredstva za podmazivanje koriste se u suhom stanju ili kao kombinirana s nosiocem (na pr. ulja, masnoće) ili s vezivomkoje se nanosi na ‘mating’ površine.

- Ponekad se kruta sredstva miješaju sa sinteriranim metalima i polimerima da se poboljšaju samo-podmazujuća svojstva.

170

6. MAZIVA U TRIBOLOGIJI6.3. Maziva na bazi polimera

• Polimeri i polimerni kompoziti kao samo-podmazujuće čvrste tvari pokazuju nisko trenje i/ili trošenje tijekom klizanja i u odsustvu izvana dodanog sredstva za podmazivanje.

• Polimeri se koriste za podmazivanje kod relativno niskog opterećenja, niske brzine klizanja i malo povišene temperature.

• Polimeri (plastike i elastomeri) koji se koriste se kao samo-podmazujući materijali: PTFE (ističe se po najnižem koeficientu trenja (∼0,04-0,1); acetali; PE; PA; poliamid-imid; fenoli; nitrili; fluoroelastomeri.

171

6. MAZIVA U TRIBOLOGIJI6.4. Premazi i obrada površina

Mnogi od materijala koji se koriste kao podloge za tribološke primjene zahtijevaju premaze i obrade površine:- Cilj je postizanje optimalnog tribološkog ponašanja tj. niskog

trenja i niskog (umjerenog) trošenja materijala, kao dodatna posljedica efekta premaza ili obrade.

• Premazi i površinske obrade materijala koriste se u suhim tribološkim uvjetima i uvjetima podmazivanja, s ciljem da se zadovolje tribološki i drugi zahtjevi i/ili snize troškovi.

- Premazi se klasificiraju kao tvrdi, otporni na trošenje i meki, s niskim trenjem.

• Tehnike površinske obrade uključuju mikrostrukturne i kemijske promjene površine.

172


Krute podmazujuće prevlake (solid lubricant coatings) su tvrdi premazi s visokom otpornošću na trošenje i s umjerenim trenjem (željezni i neželjezni metali, intermetalne legure, keramika, (‘cermet’).

- Tvrdoća premaza povećava otpornost na trošenje.- Tvrdi premazi primjenjuju se za sniženje trošenja kod velikih

naprezanja i/ili visokih temperatura (do 1000 oC i više).

Tvrdi premazi nanose se pomoću različitih tehnika taloženja(deposition):

- elektrokemijsko taloženje;- taloženje termičkim raspršivanjem;- taloženje fizikalnim isparavanjem;- taloženje kemijskim isparavanjem.

173


Meki premazi koji se odlikuju niskim trenjem su na bazi smole (resin bonded coatings) a proizvode se vezanjem – metalizacijom smole pomoću elektrokemijskog taloženja ili raznim procesima taloženja fizikalnim isparavanjem:

- Meki premazi u kojima je u smolu dodan čvrsti prašak, kao npr. MoS2, grafit ili PTFE koji je vezan u polimernoj smoli, nanose se tehnikom raspršivanja.

- Meki metalni premazi, kao Ag, Au, Pb, Sn i In, nanose se elektrokemijskim taloženjem i procesima fizikalnog taloženja i koriste se na vrlo visokim temperaturama i u oštrim uvjetima djelovanja okoline kao kod aviona.

- Pb-Sn-Cu premazi u obliku oplate na čeliku koriste se već godinama.

- Premazi zlata i srebra koriste se u svemirskim kapsulama, avionskim motorima i sl.

174


Obrada površine rastresitih materijala (surface treatments of bulk materials) daje novi pristup tzv. krojenju površinskih karakteristika:

- Procesi obrade površine obuhvaćaju zagrijavanje materijala u reaktivnim i nereaktivnim atmosferama i rezultiraju u mikrostrukturalnim promjenama i/ili stvaranju kemijskih spojeva samo u gornjem sloju površine (debljine od 5 do 3000 μm).

- Obrada površine kod metalnih materijala koristi se u primjeni gdje dolazi do trošenja; proces se odnosi na taloženje odabranog premaza (coating deposition).

Obrada površine (surface treatment) mijenja površinsku mikrostrukturu i/ili kemiju površine:

- Uspješnost taloženja premaza i obrade površine s ciljem postizanja bolje adhezije premaza ovisi o pojedinoj tehnici za modifikaciju površine kojom se ciljano mijenjaju svojstva površine i materijala u cjelini (kapacitet podnošenja naprezanja, otpornost na trošenje, koeficijent trenja i dr.)

