1Kolegij: I NENJ ERSTVO POVRI NA obvezni Studij: KEMIJA I INENJERSTVO MATERIJALA DIPLOMSKI STUDIJ, 1 godina Predmetni nastavnici: Dr Vera Kovaevi, red.prof. Dr Sanja Lui Blagojevi, izv.prof. Dr Mirela Leskovac, izv.prof. Fakultet kemijskog inenjerstva i tehnologije Zavod za inenjerstvo povrina polimernih materijala 2I NENJ ERSTVO POVRI NA Nastavni materijali: Vera Kovaevi, Domagoj Vrsaljko, TRI BOLOGI J A Zagreb. 2011 3I NENJ ERSTVO POVRI NA FENOMENI POVRINA FENOMENI ADHEZIJE POLIMERNE POVRINE POLIMER-POLIMER MEUPOVRINE MEUPOVRINE U POLIMERNIM MJEAVINAMA I KOMPOZITIMA MEUPOVRINA U ADHEZIJSKIM SPOJEVIMA TRIBOLOGIJA Sadraj Str. UVOD 5 TRIBOLOGIJA 6 Definicije tribologije 7 INDUSTRIJSKI ZNAAJ TRIBOLOGIJE 7 OSNOVE TRIBOLOGIJE MATERIJALA 8 Elementi tribosustava 8 Hrapavost povrine 9 Pitanja za ponavljanje 10 STRUKTURA I SVOJSTVA MATERIJALA I POVRINA U FUNKCIJI TRIBOLOKOG PONAANJA 11 Struktura i svojstva vrstih tvari Pitanja za ponavljanje 16 TRENJE 17 Zakoni trenja 17 Faktor trenja 19 Odreivanje faktora trenja polimernih materijala 22 Mehanizmi trenja 23 Fenomeni trenja 25 Zakljuno o trenju 26 Pitanja za ponavljanje 27 4TROENJE 28 Osnovni mehanizmi troenja 29 Adhezijsko troenje 29 Abrazijsko troenje 31 Troenje zamorom 32 Definiranje troenja 33 Troenje metala i legura 33 Troenje keramike 34 Troenje polimernih materijala 34 Ispitivanje troenja polimernih materijala 37 Odreivanje otpornosti na brazdanje polimernih materijala 38 Klizno troenje i deformacijsko ovrivanje polimera 39 Nova definicija troenja polimernih materijala 40 Mehanizmi troenja polimernih materijala 41 Zakljuno o troenju 42 Pitanja za ponavljanje 43 PRIMJENA MATERIJALA U TRIBOLOGIJI 44 Specifinosti tribolokih svojstava polimera 45 MAZIVA U TRIBOLOGIJI 48 Premazi i obrada povrina 48 Pitanja za ponavljanje 50 POLIMERNE STRUKTURE I UTJECAJI NA TRIBOLOKA SVOJSTVA 51 Napetost povrine i tribologija polimernih materijala 51 Svojstva polimernih materijala i njihovo triboloko ponaanje 52 Krhkost polimernih materijala 53 Deformacijsko ovrsnue i slobodni volumen polimera 55 Utjecaj sastava polimernih materijala na triboloka svojstva 56 Predobrada polimerne povrine i troenje 54 Raunalna simulacija 58 Zakljuno o tribologiji polimernih materijala 60 MIKRO- I NANOTRIBOLOGIJA 61 Pitanja za ponavljanje 62 LITERATURA ZA ISPIT 63 LITERATURNA PODLOGA ZA NASTAVNE MATERIJALE 63 Dodatak: Vjebe iz tribologije 67 Pregled pitanja za kolokvij/ispit 84 5UVOD U poglavlju TRIBOLOGIJA kolegija INENJERSTVO POVRINA opisana su osnovna naela i vanost tribologije, u prirodnim znanostima koje se bave materijalima kao i u inenjerstvu materijala, kao fenomeni koji se dogaaju na dodirnim povrinama. Sutinu tribologije predstavlja razumijevanje prirode postojeih interakcija na meupovrinama zbog rjeavanja tehnolokih problema u primjeni, koji su rezultat trenja i troenja materijala u meusobnom relativnom gibanju. Tijekom interakcija izmeu povrina dolazi do djelovanja privlanih sila, kao i prijenosa mehanike energije, a time se mijenja fizikalna i kemijska priroda meudjelujuih povrina materijala, ukljuujui i topografiju povrine. Interakcije do kojih dolazi na meupovrini tj. priroda interakcija i posljedice tih interakcija odreuju ponaanje meupovrine kod trenja, troenja i podmazivanja, kao i ponaanje materijala u cjelini. ire je opisano ponaanje polimernih materijala zbog posebnog interesa usmjerenog na nove napredne materijale koji postupno zamjenjuju ali i potpuno istiskuju primjenu u tribologiji standardnih materijala kao to su metali, keramika i sl. Tribologija predstavlja interdisciplinarnu znanost i tehnologiju o otporu gibanju dvaju dodirnih povrina materijala koji rezultira faktorom trenja i troenjem povrina materijala u praktinoj primjeni. Istraivanja u tribologiji usmjerena su na smanjivanje negativnih posljedica trenja i troenja, kao to su direktni gubitci energije i materijala, kao i indirektni gubitci tj. zastoji, sigurnost, promjene u okoliu i dr. Korisno trenje i troenje npr. kod hodanja, transporta, kliznih parova, obradbe materijala odvajanjem estica i sl. treba razlikovati od nekorisnog - tetnog trenja i troenja koji stvaraju ogromne gubitke energije kod trenja odnosno gubitke materijala kod troenja. Postavljaju se dva suprotna zahtjeva u primjeni kao to su trajnost koja predstavlja otpornost na troenje materijala i izbjegavanje tetnog trenja i troenja i tehnologinost to predstavlja sposobnost oblikovanja materijala obradom koja ukljuuje korisno trenje i troenje. U poglavlju TRIBOLOGIJA obrazloena su osnovna naela trenja i troenja kao osnovnih tribolokih fenomena povrina razliitih materijala kao to su metali, keramika i polimeri. Metali koji su visoko zastupljeni u tribolokim primjenama pokazuju visoko trenje i troenje te se koriste maziva koja osiguravaju manji otpor na trenje i rezultiraju malim troenjem. Troenje i korozija su najznaajniji triboloki fenomeni s ekonomskog stajalita jer uzrokuju ogromne trokove u industriji. esto da se izbjegnu problemi korozije metala metalni se dijelovi moraju zamijeniti s polimernim dijelovima u avionskoj, automobilskoj i drugim industrijama, ili se primjenjuju metalni i keramiki materijali koji su zatieni premazima. Na kraju poglavlja TRIBOLOGIJA navedene su karakteristike mikro- i nanotribologije kao novi pravci razvoja i istraivanja tribologije materijala. 6TRIBOLOGIJA Temeljem pregleda literature i vlastitih eksperimenata 1-77 prikazane su osnove tribologije i njena primjena. Naglaena je vanost stvaranja koherentnog programa u edukaciji i u istraivanju tribologije1-3. U tekstu poglavlja pored hrvatskih navedeni su i engleski specifini izrazi koji se u literaturi koriste za opisivanje tribolokih fenomena. Naziv tribologija potjee od grke rijei oo|it , to ukljuuje trenje (friction), troenje (wear), trljanje (rubbing) i sl. Najstariji primjeri o primjeni tribologije prikazani su na Slici 1. a b c Slika 1. Eskimska luna naprava za paljenje vatre (a); Egipatski stolari bue rupe pomou lune naprave (b); Leaj lonarskog kola (Jerihon oko 2000 godine prije Krista)(c)1. Drugi primjer primjene tribologije prikazuje Egipane koji su koristili vodu kao mazivo za snienje trenja (Slika 2.). Slika 2. Transport ogromnog kipa-kolosa (oko 1880 BC) od strane 172 roba koji vuku kip (pojedinac s silom oko 800 N) pomou vodom podmazanih drvenih saonica1. 7Definicije tribologije Tribologija je znanstveno-struna disciplina koja se bavi problematikom trenja i troenja. U popularnom izraavanju tribologija ukljuuje trenje (friction), troenje (wear) i podmazivanje (lubrication). ira definicija opisuje tribologiju kao znanost i tehniku o povrinama koje su u dodiru i relativnom gibanju, kao i o popratnim aktivnostima koje trebaju sniziti trokove koji nastaju kao posljedica trenja i troenja 1,2. Ekonomske posljedice troenja materijala jasno su izraene u knjizi Rabinovicz-a 3 putem izvjea britanskoj vladi u kojem se jo 1966. godine istie da razliiti izvori troenja zbog zanemarivanja efekta fenomena mehanikih interakcija na povrinama imaju vrlo visoku cijenu, to je u skladu s dananjim saznanjima 4. Bit tribologije predstavlja razumijevanje prirode postojeih interakcija i rjeavanje proizvodnih problema koji su povezani s fenomenima meupovrina materijala u relativnom gibanju. Tribologija obuhvaa osnovne discipline koje opisuju prirodu povrina, interakcije, gibanja i materijale. Primijenjene discipline tribologije opisuju utjecaj odabira materijala, obradu povrine, podmazivanje povrina u primjeni, kao i podruje novih istraivanja u nanotehnici 2. Tribologija je stoga interdisciplinarna znanost gdje su osnovne (fundamentalne) discipline tribologije, koje opisuju osnovnu prirodu povrina, interakcije, gibanja i materijale, fizika, kemija, matematika, mehanika fluida, mehanika, znanost o materijalima, metalurgija i strojarstvo. Primijenjene discipline tribologije, koje opisuju efekte odabira materijala, obradbe, podmazivanja i primjene su materijali (metali, polimeri, keramika, novi materijali), obradba materijala (povrinski tretmani materijala), podmazivanje materijala (ulja, masti, aditivi), mehanike konstrukcije (zupanici, leaji, klizni elementi), kao i nova istraivanja (nanotehnologije). Osnovni zadatak tribologije je kontrola (upravljanje) trenja i troenja. Tribologija je kljuna u modernoj mehanizaciji i u strojarstvu gdje se koriste povrine koje se meusobno kliu, kotrljaju ili se kreu relativno jedna u odnosu na drugu. INDUSTRIJSKI ZNAAJ TRIBOLOGIJE Industrijska revolucija (1750-1850 godine) bila je poticaj razvoju mehanizacije i mehanike proizvodnje i kasnije promociji proizvodnih vjetina. Razvoj industrije od poetka 20 stoljea je podloga za zahtjeve za boljom tribologijom i razvojem u svim podrujima. Tribologija je kljuna u modernoj mehanizaciji i strojarstvu gdje se koriste povrine koje se meusobno kliu (sliding) i/ili valjaju-kotrljaju (rolling). Brojni su primjeri korisnog trenja u proizvodnji kod koenja ili buenja, kod kotaa za vonju na vlakovima ili automobilima, kod vijaka ili klinova, kod udaranja i dr. Takoer se kao korisno troenje u proizvodnji moe navesti troenje kod pisanja olovkom, kod obrade odvajanjem strugotina, kod poliranja-latenja i ribanja i dr. Primjeri neproizvodnog (tetnog) trenja i troenja su kod motora s unutarnjim izgaranjem i zrakoplovnih motora, kod prijenosnika-zupanika, osovina, leajeva i brtvila itd. 8Sa stajalita korisnika materijala od interesa je dananja potreba zamjene metalnih dijelova u raznim industrijama kao to su proizvodnja automobila, zrakoplova i sl., materijalima na bazi polimera zbog njihovih prednosti kao to su nia gustoa, manja potreba za odravanjem i niih trokova 5,6. Glavni razlog trenda zamjene metalnih dijelova polimernim dijelovima u navedenim industrijama je uteda energije. Gustoa polimera je openito nia od gustoe metala, tako da s odreenom koliinom goriva automobil s komponentama na bazi polimera moe prijei veu udaljenost u usporedbi sa standardnim automobilom s preteno metalnim dijelovima 3. Primjena polimernih materijala u stomatologiji i medicini takoer je u porastu 7. Primjena polimera kao premaza posebno u formi nanohibrida, koji sadravaju npr. ugljikova nanovlakna je danas vrlo zanimljiva i obeava 8,9. Tribologija keramike 3,10,11 i metala u industrijskim procesima 11 mnogo je vie zastupljena i opisana nego to je to sluaj sa tribologijom polimernih materijala 12-17, ija kompleksna struktura i ponaanje mogu biti analizirani i raunalnom simulacijom 18-20. Poznavanje principa tribologije omoguuje razumijevanje tribologije u industrijskoj primjeni. Razumijevanje tribolokih principa bitno je za uspjeni dizajn alatnih elemenata, gdje nastupa trenje kao otpor gibanju do kojeg dolazi uvijek kada jedno vrsto tijelo dodiruje drugo vrsto tijelo ali i troenje, habanje i sl. to uzrokuje oteenje povrine ili odstranjenje materijala s jedne ili s obje od dvije vrste povrine koje su u kontaktu tijekom gibanja. Za kontrolu trenja i troenja primjenjuju se razni materijali, premazi i povrinske pred-obrade. Jedan od najuinkovitijih naina kontrole trenja i troenja je ispravno podmazivanje, koje osigurava izvoenje operacija bez tekoa i zadovoljavajue trajanje strojnih elemenata. Maziva (lubricant) mogu biti kapljevine, vrste tvari ili plinovi. OSNOVE TRIBOLOGIJE MATERIJALA Tribologija je usmjerena na mehaniku dodira meupovrina u kretanju, to openito obuhvaa rasipanje energije. Triboloka karakterizacija materijala bavi se trenjem, troenjem, otpornou na brazdanje i projektiranjem interaktivnih povrina tribopara materijala u dodiru u relativnom gibanju i danoj okolini (Slika 3. Elementi tribosustava) 2. Podmazivanje se takoer smatra konstitutivnim tribolokim elementom koji moe biti ukljuen u konstrukciju kada treba utjecati na trenje i troenje. Elementi tribosustava Elementi jednostavnog tribosustava prikazanog na Slici 3. su materijali koji su u kontaktu kod gibanja (1) i (2), uz meu-sredstvo (mazivo) (3) kao i djelovanje okoline (4) (kao na pr. korozijsko djelovanje). Za postizanje optimalnih rezultata kod rjeavanja tribolokih problema trenja, troenja i podmazivanja, treba uzeti u obzir optereenje, F, silu trenja, 0 , smjer gibanja , u , ULAZ-IZLAZ protok kroz sustav (gibanje, energija, materijali, informacije), kao i razne SMETNJE i GUBITKE radi trenja i troenja. Djelatni uvjeti trenja utjeu na meupovrinsko troenje u danom tribosustavu 2. 9 Slika 3. Elementi tribosustava 2. Uloga tribolokih elemenata hrapavosti povrine, mehanizama adhezije, trenja i troenja te fizikalnih i kemijskih interakcija izmeu maziva i meudjelujuih povrina mora biti razumljiva za optimalno djelovanje i dugotrajnu pouzdanost i ekonomsku opravdanost. U veini sluajeva do troenja dolazi preko povrinskih interakcija na neravninama (asperities). Svojstva krutog tijela su promijenjena, barem na povrini ili blizu povrine kada je materijal na povrini istisnut, ali i kada je malo ili nimalo materijala izgubljeno 1. Svrha istraivanja u tribologiji je minimiziranje i eliminacija gubitaka do kojih dolazi zbog trenja i troenja u svim tehnologijama gdje su ukljueni trljanje-poliranje-bruenje-ienje-trenje povrina. Osnovni triboloki elementi ije je poznavanje potrebno za optimalno djelovanje i pouzdanost kod situacija trenja i troenja su hrapavost povrine, mehanizmi adhezije i fizikalnih i kemijskih interakcija izmeu povrina u gibanju te mehanizmi trenja i troenja. Hrapavost povrine Hrapavost povrine uzrokuje da do kontakta dolazi na diskretnim mjestima gdje dolazi do meupovrinske adhezije, kada se inae glatke povrine dovedu u kontakt. Razlikuje se povrinski (nekonformni) dodir zakrivljenih ploha i povrinski (konformni) dodir realnih (hrapavih) ravnih povrina. Stvarna dodirna povrina proporcionalna je broju jedininih dodira i optereenju tj. normalnoj sili. Kod ravnih povrina stvarna dodirna povrina manja je od nominalne dodirne povrine zbog neravnina hrapavosti (Slika 4.) 10 Slika 4. Topografija i karakteristike hrapavosti povrine: Rt - najvea visina neravnina; l referentna duljina; Ra srednja aritmetika udaljenost profila Interakcije do kojih dolazi na meupovrini odreuju ponaanje meupovrine kod trenja, troenja i podmazivanja, kao i ponaanje materijala u cjelini. Tijekom interakcija izmeu povrina dolazi do djelovanja privlanih sila, kao i prijenosa mehanike energije. Time se mijenja fizikalna i kemijska priroda meudjelujuih povrina materijala, ukljuujui i topografiju povrine. Katkad se pogreno pretpostavlja da meupovrine s visokim trenjem pokazuju i visoke brzine troenja; npr. meupovrine krutog maziva i polimera pokazuju relativno nisko trenje ali relativno visoko troenje, dok povrine keramike pokazuju umjereno trenje, ali ekstremno nisko troenje itd. Pitanja za ponavljanje: to je to tribologija? Koje su definicije tribologije? ime se bave istraivanja u tribologiji? Kako se opisuje tribologija kao interdisciplinarna znanost? Kakav je industrijski znaaj tribologije? Koji su razlozi utjecaja industrijske revolucije na razvoj tribologije? Navedite osnovne triboloke elemente? Opiite elemente tribosustava i navedite to i kako utjee na triboloko ponaanje materijala u kontaktu prilikom gibanja? Koja je uloga hrapavosti povrine u tribologiji? Kako se definira stvarna dodirna povrina? 11STRUKTURA I SVOJSTVA MATERIJALA I POVRINA U FUNKCIJI TRIBOLOKOG PONAANJA Struktura i svojstva vrstih tvari Nepravilnosti struktura materijala na povrini i u masi utjeu na triboloka svojstva. U vrstim materijalima prisutne su nesavrenosti strukture kao nepravilnosti strukture raspodijeljene u masi materijala, tzv. nered, koje mogu nastati za vrijeme proizvodnje ili tijekom deformacija. Kristali mogu sadravati nered- atome na krivim mjestima, nedostajue ili strane atome. Nesavrenosti tj. nered u kristalu moe se iriti u dvije dimenzije kao granina linija (boundary). Kristalasti materijal moe sadravati samo jednu strukturu ili fazu, ali moe sadravati i vie faza raznih orijentacija. Individualni kristali nazivaju se zrna (grain)- a na granici zrna (grain boundary) postoji prijelazna faza. Meupovrina izmeu dva zrna u polikristalastom materijalu (grain boundary) remeti prijenos gibanja u materijalu, tako da je snienje veliine kristalita uobiajeni nain poboljanja vrstoe materijala. Granica zrna predstavlja defekte u kristalnoj strukturi i stoga snizuje elektrinu i termiku vodljivost materijala. Meupovrina izmeu zrna je nestabilna jer ima visoku meupovrinsku energiju i relativno slabo adhezijsko povezivanje te predstavlja prioritetna mjesta za poetak korozije i degradacije u polikristalastim materijalima. Materijali mogu sadravati jednu ili nekoliko faza koje se razlikuju u strukturi ili kompoziciji. Unutar faze struktura moe biti kristalna, polikristalna ili amorfna. Faze se mijenjaju s kemijskom kompozicijom i temperaturom. Krute otopine (solid solutions) su jednofazni materijali (na pr. elik, na nekim temperaturama bakar). Smjese (ili legure kod metala) sastoje se od vie nego jedne faze (na pr. elik: Fe-C, na nekim temperaturama staklom ojaana plastika). Otopine vrstih tvari predstavljaju kontrolirani nered. Nekristalni ili amorfni materijali predstavljaju trodimenzionalni nered materijala u masi. Vanjska povrina materijala gdje atomi na povrini imaju viu povrinsku energiju i slabije su vezani za unutranje atome predstavlja najoitiju graninu liniju. Ako se dodatni atomi smjeste na povrinske atome - na pr. predobradom ili samo djelovanjem atmosferilija, povrinska energija se mijenja. Za oekivati je da promjene strukture i karakteristika povrine utjeu na promjene tribolokog ponaanja materijala koji je u dodiru s drugim materijalom u gibanju. Deformacija koja ponekad vodi do loma nastaje kada se materijal (npr. komponenta alatnog stroja) podvrgne naprezanju. Deformacije mogu biti ili elastine i/ili plastine. Lom materijala moe biti ili duktilni- savitljiv (ductile) ili krt-krhak (brittle). Nominalno ili inenjersko ili uobiajeno naprezanje, o, predstavlja omjer optereenja, F, i ishodnog poprenog presjeka, A0, ako se naprezanje raspodjeljuje jednoliko preko povrine poprenog presjeka: (1) 0AF= o 12Stvarno ili aktualno naprezanje, ot , predstavlja omjer optereenja, F, kod bilo kojeg stupnja optereenja i aktualne povrine poprenog presjeka kod tog stupnja optereenja (At): (2) Nominalno ili inenjersko ili uobiajeno istezanje, c, izraava se kao promjena duljine ( lf l0) podijeljena s inicijalnom duljinom (l0): (3) Stvarno ili efektivno istezanje, ct predstavlja zbroj porasta istezanja podijeljen s aktualnom duljinom (prirodni logaritam konane duljine podijeljene s inicijalnom duljinom): (4) Ako nema promjene volumena za vrijeme deformacije tj. (A0l0 = Aflf) tada vrijedi: (5) Razlike izmeu nominalnog i stvarnog naprezanja i istezanja zanemarive su u elastinom podruju materijala; u plastinom podruju stvarno naprezanje i istezanje vii su nego odgovarajue nominalne vrijednosti (Slika 5.). Slika 5. Tipine krivulje naprezanje-istezanje za istezljivi materijal (1). Duktilnost-razvlaivost (ductility) opisuje istezanje prije nego se uzorak prelomi ili prekine, gdje l i A predstavljaju duljinu i popreni presjek, a indeksi, 0 i t, predstavljaju inicijalne i konane vrijednosti: ttAF= o0 00 fllll l A== c( ) c + =||.|