175


Veziva za čvrste premaze i maziva koja se suše na zraku sutermoplasti kao celuloza i akrilna smola i duromeri kao alkidi, fenoli, epoksidi, silikoni i poliimidi.

- Na tržištu su dostupni mnogi polimerni premazi kao npr. mješavine PTFE, polifenilen sulfida, poliamid-imida kao organska veziva i kao otopljeni sistemi u tekućoj formi; mogu se raspršivati, peći, glačati od 7,5 do 50 μm debljine, te primijeniti na operativnim temperaturama do 200 oC.

Kod optimiranja tribosustava potrebno je definirati:- strukturu, proces i fizikalna svojstva raznih materijala; - odabrati premaze i obradu površine korisne za tribologiju;- poznavati tipične podatke za trenje i trošenje raznih kombinacija

(mating) materijala.

U Tablici . su navedeni primjeri korištenja materijala u raznim tribološkim aktivnostima bez i sa premazima.

176


Tribološke Materijali (primjeri korištenja, x)aktivnosti

Nehrđajući Keramike Plastomeri Polimeni Tvrdi Obradečelik kompoziti premazi površine

_______________________________________________________________________________KlizanjeNepodmazano x x x x xPodmazano x x x x xKotrljanjeNepodmazano x x x xPodmazano x x xUdar xAbrazija x x x x xErozija čestica x x xKavitacija x_______________________________________________________________________________

177


Mehanička i tribološka svojstva, sa ili bez obrade površine i korištenja premaza, trebaju općenito biti odgovarajuća s ciljem da osigura sigurna primjena.

Ključna svojstva materijala za tribološke primjene:- tvrdoća;- razvlačivost; - vijek trajanja-dinamička izdržljivost;- smična čvrstoća;- otpornost na trošenje, oksidaciju i koroziju, termički i udarni šok.

178


Važna je sposobnost materijala da izdrži uvjete djelovanja okolnog medija za vrijeme predviđenog vijeka trajanja:

- Deblji premazi općenito su poželjni za duži vijek trajanja.- Tanki premazi su poželjni radi zadržavanja površinske

topografije;- Usklađuje se termička ekspanzija materijala i premaza; - Ne mijenjaju se mehanička svojstva supstrata; - Premazi se mogu savijati bez pucanja itd.

Odabir materijala za premaz i odabir tehnika taloženja premaza, kao i odabir obrade površine za dani tribo- inženjerski elementmože se provesti samo ako su poznati svi inženjerski zahtjevi tribo-primjene i uvjeti djelovanja okolnog medija.

- Odabir materijala i tehnika premazivanja zahtijeva kompromis u zahtjevima kao i iskustvo!

179

7. MIKRO I NANOTRIBOLOGIJA

Studiranje mikro/nanotribologije razvija osnovno razumijevanje međupovršinskih fenomena na nivou atoma i molekula u mikro-i nanostrukturama;

- Važno je na pr. u magnetnim sistemima za memoriju (magnetic storage system), mikroelektromehaničkim sistemima (MEMS) i drugim industrijskim primjenama.

Tribološko ponašanje materijala ovisi o strukturi i svojstvima površina i materijala u masi:- Na većini međupovršina koje su od tehnološke važnosti do

kontakta-dodira dolazi na brojnim neravninama (asperities).- Kontakt na pojedinačnim neravninama važan je za istraživanja

osnovne-fundamentalne tribologije i za istraživanja mehaničkih svojstava površina.

180


Novo područje mikro- i nanotribologije odnosi se na eksperimentalna i teoretska istraživanja procesa na međupovršinama na atomskoj i molekulnoj, sve do mikro- i makro-razine, što predstavlja most između znanosti i inženjerstva.

- Razvoj novog područja mikrotribologije, nanotribologije, molekulne tribologije, ili tribologije na nivou atoma omogućen je novim načinima modifikacije i manipulacije struktura na nano-razini u odnosu na standardnu makro-razinu (Tablica .).

Svrha istraživanja u tribologiji je minimiziranje i eliminacija gubitakado kojih dolazi zbog trenja i trošenja u svim nivoima tehnologije gdje su uključeni trljanje-poliranje-brušenje-čišćenje-trenje površina:

- Razumijevanje prirode i posljedica interakcija između materijala na atomskoj skali vodi do racionalnog oblikovanja materijala za tehnološke primjene.