\|= = c }1 lnlllnldlf0ll 0ft) 1 (AAlntf0t c + o = o||.|

\|= c 13 Duktilnost = ili (6) Kod amorfnih materijala primijenjeno naprezanje djeluje na premjetanje atoma, kao i njihove okoline, te kao i kod kristalastih materijala uzrokuje dislociranja atoma i okoline, te konano vodi do loma. Lom (fracture) predstavlja konano poputanje materijala (failure). Duktilni ili krhak lom ovisi o procesu loma koji se odvija u dva stupnja: stvaranje napuklina (crack) i irenje napuklina do loma. Tip loma je izrazito ovisan o mehanizmu irenja napuklina (Slike 6 i 7). Duktilni lom karakterizira ekstenzivna plastina deformacija i stabilnost napuklina sve do porasta naprezanja (via energije istezanja do loma). Krti lom karakteriziraju napukline koje se brzo i spontano ire i bez porasta naprezanja s malo plastinih deformacija (mala energija istezanja do loma). Slika 6. Naprezanje-istezanje krivulja za sluaj (a) duktilni lom i (b) krti lom: podruje ispod krivulje naprezanje-istezanje je mjera ilavosti materijala 1. ilavost materijala (toughness) predstavlja podruje ispod krivulje naprezanje-istezanje: ilavost = (7) Jedinica ilavosti je energija po jedininom volumenu materijala. ilavost je mjera sposobnosti materijala da apsorbira energiju sve do loma (tipino materijali visoke vrstoe imaju nisku ilavost). ilavost inenjerskih materijala mjeri se standardno na uzorku s pukotinom ili zarezom (crack ili notch). Lom materijala (i duktilni i krti) je funkcija ilavosti materijala. Nain loma materijala ovisi o temperaturi (npr. duktilni materijal ispod odreene temperature moe poputati krtim lomom). Zamor (fatigue) materijala esto se naziva zakanjeli lom: ukljuuje konano vrijeme do loma pod bilo kojim kontinuiranim vanjskim ciklikim ili statikim naprezanjem: 00 tll l 00 tAA A c ocdf0} 14 Slika 7. Faze loma: (a) inicijalno suenje, (b) stvaranje malih upljina (cavity), (c) koalescencija upljina i stvaranje napukline, (d) irenje napukline, (e) konani smini lom pod kutom od 45o u odnosu na smjer rastezanja 1. Elastini materijali imaju sposobnost pohrane mehanike energije bez rasipanja energije, tj pokazuju vremenski neovisnu elastinu deformaciju. Elastinu deformaciju opisuje Hook-ov zakon: (8) Prema Hookovom zakonu, za idealno elastinu vrstu tvar, naprezanje, t (stress) je direktno proporcionalno istezanju ,e (strain) u malim deformacijama, i neovisno je o brzini istezanja (strain rate). Viskozna kapljevina u stanju naprezanja ima kapacitet za rasipanje mehanike energije, ali ne i za pohranu. Kod idealne viskozne kapljevine prema Newton-ovom zakonu, naprezanje,t , je uvijek direktno proporcionalno brzini istezanja, f : (9) Nagib krivulje naprezanje-brzina istezanja (stress-strain rate) naziva se apsolutna (dinamika) viskoznost, q , izraena u cP (1 cP = 1 mPa s). Viskoelastini materijali imaju sposobnost djelominog obnavljanja rada koji je uloen za njihovu deformaciju te dijelom mogu pohraniti i dijelom mogu rasipati mehaniku energiju. Polimeri su obino amorfni materijali i openito se deformiraju pomou viskoelastine deformacije. Ne-elastina deformacija viskoelastinih materijala ovisna je o vremenu. Ponaanje viskoelastinih/viskoplastinih materijala prikazuje se modelima koji kombiniraju efekte opruge i prigunika (Slika 8.). Fenomen elastine deformacije prikazuje se modelom opruge (vremenski neovisna elastina deformacija nestaje kod prestanka naprezanja) (Slika 8a), a fenomen viskoelastine/viskoplastine deformacije prikazuje se modelom prigunika (dashpot ), za viskoznu deformaciju, u kojem se klip giba u cilindru s viskoznim mazivom (vremenski ovisna deformacija) (Slika 8b) 1. eG = tfq t = 15 Slika 8. Fenomen elastine deformacije (a) i viskoelastine/viskoplastine deformacije (b)1. Viskoelastine deformacije nisu povratne odmah nakon prestanka djelovanja naprezanja ali dolazi do oporavka nakon nekog vremena. Viskoelastini materijali kombiniraju ponaanja kao-vrsta tvar i kao-kapljevina. Viskoelastina svojstva izrazito su ovisna o temperaturi i brzini (frekvenciji) istezanja (Slika 9.) Slika 9. Utjecaj temperature i brzine istezanja na svojstva 1. Ponaanje materijala kod naprezanja direktno utjee na triboloka svojstva povrina tribopara uslijed gibanja kada nastaje trenje i troenje. 16Pitanja za ponavljanje: Kako se opisuju 'nesavrenosti' strukture u kristalastim i u nekristalastim amorfnim tvarima i kako utjeu na triboloka svojstva? Kako se izraava deformacija vrstog materijala i veze sa procesima trenja i troenja? Koja je razlika izmeu nominalnog, o , i stvarnog naprezanja, ot , odnosno istezanja, c i ct ? Kako se definira lom odnosno konano poputanje materijala? Kako se izraava ilavost materijala? Kako se definira zamor materijala i koji su stadiji loma? Kako se opisuju naprezanja elastinih materijala i viskoznih kapljevina i viskoelastinih materijala? 17TRENJE Trenje predstavlja otpor gibanju do kojeg dolazi uvijek kada jedno vrsto tijelo dodiruje drugo vrsto tijelo (Slika 10.). Slika 10. Tijelo klie na povrini (a), tijelo se kotrlja na horizontalnoj povrini (b); W = normalno optereenje (sila), F = sila trenja 1 Djelatni uvjeti trenja utjeu na meupovrinsko troenje u danom tribosustavu (Slika 3.). Zakoni trenja Trenje se moe definirati kao tangencijalna sila (F) otpora relativnom gibanju dviju povrina koje su u dodiru 1-3: F = . N (10) gdje je N (ili W) normalna sila, a (ili f) je faktor trenja. Faktor trenja, (friction factor) je prije bio nazivan koeficijent trenja (coefficient of friction), meutim taj se naziv vie ne koristi. Gornja jednadba povezuje se sa zakonima trenja, definiranim kao Amontonovi zakoni jo 1699. godine 3. Dva osnovna empirijska zakona trenja postavio je Guillaume Amontons koji je studirao klizanje izmeu dviju glatkih povrina: 1. Sila trenja (koja odolijeva klizanju na meupovrini) direktno je proporcionalna normalnom optereenju; 2. Iznos sile trenja ne ovisi o prividnoj povrini kontakta (apparent area of contact); Charles-Augustin Colomb (1785), potvruje ve postavljene zakone trenja i postavlja trei empirijski zakon trenja: 3. Sila trenja neovisna je o brzini gibanja (velocity) (kada jednom zapone gibanje). 18Troenje - habanje se kao podruje istraivanja razvija puno kasnije od istraivanja trenja i nosivog optereenja (bearing) (Rarnar Holm, 1946 i dr.) 1. Svi zakoni trenja izvedeni su i potvreni potpuno empirijski. Prvi zakon trenja prema tome opisuje kako je otpor koji je uzrokovan trenjem proporcionalan optereenju, a drugi zakon trenja opisuje da je faktor trenja neovisan o prividnom podruju dodira izmeu tijela koja su u dodiru. Na taj nain dva tijela u kontaktu, bez obzira na njihovu veliinu, imaju isti faktor trenja. Trei zakon trenja izraava kinetiku silu trenja kao neovisnu o brzini klizanja kada jednom zapone gibanje. Zanimljivo je napomenuti da je znanstveni pristup fenomenu trenja jo ranije postavio Leonardo da Vinci (1452-1519) ije biljeke su publicirane tek nakon 100 godina od otkria (Slika 11.). Sila trenja (suprotna od smjera gibanja) je proporcionalna normalnoj sili izmeu povrina u dodiru. Sila trenja neovisna je o nominalnoj dodirnoj povrini. Faktor trenja = sila trenja / normalno (okomito) optereenje (coefficient of friction = friction force / normal load). (a) (b) Slika 11. Crtei da Vinci-evih pokusa - sila trenja na horizontalnoj i kosoj ravnini (a); utjecaj nominalne dodirne povrine na silu trenja (b) Sila trenja, prema gore navedenom, predstavlja tangencijalnu silu otpora, koja djeluje u smjeru izravno suprotnom od smjera gibanja. Kod nepokretnoga ispitnog tijela statiko trenje predstavlja silu gibanja podijeljenu sa silom koja pritie povrine u dodiru (mating surfaces). Navedena vrijednost predstavlja statiki faktor trenja: S = F / N (11) Kod ispitka u gibanju, dinamiko trenje, nazvano i kinematiko trenje, predstavlja silu potrebnu da se odri gibanje pri definiranoj brzini trenja povrina podijeljenu sa silom koja pritie zajedno povrine u paru, i to je dinamiki faktor trenja: 19 K = F / N (12) Ovisnost faktora statikog trenja, s i konstantnog kuta u mirovanju ili kuta trenja u : (13) u je kut kod kojeg tijelo bilo koje mase smjeteno na ravninu nagnutu za kut manji od u , koji zatvara s horizontalom, ostane na mjestu (Slika 12.). Statika sila trenja je tangencijalna sila potrebna da inicira relativno gibanje. Kinetika (dinamika) sila trenja je sila potrebna da zadri relativno gibanje dva tijela u kontaktu. Faktor statikog trenja je ili vei ili jednak faktoru kinetikog trenja. Slika 12. Dijagram ravnotee sila za tijelo na kosini 1. Trenje materijala koje nastaje kotrljanjem (rolling friction), puno je manje od trenja materijala koje nastaje klizanjem (sliding friction): Trenje kod kotrljanja obino je ogranieno na tijela besprijekornog, kontinuiranog oblika s vrlo malom hrapavosti. Spajanje i odvajanje elemenata povrine kod kotrljanja razliito je od kontakata kod klizanja. Ovisno o kinematici elementi povrine kod kotrljanja dolaze u kontakt i razdvajaju se u smjeru normalno na meupovrinu, prije nego li dodirno (tangencijalno) kao u sluaju trenja klizanjem. Tipine vrijednosti faktora trenja kod kotrljanja krutog cilindra ili sferinog tijela koje se giba nasuprot cilindinog, sferinog ili tijela blagog nagiba su niske u podruju 5x10-3 do 10-5, dok su vrijednosti faktora trenja kod klizanja suhog tijela tipino vie, od 0.1 do u nekim sluajevima vrijednosti veih od 1. Faktor trenja Faktor trenja moe varirati od oko 0,05 sve do 10 ili vie kao na pr. za meke i/ili iste metale koji klize meusobno u vakuumu 1. Eksperimenti meutim pokazuju da faktor trenja moe biti konstantan, ali se moe i mijenjati kao funkcija optereenja i u ovisnosti o povrini 1. Faktor trenja materijala ovisan je o meupovrini para materijala u kontaktu, pripremi povrine te o uvjetima meusobnog djelovanja povrina kao to je npr. djelovanje kemijskih tans = 20ili drugih reaktivnih spojeva, maziva, oneienja, to sve moe promijeniti kemiju i topografiju povrina i znatno utjecati na trenje. Utjecaji na veliinu faktora trenja materijala su slijedei: meupovrina para materijala u dodiru (mating material); priprema povrine; uvjeti meusobnog djelovanja povrina. Npr. djelovanje kemijskih ili drugih reaktivnih spojeva na povrinu, kao i sredstava za podmazivanje moe promijeniti kemiju i topografiju povrina i znatno utjecati na svojstva trenja i relativnu visinu faktora trenja. Primjeri faktora trenja triboparova (istih ili razliitih) materijala su slijedei: 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 kauuk, guma (0.3-0.6), silikonski kauuk (0.2-0.6); polimeri plastika: poliamidna, nylon (0.2-0,4), politetrafluorpolietilen, teflon (0.05-0.10); maziva kruta: grafit (0.05-0.15), fulereni (C60) (0.05-0.10); maziva kapljevita: ivotinjske masnoe i vegetabilna ulja (0.02-0.05), sintetika ulja (0.02-0.03). Tipine (empirijske) vrijednosti faktora trenja za dane triboparove materijala publicirane su u literaturi i njihova vrijednost vie je u relativnom odnosu nego u njihovim apsolutnim vrijednostima (Tablica 1.). Tablica 1. Faktori trenja 1 _________________________________________________________________ Materijali u paru s ________________________________________________________________ Al na Al 0,80-1,20 Koa na metalu 0,60 Drvo na metalu 0,20-0,60 Al2O3 na Al2O3 (nepodmazana keramika) 0,30-0,60 Prirodni i sintetiki kauuk (polimeri-elastomeri) 0,30-0,60 PE visoke gustoe (polimeri-plastika) 0,15-0,30 Grafit (vrsta maziva) 0,05-0,10 Sintetika ulja (tekua maziva) 0,02-0,03 __________________________________________________________________ Povrine istih metala i legura u kontaktu posjeduju visoku adheziju (jake metalne veze) i odgovarajue visoko trenje (visoki faktor trenja oko 2 i vie). Oksidi metala i neistoe snizuju adheziju, a time snizuju i trenje, te imaju nie faktore trenja. Keramiki parovi pokazuju niski faktor trenja, u usporedbi s metalima. Koriste se u ekstremnim uvjetima zbog visoke mehanike vrstoe i otpornosti, niskog plastinog teenja na sobnoj temperaturi i manje lomljivosti. Polimeri pokazuju nisko trenje i openito su neotporni, nie krutosti i vrstoe, radi niih interakcija u usporedbi s keramikom i metalima. Stoga se koriste polimerni kompoziti koji osiguravaju ravnoteu izmeu dobre mehanike vrstoe ali i niskog trenja i troenja. Odgovarajua slaba adhezija s polimerima posljedica je 21slabih veza kao van der Waals, vodikove veze i sl., takoer odgovornih i za nisku koheziju izmeu polimernih lanaca. Kruta maziva snizuju trenje stvarajui film niske smine vrstoe - koriste se u formi vrstih tvari ili filmova, suhog praha ili kao ulja (disperzije ili suspenzije). Faktor trenja, oznaen kao (jedn. 11-13) ili f (jedn.14) , nije uvijek konstantan jer ovisi i uvjetima na povrini, definiran je omjerom sile trenja, Ft , koja djeluje suprotno smjeru relativnog gibanja, i normalnog optereenja, FN: f = Ft / FN (14) Primjer promjene faktora trenja, f , u ovisnosti o sili trenja, Ft , prikazan je na Slici 13. U kliznom dodiru tribopara bakar-bakar, f naglo raste zbog probijanja oksidnog sloja bakra kod veih optereenja i ostvarenja istog metalnog dodira na povrinama (I), u odnosu na nii faktor trenja kod namjerno oksidirane povrine (II) 2 . Slika 13 . Nagla promjena faktora trenja tribopara bakar-bakar kada dolazi do pribijanja oksidnog sloja (I) i kontrolirana promjena kod veih optereenja kod namjerno oksidirane povrine (II) 2. Promjena faktora trenja dokazano ovisi o karakteristikama povrina (Slika 14.)1 Povrinska oneienja ili tanki filmovi na povrini utjeu na trenje. Snienje adhezije izmeu povrina snizuje trenje. Dobro-podmazane povrine (well-lubricated) pokazuju slabu adheziju i stoga i nisko trenje. Porast adhezije izmeu povrina povisuje trenje. Mala koliina kapljevine koja je prisutna na meupovrini moe povisiti adheziju posredstvom kapljevine, to moe rezultirati visokim trenjem, posebno izmeu glatkih povrina. Sile trenja mogu biti dobre poeljne; bez trenja nije mogue hodati, koristiti automobilske gume na cesti, ili podii stvari; ak i u strojnoj primjeni kao automobilske konice ili builice trenje je potrebno maksimalizirati. Sile trenja mogu biti loe-nepoeljne; kod veine klizajuih i rotirajuih komponenata kao to su leajevi i brtvila trenje nije poeljno jer izaziva gubitak energije kao i troenje materijala s pokretnih povrina u kontaktu i u tim sluajevima trenje je potrebno minimalizirati. Razlikuje se suho trenje i kapljevito trenje (dry friction, fluid friction). Suho trenje (Coulomb trenje) opisuje tangencijalnu komponentu sile trenja do koje dolazi kada se dvije suhe povrine pokreu ili se nastoje kretati jedna prema drugoj. Kapljevito trenje opisuje tangencijalnu komponentu sile trenja do koje dolazi kada postoje dva susjedna sloja u kapljevini ili plinu koja se kreu razliitim brzinama relativno jedan prema drugom. 22 Slika 14 . Faktor trenja u ovisnosti o optereenju: (a) faktor trenje se ne mijenja se s porastom normalnog optereenja (npr. elik klie po Al na zraku); (b) faktor trenja raste (npr. bakar klie po bakru na zraku gdje je oksidirani sloj niske smine vrstoe kod nieg optereenja odgovoran za nisko trenje jer odvaja povrine od direktnog kontakta i kontrolirano raste pri porastu optereenja; (c) faktor trenja se sniava s porastom optereenja (AlSI440C nehrajui elik klie po leguri Ni3Al u zraku) radi snienja dodira uslijed hrapavosti povrine i/ili snienja optereenja od mikro- do nanonewton-skog podruja to sniava trenje 1. Odreivanje faktora trenja Podruje tribologije raspolae relativno malim brojem propisanih normi. Kod svih ispitivanja bitno je da sva ispitna tijela imaju istu toplinsku prolost i da su odgovarajue kondicionirani, da se sprijei djelovanje vlage i drugih imbenika okoline, naroito kod polimernih materijala. Prema normi 27 eksperiment kojim se odreuje faktor trenja izvodi se ureajem za mjerenje sile kod kojega je ispitno tijelo privreno na donjoj strani pokretnog nosaa, te klie preko povrine definirane plohe i stvara otpor zbog trenja (Slika 15.). Slika 15. Ispitno tijelo privreno na donjoj strani pokretnog nosaa klie preko povrine definirane plohe i stvara tarni otpor 4. 23Primjer rezultata mjerenja dinamikog trenja i promjene faktora trenja s promjenom sastava povrine polimernih materijala prikazan je na Slici 16. Slika 16. Promjena faktora dinamikog trenja sa sastavom polimerne mjeavine : epoksid + fluoropolimer (12 FPEK) i temperaturom umreivanja (24C; 70C) 28. U navedenom primjeru na Slici 16. kod niih udjela fluoriranog poli(aril-eterketona) (12 FPEK) u smjesi epoksida na nioj temperaturi (24C) dolazi do migracije fluoropolimera na povrinu smjese to snizuje povrinsku napetost mjeavine i mijenja morfologiju povrine te sniava i trenje 28. Pri vioj temperaturi (70C) dolazi do breg ovrivanja kada se bre postie minimum na krivulji viskoznost vrijeme, te je sprijeena migracija fluoropolimera na povrinu, to vodi do porasta trenja koje postupno opada pri vioj koncentraciji fluoropolimera. Moe se zakljuiti da na triboloka svojstva trenja, uz sastav polimerne mjeavine, utjee i toplinska prolost uzorka, odnosno razliita temperatura ovrivanja, to sve uzrokuje promjene povrine uzorka, a time i promjene tribolokih svojstava. Mehanizmi trenja Trenje nije svojstvo materijala nego predstavlja odgovor danog tribo-sustava. Trenje kod klizanja koje nastaje izmeu dva elementa tribosustava ilustrira pravila kod trenja (empirijske zakone) koji vrijede tj. da sila trenja (Ft) djeluje suprotno od smjera relativnog gibanja i kod suhog dodira proporcionalna je normalnom optereenju (FN). Faktor trenja definira se kao omjer sile trenja i normalnog optereenja. Sila trenja ne ovisi o nominalnoj dodirnoj plotini, niti o brzini klizanja. Porijeklo sile trenja opisuje se jedininim dogaajem procesa klizanja od poetka do zavretka dodira jednog para mikroizboina (Slika 17.) 