181


Tablica . Usporedba između standardne makro-tribologije i nove mikro/nanotribologije

_______________________________________________________________Makrotribologija Mikro/Nano-tribologija

_______________________________________________________________velika masa mala masa (μg)jako opterećenje slabo opterećenje (μg do mg)trošenje površine nema trošenja površine(obvezno) (nekoliko atomskih slojeva)utjecaj na materijal u masi utjecaj na površinu materijala mijenjaju se svojstva materijala mijenjaju se svojstva površineodređuje tribološko ponašanje određuje tribološko ponašanje

_______________________________________________________________

182


Razvoj eksperimentalnih i teoretskih istraživanja procesa, od atomske i molekulne razine do mikro-razine, omogućio je analizu procesa do kojih dolazi za vrijeme adhezije, trenja, trošenja i podmazivanja u tankom filmu na klizećim površinama:

- Sistematska istraživanja problema na međupovršini, kao i efekte modificiranja površina i promjena struktura na nanoskali u tribološkoj primjeni omogućuju nove ispitne metode visokog razlučivanja:

- Mikroskopska metoda STM (scanning tunneling microscope) koja daje trodimenzionalni (3D) izgled krute površine – donekle električki vodljive, s atomskom rezolucijom;

- Metoda za pregled površina na nivou atoma AFM (atomic force microscope) koja mjeri ultra-male sile (manje od 1 μN) koje postoje između AFM površine i površine uzorka koja može biti električki vodljiva ili izolator (koristi se za studij adhezije i kod studija grebanja površine (scratching) i dr.)

- Kompjutorske tehnike za simulaciju interakcija i međupovršinskih svojstava (‘tip-surface’), za primjenu u nanotehnologiji.

183

8. LITERATURA ZA ISPIT

• V.Kovačević, D. Vrsaljko, Nastavni materijali za kolegij Inženjerstvo površina – poglavlje Tribologija, Zagreb, 2013/14.

• B. Bhushan, Principles and Applications of Tribology, John Wiley & Sons, New York, 1999.

• V. Ivušić, Tribologija, Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 1998.

• E. Rabinowicz, Friction and Wear of Materials, 2nd edn., Wiley, New York, 1995.

• G.E. Totten, H. Liang Eds., Mechanical Tribology – Materials, Characterization, and Applications, Marcel Dekker, Inc., New York, 2004.

184

8.1. Dodatna literatura

1. W.Brostow, Tribology of Polymer-based Materials: Basics and Problems to Solve, 15th Tutorial on Polymer Characterization, 2007, 4-17.

2. B.Bilyeu, W. Brostow, K.P. Menard, J. Mater. Ed. 2001. 23, 189.3. W. Brostow, G. Damarla, J. Howe and D. Pietkiewicz, e-Polymers 2004, no. 025

(http://www.e-polymers.org).4. W. Brostow, A.M. Cunha and R. Simoes,, Polymer 2004, 45, 7767. 5. W. Brostow, J.L.Deborde, M. Jaklewicz, P. Olszynski, Tribology with Emphasis on

Polymers: Friction, Scratch Resistance and Wear, Journal of Materials Education, 24(4-6), 2003, 119-132.

6. B.D. Fallon. N. Eiss Jr., p.121 in Friction and Wear Technology for Advanced Composite Materials, P.K. Rohatgi, Ed., ASM International, Materials Parks, OH (1994).

7. W. Brostow, V. Kovačević, D. Vrsaljko and J. Whithworth, Tribology of Polymers and Polymer-based Composites, Journal of Materials Education, 32 (5-6) (2010) 273 – 290.

8. V. Kovačević, D. Vrsaljko, W. Brostow, Tribologija polimernih materijala. Dio 1. Faktor trenja i trošenje polimernih materijala, Polimeri 30 (2009) 2: 76-82.

9. V. Kovačević, D. Vrsaljko, W. Brostow, Tribologija polimernih materijala. Dio 2. Svojstva i tribološko ponašanje, Polimeri, 30 (2009) 3: 131-137 .

185

Kolegij INŽENJERSTVO POVRŠINAKontinuirano praćenje i ocjenjivanje

Aktivnost : Pripadni broj bodova:• Kolokvij (3) (5 pitanja/a 5 bodova) ukupno 75 BODOVA• Seminar/projektni zadatak (1) 20 BODOVA• Sudjelovanje u nastavi 5 BODA__________________________________________________

UKUPNO 100 BODOVAOcjena: Bodovi:dovoljan (2) 51-63 dobar (3) 64-76vrlo dobar (4) 77-89izvrstan (5) 90-100

Documents

Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’ - fkit.unizg.hr · PDF file3 Kolegij ‘INŽENJERSTVO POVRŠINA’ Okvirni sadržaj kolegija – dio TRIBOLOGIJA Procesi koji se odvijaju na površinama