24 Slika 17. Jedinini dogaaj procesa klizanja 2. Sila trenja kod klizanja predstavlja zbroj etiri komponente koje su i same zbroj pojedinanih komponenata koje djeluju na svakom dodiru mikroizboina materijala u kontaktu: Ft = F1 + F2 + F3 + F4 (15) F1 = otpor na elastinu deformaciju (proporcionalan modulima elastinosti tarnog para); F2 = otpor na plastinu deformaciju (ovisi o granicama teenja tarnog para); F3 = otpor na brazdanje (ovisi o duktilnosti tarnog para i brzini relativnog gibanja); F4 = otpor na kidanje adhezijskih veza (ovisi o jaini adhezijskih veza uspostavljenih izmeu materijala tarnog para prikazanih na Slici 18.). Slika 18. Potencijalne adhezijske veze izmeu tarnog para materijala u klizajuem kontaktu2. 25Trenje kod kotrljanja openito je mnogo manje od trenja klizanja, jer uglavnom izostaju komponente sile trenja od brazdanja (F3) i od adhezijskih veza (F4): Ft = F1 + F2 (16) Poveanjem broja prolaza kod kotrljanja smanjuje se sila trenja Ft jer se postupno smanjuje intenzivnost plastine deformacije, te se sila trenja sastoji se samo od otpora elastinim deformacijama i posebno je niska. Usporedba tipinih tribolokih materijala pokazala je da dodirne povrine istih metala i legura posjeduju visoku adheziju zbog jakih metalnih veza te odgovarajue visoko trenje (visoki faktor trenja oko 2 i vie) uz visoko troenje. Keramiki parovi koji se koriste u ekstremnim uvjetima zbog visoke mehanike vrstoe i otpornosti zbog prisutnih jakih kovalentnih i ionskih veza, niskoga plastinog teenja pri sobnoj temperaturi i manje lomljivosti, pokazuju openito niske faktore trenja u usporedbi s metalima. Polimeri, koji su openito neotporni, nie krutosti i vrstoe pokazuju nisko trenje zbog niih interakcija, ali i visoko troenje u usporedbi s keramikom i metalima. To je razlog potrebe koritenja polimernih kompozita koji osiguravaju ravnoteu izmeu dobre mehanike vrstoe, ali i niskog trenja i nieg troenja. Maziva koja se koriste u obliku vrstih tvari ili filmova, suhog praha ili kao ulja (disperzije ili suspenzije) openito snizuju trenje stvarajui tanak film na povrini niske smine vrstoe. Primjena maziva osigurava snienje trenja, kao i zatitu od brazdanja i troenja, ali samo za metale i keramiku, a ne i za polimere, koji u dodiru s njima bubre. Fenomeni trenja Pri prouavanju fenomena trenja treba uzeti u obzir dvije kljune komponente trenja: adheziju i deformaciju 15. Takav pristup odgovara za sve materijale ukljuujui i polimere 22,23. Trenje ukljuuje tri osnovna elementa kao to su meupovrinske veze, tj. njihov tip i vrstou, smicanje i prekid veza izmeu materijala tarnog para, kao i stvarno podruje dodira. Adhezijska komponenta trenja je kontrolirana stvaranjem i prekidom veza izmeu dodirnih povrina na stvarnim tokama kontakta. Kod veine polimera tipino su prisutne van der Waalsove i vodikove veze 24. Smicanje spojeva izmeu povrina djelovanjem tangencijalne sile rezultira silom trenja koja vodi do prekida meupovrinskih veza. Openito, meupovrinski spojevi tj. njihovo stvaranje, rast i prekid pod utjecajem su prirode dodirnih povrina, kemije povrina, kao i naprezanja u povrinskim slojevima pri danim uvjetima optereenja. Tako je podruje izmeu polimernih povrina dva tijela u pokretnom dodiru koje je karakterizirano meupovrinskim spojevima, kao i produktima njihova loma, odnosno visoko deformiranim povrinskim slojevima, definirano i kao 'tree tijelo' 25. 'Tree tijelo' pretpostavlja da polimer ukljuen u proces trenja moe posjedovati svojstva koja se drastino razlikuju od svojstava polimera u masi. 26Tijekom interakcija povrina dolazi do djelovanja privlanih sila, kao i prijenosa mehanike energije. Deformacijska komponenta polimernog trenja, kao drugi izvor sile trenja uz adhezijsku komponentu, pripisuje se deformacijama do kojih dolazi na mjestima dodira (asperities) dviju klizajuih povrina. Na mjestima dodira povrina, dolazi do elastine, plastine ili viskoelastine deformacije, to ovisi o svojstvima pojedinog materijala. Deformacije su praene disipacijom mehanike energije, to ovisi o tipu deformacija, uvjetima klizanja, tarnim materijalima, njihovim mehanikim svojstvima, okolini i drugim imbenicima. Zakljuno o trenju Trenje predstavlja otpor gibanju dva materijala za vrijeme klizanja ili kotrljanja, koje se dogaa kada se vrsto tijelo giba tangencijalno preko drugog tijela s kojim je u kontaktu. Faktor trenja definira se kao omjer sile trenja i normalnog (okomitog) optereenja. Statika sila trenja je tangencijalna sila potrebna da inicira relativno gibanje. Kinetika (dinamika) sila trenja je sila potrebna da zadri relativno gibanje. Faktor statikog trenja je ili vei ili jednak faktoru kinetikog trenja. Amontons dva zakona trenja, predviaju da je sila trenja proporcionalna normalnom optereenju i neovisna o prividnom podruju kontakta. Coulombs trei zakon trenja utvruje da je koeficient kinetikog trenja neovisan o brzini klizanja. Rezultati u praksi potvruju ponaanje materijala u skladu s prva dva zakona trenja , ali ne i s treim zakonom trenja. Faktor trenja nije prirodno svojstvo materijala nego ovisi o uvjetima rada i o uvjetima povrine. Trenje ukljuuje mehanizme rasipanja energije za vrijeme relativnog gibanja; kada su dvije inenjerske povrine dovedene u kontakt, kontakt se dogaa na neravninama (asperity), a optereenje je podrano deformacijama na dodirnim neravninama, gdje se stvaraju odreena mjesta kontakta; bliskost neravnina uzrokuje ili fizikalne ili kemijske interakcije. Trenje nastaje kao posljedica adhezije i deformacija; adhezija ukljuuje sile potrebne za smicanje adhezijskih veza koje se stvaraju na meupovrini u podruju stvarnog kontakta; deformacija ukljuuje u sluaju metala, keramike i dr. tvrdih materijala, sile koje su potrebne za deformaciju neravnina (mikro-skala) i/ili brazdanje i sl. od strane tvreg materijala po mekem materijalu (makro-skala). Adhezija je prisutna u svim kontaktima; stupanj adhezije je funkcija uvjeta na meupovrini. Adhezijska komponenta trenja moe se smanjiti, na pr. snienjem stvarnog podruja kontakta i snienjem vrstoe adhezije (jedna od metoda snienja adhezijske vrstoe je koritenje filmova niske smine vrstoe na meupovrini kao premazi). Deformacijska komponenta trenja je funkcija relativne tvrdoe i hrapavosti povrine, kao i estica od trenja uklopljenih na meupovrini. 27Snienje hrapavosti meupovrine, odabir materijala sline tvrdoe i uklanjanje oneienja, kao i redukcija plastine deformacije snizuje deformacijsku komponentu trenja. Viskoelastini (gumasti) materijali kod deformacija ukljuuju i gubitak energije kao rezultat gubitaka kod elastine histereze, koji povisuju openito nazvanu histerezu trenja. Polimeri (plastike, elastomeri) su materijali niskog trenja ali i niih mehanikih svojstava i stoga se koriste polimerni kompoziti i nanokompoziti u kojima dodatci povisuju mehanika svojstva i zadravaju nie trenje i troenje. Pitanja za ponavljanje: Kako je fenomene trenja definirao Leonardo da Vinci? Koji su empirijski zakoni trenja? Opiite to je trenje klizanjem i trenje kotrljanjem, kako se definira i koje su razlike u sili trenja? Objasnite zato trenje nije svojstvo materijala? Izrazite dijagram ravnotee sila tijela na kosini u ovisnosti o kutu u ? Izrazite faktor statikog trenja u odnosu na kut na kosini u ? Opiite faktor trenja i to utjee na njegovu veliinu i eventualnu promjenu? Kako faktori trenja ovise o povrinama - navedite primjere za metale, keramiku i polimere? Kako se definira otpornost na brazdanje polimernih materijala? Kako se standardno odreuje statiko i dinamiko trenje? Koji su mehanizmi trenja? Opiite mehanizme trenja kod klizanja i utjecaj adhezije i deformacije? Koji su preteni mehanizmi ukljueni kod trenja? Koje su faze jedininog dogaaja procesa klizanja? O emu ovisi i koje su komponente sile trenja kod klizanja? O emu ovisi i koje su komponente sile trenja kod kotrljanja? Kako povrinska oneienja ili tanki filmovi na povrini utjeu na trenje? Koji su fenomeni trenja? Kako trenje ovisi hrapavosti povrine? 28TROENJE Troenje, kao i trenje, nije svojstvo materijala ve predstavlja odgovor danog tribosustava 2 (Slika 3.). Troenje predstavlja oteenje povrine ili odstranjenje materijala s jedne ili s obje strane dviju vrstih povrina koje su u dodiru tijekom gibanja. Djelatni uvjeti trenja utjeu na meupovrinsko troenje u danom tribosustavu 2. U veini sluajeva do troenja dolazi povrinskim interakcijama na neravninama. Svojstva vrstog tijela su promijenjena, barem na povrini ili blizu povrine kada je materijal na povrini istisnut, ali i kada je malo ili nimalo materijala izgubljeno zbog promjena na mikro i nanorazini 1. Posljedice troenja materijala mogu biti potpuno uklanjanje materijala s povrine ili samo premjetanje materijala prema dodirnim povrinama. U sluaju samo prijenosa materijala s jedne na drugu povrinu konani volumen ili gubitak mase na meupovrini je nula, odnosno nema odvajanja materijala kao estice kod troenja. Kako oteenje materijala kod troenja napreduje gubitak materijala raste. Definicija troenja materijala osniva se na gubitku materijala, ali oteenje i bez promjene volumena i mase, takoer predstavlja troenje. U dobro dizajniranim tribolokim sustavima uklanjanje materijala troenjem je vrlo spori proces ali pripremljen i kontinuiran. Djelatni uvjeti trenja utjeu na meupovrinsko troenje. Ponekad se krivo pretpostavlja da meupovrine s visokim trenjem pokazuju i visoke brzine troenja i obratno. Tako npr. meupovrine krutog maziva i polimera pokazuju relativno nisko trenje, ali i relativno visoko troenje, a keramike pokazuju umjereno trenje ali ekstremno nisko troenje itd. Troenje moe biti ili poeljno ili nepoeljno ponaanje materijala. Poeljno troenje predstavlja pisanje olovkom, obrada odvajanjem strugotina, poliranje i struganje, to zahtijeva kontrolirano troenje. Nepoeljno troenje je gotovo u svim strojnim primjenama kao kod leajeva, brtvila, nazubljenih alata i bregastih osovina. Dijelovi trebaju biti zamijenjeni ve nakon to je troenjem uklonjen relativno mali dio materijala ili ako je povrina prekomjerno hrapava. Do troenja dolazi na mehaniki i/ili kemijski nain i openito se troenje ubrzava zagrijavanjem kod trenja. Troenje ukljuuje osnovne fenomene koji svi imaju zajedniko uklanjanje vrstog materijala s povrine. Svrha istraivanja u tribologiji je maksimalno smanjiti i ukloniti gubitke do kojih dolazi zbog trenja i troenja na svim razinama gdje su ukljueni trljanje-poliranje-bruenje-ienje-trenje povrina. Osnovni triboloki elementi ije je poznavanje potrebno za optimalno djelovanje i pouzdanost kod situacija trenja i troenja su hrapavost povrine, mehanizmi adhezije, trenja i troenja, te fizikalnih i kemijskih interakcija maziva i meudjelujuih povrina. Uloga tribolokih elemenata mora biti razumljiva za optimalno djelovanje i dugotrajnu pouzdanost te ekonomsku opravdanost. 29Osnovni mehanizmi troenja Osnovni mehanizmi troenja su: (1) adhezijski; (2) abrazijski; (3) zamor; (4) efekt erozije i sudara; (5) kemijski (ili korozijski); (6) inducirano elektrinim lukom. Svi mehanizmi, osim zamora, pojavljuju se uz postupno odstranjenje materijala. Ne postoje pojedinani mehanizmi troenja prije su to kombinacije adhezijskih, korozijskih ili abrazijskih naina troenja. Troenje se inicira jednim mehanizmom a nastavi nekim drugim mehanizmom i sl. Analiza poputanja materijala je kompleksna - istrauju se komponente poputanja i odreuje se tip mehanizma troenja koji je odgovoran za poputanje primjenom mikroskopa i raznih naprednih analitikih tehnika za istraivanje povrina. 1. Adhezijsko troenje Adhezijsko troenje nastupa kada su dva nominalno ravna vrsta tijela u kontaktu klizanjem, bez ili sa podmazivanjem, gdje je kljuna adhezija (ili meusobno spajanje). Adhezija uslijed smicanja pojavljuje se na neravninama u kontaktu na meupovrini. Adhezijsko troenje nastupa kada se neravnine - izboine koje su uslijed klizanja u kontaktu smiu, to moe rezultirati odvajanjem dijelova s jedne i dodatno naljepljivanjem dijelova jedne povrine na drugu povrinu. Kako napreduje klizanje preneseni fragmenti mogu otpasti s povrine na koju su preneseni i biti preneseni natrag na originalnu povrinu, ili se mogu formirati estice troenja. Neke estice troenja su slomljene procesom zamora, za vrijeme ponovljenih optereenja i rastereenja to konano rezultira odvajanjem estica i kao posljedica gubitkom mase tijekom adhezijskog troenja. Odvajanje dijelova estica od materijala adhezijskim troenjem pretpostavlja nekoliko mehanizama troenja do kojih dolazi u najslabijem podruju na slijedei nain: transfer fragmenata izmeu blokova; plastino smicanje i stvaranje pukotina du kojih se odvajaju fragmenti; kemijska promjena fragmenata koji se odvajaju s velikom povrinom koja oksidira i snizuje adhezijsku vrstou; uklanjanje estica nakon prekida adhezijskih veza. Volumen adhezijskog troenja (v ) proporcionalan je primijenjenom optereenju (W ili FN ) i udaljenosti kod klizanja (x) i openito je obrnuto proporcionalna tvrdoi (H) povrine s primarno plastinim kontaktom, koja se troi: (17) gdje je k bezdimenzijska konstanta troenja koja ovisi o materijalima u kontaktu i o njihovoj istoi. Brzina troenja openito opada s porastom tvrdoe za danu kombinaciju materijala s primarno plastinim kontaktom. Shematski prikaz mogunosti adhezijskog poputanja do loma 1 i 2 za vrijeme smicanja meupovrine prikazan je na Slici 19. HkWxv = 30 Slika 19. Prikaz adhezijskog poputanja Mogunost dekohezije odreenog volumena materijala i/ili stvaranje estica kod troenja (volumen troenja) raste sa svakom interakcijom na neravninama, odnosno raste s stvarnim podrujem kontakta, Ar (Ar = W / H) za plastine kontakte, kao i s porastom udaljenosti kod klizanja (x), ali opada s porastom tvrdoe (jedn.17). Jednadba adhezijskog troenja za elastini kontakt do kojeg dolazi na vrlo glatkim povrinama ilustrira da volumen potroenog materijala (v) takoer raste s primijenjenim optereenjem (W) i udaljenosti kod klizanja (x), ali opada s porastom hrapavosti i modula elastinosti (jedn. 18): (18) gdje je E* efektivni modul elastinosti, (o / |*) je hrapavost povrine definirana omjerom o, kao standardna devijacija povrinskih uzvienja (surface height) i |*, kao njihove odgovarajue duljine. Bezdimenzijska konstanta troenja (k) definira dani klizajui-habajui sistem (Tablica 2). Tablica 2. Tipine vrijednosti konstante troenja (k) parova materijala i utjecaj stupnja podmazivanja (degree of lubrication) 1. ___________________________________________________________________________ Metal na metal, k (x 10-6) Nemetal na metal, k (x 10-6) Povrina Slini Razliiti ___________________________________________________________________________ ista (bez podmaz.) 1500 15-500 1.5 Slabo podmazana 300 3-100 1.5 Prosjeno podmazana 30 0,3-10 0,3 Odlino podmazana 1 0,03-0,3 0,03 ____________________________________________________________________ Adhezijsko troenje rezultat je smicanja spojeva koji nastaju prilikom trenja (friction junction). Osnovni mehanizam troenja je adhezija koja predstavlja vanu komponentu trenja. Adhezijski proces troenja ukljuuje stvaranje adhezijskih veza, njihov rast kao i prekid kada se prenosi materijal s jedne povrine na drugu 15. Pri tome je vano ponoviti da je troenje obino rezultat ne samo jednog mehanizma ve kombinacije raznih mehanizama. ( )* *,/ | o EWx kv = 312. Abrazijsko troenje Abrazijsko troenje bruenjem (abrasive wear) nastaje kada neravnine hrapave tvrde povrine ili tvrde estice klize po mekoj povrini i oteuju povrinu pomou plastine deformacije ili loma. Abrazija je troenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdim izboinama (Slika 20.). Mehanizmi adhezijskog i abrazijskog troenja djelotvorni su za vrijeme direktnog fizikog kontakta izmeu dviju povrina. Ako su povrine odvojene kapljevitim filmom (iskljuene su abrazijske estice) ti mehanizmi troenja ne djeluju. Kod abrazijskog troenja u veini situacija dolazi do grebanja i opaaju se brazde (scratching) na mekoj povrini, koje se vide kao serije utora-ljebova (groove) paralelnih s smjerom klizanja. Termini koji se koriste za abrazijsko troenje su grebanje ( scratching), zarezivanje (scoring) s pomou dijetla (gouging) ovisno o stupnju djelovanja na povrinu. Jednadba za adhezijsko troenje takoer moe pokriti i iroko podruje abrazijskih situacija: (19) gdje je kabr bezdimenzijska konstanta abrazijskog troenja za dani sustav, koja ukljuuje i geometriju neravnina odnosno hrapavost povrine. Slika 20. Shematski prikaz abrazijskog troenja: (a) hrapava, tvrda povrina ili povrina s abrazijskim iljcima za grebanje klizi po mekoj povrini (operacije bruenja, rezanja); (b) slobodni abrazijski ljunak s iljcima koji je smjeten izmeu povrina od kojih je barem jedna meka od abrazijskog ljunka (operacije poliranja). Utjecaj hrapavosti na volumen abrazijskog troenja vrlo je izrazit. U uvjetima elastinog kontakta stvarnih povrina u dodiru abrazijsko troenje opada s porastom hrapavosti povrine. U uvjetima plastinog kontakta brzina abrazijskog troenja raste s hrapavou povrine. HWx kvabr= 32Brzina abrazijskog troenja mijenja se kao funkcija brzine klizanja i veliine estica abrazijskog papira. Brzina abrazijskog troenja esto je vrlo velika dva do tri reda veliine vea od adhezijskog troenja. Eksperimenti pokazuju da je brzina troenja sustava s dva tijela openito obrnuto proporcionalna tvrdoi i da je proporcionalna normalnom optereenju i udaljenosti kod klizanja za mnoge iste metale; svojstva legura puno su kompleksnija. 3. Troenje zamorom Zamor povrine i potpovrina (dubinska povrina) uoen je za vrijeme ciklikih promjena naprezanja: ponovljenog kotrljanja (rolling) odnosno ponovljenog klizanja (sliding). Ponovljeni ciklusi optereenja i rastereenja kojima se materijal podvrgava mogu izazvati stvaranje potpovrine ili povrinskih pukotina, koje na kraju, nakon kritinog broja ciklusa, mogu rezultirati u prekidu povrine i stvaranju velikih fragmenata, ostavljajui velike jame (pits pitting). Prije te kritine toke nakon vie ciklusa dolazi do zanemarivog troenja, to je suprotno od mehanizama troenja uzrokovanog adhezijskim ili abrazijskim troenjem, gdje troenje izaziva postupnu istroenost (deterioration) od poetka kretanja. Koliina materijala koja se ukloni kod troenja zamorom nije korisni parametar za procjenu. Relevantniji faktor za procjenu troenja zamorom je broj ciklusa ili vrijeme (useful life) prije nego se dogodi poputanje zamorom (fatigue failure, fatigue life ) (ISO/R 472), izraen kao vijek trajanja/dinamika izdrljivost. Mehanizam zamora operativan je na meupovrini. Povrine u kontaktu (mating) doivljavaju velika naprezanja koja se prenose na meupovrinu. Maksimum tlanih naprezanja javlja se na povrini a maksimum sminih naprezanja javlja se na nekoj udaljenosti od povrine. Kemijski potpomognute deformacije i lom rezultiraju u porastu troenja povrinskih slojeva u statikim i dinamikim uvjetima kotrljanja i klizanja (rolling and sliding). Kemijski potpomognut rast pukotina (najee kod keramike) uobiajeno se oznaava kao statiki zamor. U prisustvu dodatnih rasteznih naprezanja i vodene pare kod pukotine u keramici brzo dolazi do pucanja veza, to povisuje brzinu stvaranja pukotina i ubrzava troenje zamorom. Rast pukotina potpomognut vlagom predstavlja statiki zamor. Silika staklo npr. reagira u okolini gdje djeluje voda (Slika 21) 1: (H O H) + ( Si O Si ) ( Si OH HO Si ) (20) Vrijeme do poputanja uslijed zamora ovisno je o amplitudi sminih naprezanja, uvjetima podmazivanja meupovrine, i svojstvima zamora materijala koji se kliu jedan po drugome. Statiki zamor ovisi o naprezanju. Male pukotine postepeno se poveavaju i do poputanja dolazi kada su pukotine dovoljno duge da zadovolje Griffith-ove kriterije za lom, tj. do poputanja dolazi na najslabijem mjestu u strukturi - pukotini duljine l, gdje produkt modula E i energije loma G ima najniu vrijednost: 33 of = k (E . G / l )1/2 (21) Rast pukotina moe se predoiti kao: (1) polagano gibanje pukotina zbog kemijskog djelovanja na pukotinu; (2) kritino gibanje pukotina inicira se kada je pukotina dovoljno duga da zadovolji kriterije Griffith-ove jednadbe, koji vode do poputanja i loma (jedn. 21). Slika 21. Rast pukotina zbog hidrolize silika stakla 1. Molekule vode hidroliziraju veze siloksan mostova na pukotini i stvaraju dvije terminalne siloksanske grupe: (a) du meupovrine stvara se tip krhke pukotine; (b) pucanje veze u silika staklu uzrokovano vodom (oznake -krugovi: O= veliki, Si= srednji, H= mali, vrste iz okoline = crni). Definiranje troenja Troenje materijala moe se definirati kao neeljeni gubitak krutog materijala s krutih povrina koji nastaje zbog mehanikih interakcija 3. Obino se troenje kvantificira odreivanjem specifine brzine troenja (specific wear rate), sp, mjerenjem volumetrijskog gubitka uzorka (Vloss) pri primijenjenoj sili (F) i putu klizanja (D) 4: sp = Vloss / (F . D) (22) Standardna mjerenja troenja raznih materijala u uvjetima abrazije koja se provode prema normi ASTM G 65-85 trebaju dati mjerljive rezultate promjene mase to ovisi o danom sastavu odabranih uzoraka. Troenje metala i legura isti metali i legure u vrstom kontaktu pokazuju visoku adheziju i odgovarajue visoko trenje i troenje. Najmanja oneienja smanjuju kontakt ili stvaraju kemijske (oksidirane) filmove koji snizuju adheziju, to rezultira snienjem trenja i troenja (Slika 13 i 14 c). Metalurka kompatibilnost odreuje brzinu troenja danog metalnog para; openito troenje legura je nie od troenja istih komponenata. 34elici su najee koriteni za strukturne i triboloke primjene; ovisno o kemijskoj kompoziciji (postotak legurnih komponenata i ugljika) i obradi, mogu se dobiti razne mikrostrukture i fizikalna svojstva, kao i odgovarajue trenje i troenje (Tablica 3). Tablica 3. Otpornost na troenje raznih metalnih mikrostruktura ___________________________________________________________________________ Metalni par Tvrdoa (kg/mm2) Konstanta troenja, k (x10-4) elik elik 217 70 Kadmij Kadmij 20 57 Platina Platina 138 130 ___________________________________________________________________________ Troenje keramike Poznato je da je keramika vrlo krhka pa i plitko brazdanje moe biti popraeno deformacijom koja vodi do loma. Upravo je zbog toga pri analizi troenja alata, postupaka podmazivanja i sl. u industrijskim procesima obrade odvajanjem estica metalnim i keramikim alatima vana tribologija keramike 10,11. Keramike pokazuju visoku mehaniku vrstou, otporne su na korozijska djelovanja okoline, te se i koriste u ekstremnim uvjetima visokog optereenja, visokih ubrzanja, visokih temperatura i korozije. Visoka mehanika svojstva rezultiraju u vrlo malom stvarnom podruju kontakta odgovornim za vrlo nisko trenje i relativno nisko troenje (Tablica 4). Faktori trenja i brzina troenja keramikih parova imaju nie vrijednosti u odnosu na iste metale. Keramiki materijali pokazuju samo ogranieno plastino teenje na sobnoj temperaturi i puno manju duktilnost-razvlaivost nego metali; ilavost keramike kod loma je vano svojstvo kod troenja. Tablica 4. Abrazijske konstante troenja keramikih parova 1. ________________________________________________________ Materijal k ( x 10-3) ________________________________________________________ SiC 1,1 B4C 5,5 Si3N4 43 ________________________________________________________ Troenje polimernih materijala Sve vea primjena polimernih materijala zahtijeva poznavanje i njihovih tribolokih svojstava trenja i troenja jer se ona znatno razlikuju od daleko bolje istraenih i poznatih tribolokih svojstava metala, pa i keramike (3). Polimerni materijali ukljuuju plastiku i elastomere. Polimeri openito pokazuju nisko trenje kada se usporede s parovima metala i keramike, ali pokazuju umjereno troenje. 35Polimerni materijali u tribolokoj primjeni koje se najee koriste su politetrafluoretilen (PTFE), acetalna plastika (polioksimetilenska plastika), polietilen visoke gustoe (PE-HD), poliamidna plastika (najlon), poli(amid-imid) (PAI), poliimid (PI), polifenilen sulfid itd. Elastomeri u tribolokoj primjeni koji se najee koriste su prirodni kauuk (NR) i sintetski kauuk, butadien/akrilonitrilni kauuk (Buna-N) ili nitrilni kauuk, stiren/butadienski kauuk (SBR) i silikonski kauuk. Polimerni kompoziti u tribolokoj primjeni koji se koriste radi poeljnih mehanikih i tribolokih svojstava impregnirani su openito s vlaknima ugljikovog grafita ili stakla, ili prakom grafita, MoS2, bronce i PTFE. Prevladavajui mehanizmi troenja kod polimera su adhezijski, abrazijski i zamor. Troenje mnogih polimera dogaa se prvo transferom polimera na tvru povrinu koja je u paru i zatim uklanjanjem estica troenja. Preteni mehanizam troenja polimera ovisi o hrapavosti i tvrdoi povrine. Ako su povrine para materijala koje se meusobno habaju (matting surfaces) glatke, troenje se primarno javlja radi adhezije izmeu povrina. Kod klizanja polimera nasuprot hrapavim povrinama u paru dominantan je abrazijski mehanizam. Kod tvrih polimera kao to su mnogi duromeri (thermoset) koji se kliu uzdu glatkih povrina, vaan mehanizan troenja je zamor. Deformacija neravnina u polimerima primarno je elastina i troenje zbog zamora rezultira stvaranjem pukotina (crack) koje se povezuju s predominantnom elastinom deformacijom. estice troenja stvaraju se irenjem i presjecanjem pukotina. Polimeri lako teku (flow) kod umjerenih pritisaka i temperatura. Polimeri i polimerni kompoziti koriste kod relativno niskih optereenja, brzina i temperatura, znatno niih nego u sluaju metala i keramika. Polimeri openito imaju nisku toplinsku vodljivost. Tijekom klizanja povrina polimera stvaraju se visoke temperatura na meupovrini koje su ovisne o uvjetima. Uvjeti koji utjeu na porast temperature kod trenja i troenja polimera su normalni pritisak (Pressure) i brzina klizanja (Velocity) (PV). Polimeri i vrsta sredstva za podmazivanje klasificiraju se na osnovi PV limita (Tablica 5.) Tablica 5. Klizanje nepunjene i punjene plastike na eliku u suhim uvjetima 1. ___________________________________________________________________________ Materijal PV limit na 22oC Maksimum Konstanta troenja Faktor MPa m/s radne temp. (x 10-7 mm3/ Nm) trenja (oC) PTFE (nepunjen) 0,06 (0,5) 110-150 4000 0,05-0,1 PTFE (+stakl.vlakna) 0,35 (0,05-5,0) 200 1,19 0,1-0,25 PTFE (+grafit.vlakna) 1,05 (5,0) 200 - 0,1 Poliamid 0,14 (0,5) 110 38,0 0,2-0,4 Poliamid (+grafit) 0,14 (0,5) 150 3,0 0,1-0,25 Poliimid 3,50(0,5) 315 30,0 0,15-0,3 Poliimid (+grafit) 3,50(0,5) 315 5,0 0,1-0,3 Epoksid (+staklo) 1,75(0,5) 260 - 0,3-0,5 ___________________________________________________________________________ 36Iznad PV limita polimeri se ponu taliti na meupovrini ak i na sobnoj temperaturi i troenje brzo raste. PV limiti elastomera nii su nego limiti za plastiku. PV vrijednosti za polimere u uvjetima podmazivanja (ulje ili voda) mogu biti za red veliine vei nego u suhim uvjetima. Tekui medij uklanja toplinu trenja s meupovrine i tako dozvoljava operacije kod kojih dolazi do trenja kod viih PV uvjeta. Svojstva polimera mogu se krojiti za specifine zahtjeve pomou dodataka punila i ojaavala. Mehanika i samo-podmazujua svojstva polimera mogu se dalje poboljati mijeanjem s punilima u obliku vlakana, praka i kapljevina. Dodatak punila daje mogunost koritenja polimera na visokim PV ogranienjima (PV limits) usporedivo s mekim metalima. PV limiti opisuju granicu mogue primjene polimera u uvjetima trenja i troenja, jer iznad te granice polimeri nisu upotrebljivi jer im se povisuje temperatura na meupovrini prilikom trenja, to ovisi o PV uvjetima trenja tj. normalnom pritisku (Pressure) i brzini klizanja (Velocity) kod trenja. Polimeri imaju visoku toleranciju na abrazijske estice (embeddability), elastinost u raspodjeli naprezanja (resilience), spreavaju npr. zaglavljivanje kalupa (seizure). Polimeri su neosjetljivi na koroziju, u odnosu na metale, ali reagiraju s tekuinama bubre i snizuju se mehanika svojstva. Polimeri se koriste takoer kao aditivi u nepolimernim vrstim tvarima i tekuim sredstvima za podmazivanje, radi svojstava niskog trenja. U polimernim kompozitima orijentacija vlakana utjee na brzinu troenja. Npr. faktor trenja i brzina troenja polimera nii su kada su vlakna orjentirana normalno prema povrini klizanja. Punila kao staklo ili ugljik mogu biti tvri od povrine metala (na pr. aluminija) i uzrokovati oteenja te se treba uzeti u obzir tvrdoa metalne povrine kao i mogua abrazija metalne povrine kao posljedica djelovanja punila u polimeru. Hrapavost povrine metala kao para kao i orijentacija u odnosu na smjer klizanja ima znaajan utjecaj na porast brzine troenja. Suprotno tome hrapavija povrina polimera rezultira u stvaranju debljeg filma prijenosa koji je odgovoran za nie trenje i troenje. Djelovanje okoline (plinovi i vlaga) utjee na mehanika svojstva i trenje i troenje polimera. Npr. brzina troenja PTFE kompozita (koji klie du eljeza na 70oC kao funkcija koncentracije vode u raznim uvjetima okoline), opada s porastom vlage i 1000x je nia u duiku u usporedbi s djelovanjem kisika i zraka. (Slika 22). 37 Slika 22. Ovisnost brzine troenja polimera PTFE o uvjetima okoline 1. Ispitivanje troenja polimernih materijala Definicija troenja podrazumijeva da se troenje moe jednostavno odrediti iz volumena (ili iz mase) krhotina (debris), odnosno produkata troenja (wear particles), koji se odvajaju od ispitka tijekom troenja. Standardna metoda ASTM G 65-85 ne moe meutim dati pouzdane rezultate jer koliina krhotina ovisi o relativnoj brzini gibanja dviju povrina u dodiru. Dio energije gibanja pretvara se u toplinu trenja pri klizanju ili kotrljanju povrina tarnog para. to je vea brzina, stvara se vie topline, te pokusi potrebni za odreivanje faktora trenja nisu izotermalni 4. Temperatura ispitivanja izravno utjee na troenje polimera. Rezultati su pokazali da brojni polimeri pri klizanju u dodiru s elikom prolaze minimum pri karakteristinoj temperaturi 44. U skladu sa specifinim toplinskim kapacitetom tarnog para, ista relativna brzina rezultirati e razliitim porastom temperature kod razliitih polimera. Stoga i uz konstantnu brzinu gibanja tijekom ispitivanja troenja rezultati mogu biti besmisleni. Tijekom ispitivanja kod nekih polimera temperatura ispitnog tijela poraste iznad njegova staklita (Tg ), dok kod drugih ostaje ispod staklita. Stoga usporedba mase produkata troenja nastalih tijekom ispitivanja nema smisla, te danas jo nema ope prihvaene ispitne metode za odreivanje troenja polimera i polimernih materijala 4. Moe se provesti ispitivanje troenja polimernih materijala viestrukim brazdanjem du istih udubina primjenom definiranog ispitivanja prikazanog na Slici 23. 4,32. 38 Slika 23. Ispitivalica brazdanja povrine polimera 4,32. Navedeno ispitivanje prua mogunost odreivanja troenja kod klizanja (sliding wear). To je mnogo pouzdanija metoda od odreivanja abrazijskog troenja ali dobiveni rezultati viestrukim brazdanjem nisu ekvivalentni rezultatima abrazijskog troenja 6. Odreivanje otpornosti na brazdanje polimernih materijala Otpornost na brazdanje (scratch resistance) jedan je od najvanijih parametara odreivanja trajnosti povrine polimernih materijala. Ispitna metoda brazdanja koja je originalno zamiljena za mjerenje adhezije tankih tvrdih filmova 29,30 nadopunjena je prijedlogom prvog modela fenomena brazdanja, koji meutim nije ukljuio i ponaanje tvrdih premaza 31. Openito se ispitna metoda brazdanja temelji na deformiranju povrine prevlaenjem preko povrine pokretnog tvrdog iljka pod optereenjem, koje moe biti ili konstantno, ili kontinuirano rasti ili stupnjevito rasti 4. Ispitna metoda brazdanja ukljuuje brazdanje povrine ispitka i mjerenje dubine brazda, odnosno ureza (depth of groove) nastalih pri brazdanju, uz zvuni detektor koji prikazuje promjene faza na povrini. Ispitivanja se provode mjernim instrumentom ispitivalicom brazdanja (Micro Scratch Tester, CSM Instruments) prikazanim na Slici 23. Rezultati ispitivanja brazdanja izraavaju trenutanu dubinu prodiranja (penetration depth), Rp, i preostalu dubinu (residual depth) nakon oporavka (healing), Rh . Polimeri su viskoelastini materijali koji se stoga mogu oporaviti, ili zacijeljeti nakon brazdanja, ime se podie dno utora (lijeba) do konane dubine, Rh. Definira se iznos zacjeljenja ili oporavka (the amount of healing or recovery), AR, koji predstavlja razliku dviju dubina brazdanja 4: AR = Rp Rh (23) kao i postotak oporavka (percentage recovery), f , zbog viskoelastinosti polimera, koji se izraunava iz (relativno velikog) AR 33,34: f = |(Rp Rh) . 100%| / Rp (24) Primjena signala akustine emisije pri ispitivanju brazdanja (Slika 22.) omoguuje odreivanje kritinog naprezanja kada dolazi do prvog oteenja filma premaza na danom supstratu. 39Primjer rezultata ispitivanja brazdanja 34 serije uzoraka epoksid + fluoropolimer (12 FPEK) prikazan je na Slici 24. Slika 24. Dubina prodiranja i preostala dubina prodiranja nakon oporavka kod vie primijenjenih sila (2,4,6,8,10,12 N) kao funkcija sastava polimerne mjeavine epoksid + fluoropolimer (12 FPEK) pri temperaturi ovrivanja 24C 32,34, za uzorke istog sastava kao na prikazanim rezultatima dinamikog trenja (Slika 16.). Navedeni primjer za uzorke istog sastava, pokazuje da je mogue postii istodobno nii faktor trenja (Slika 16) i viu otpornost na brazdanje, koja je obiljeena niom dubinom prodiranja za navedeni optimalni sastav mjeavine (Slika 24), s malim udjelom fluoropolimera na povrini pri nioj temperaturi ovrivanja, koji u danim optimalnim uvjetima migrira na povrinu i poboljava triboloka svojstva mjeavine 4,28,32. 4. Klizno troenje i deformacijsko ovrivanje polimera Prvi primjer otkria fenomena deformacijskog ovrivanja (strain hardening) kod kliznog troenja poliestera otkriven je 2004. godine 45. Pokazalo se da nakon porasta preostale dubine prodiranja s porastom broja ispitivanja brazdanja kod kliznog troenja, dolazi do ravnotee kod izvjesnog broja brazdanja kada vie nema promjena preostale dubine prodiranja, tj. dostie se konstantna dubina prodiranja (Slika 25.). Oporavak nakon brazdanja (scratch recovery) kao konano zacjeljenje (final healing) koje se oituje u postizanju konstantne vrijednosti dubine i dostizanje zaravanka nakon viestrukog brazdanja poznat je kao deformacijsko ovrivanje (strain hardening) i objanjen je stvaranjem vie sreene faze 4. Kod veine polimera nakon odreenog broja brazdanja, dostie se konstantna dubina brazdanja. Postoje polimeri koji ne slijede to ponaanje kao to je to u ispitivanjima pokazao polistiren (PS) 6, to je povezano s njegovom krhkosti. 40 Slika 25. Primjer odreivanja troenja odabranog poliestera s pomou viestrukog brazdanja mjerenjem preostale dubine brazdanja, Rh, kao funkcije broja brazdanja pri nekoliko konstantnih razina sile 32,45. Rezultati viestrukog brazdanja podsjeaju na ponaanje polimera kod zamora (fatigue) 46,47 gdje relativno malo ali viestruko optereenje vodi konano do loma. Slika 25. ilustrira da uzastopno brazdanje postupno smanjuje dubinu brazde i vodi do dubine koja se vie ne mijenja s brojem brazdanja. Pretpostavljeno je da taj fenomen podsjea na ovrivanje, gdje dno udubine nakon viestrukog brazdanja predstavlja materijal visoke kohezije (high cohesion material). Nova definicija troenja polimernih materijala Predloena je nova definicija troenja, gdje je mjera troenja W(F) za danu geometriju iljka (intender) odreuje prilikom ispitivanja brazdanjem polimera, pri propisanoj brzini ispitivanja i sili ispitivanja, (F), pri 25oC ili na nekoj drugoj temperaturi 4: ( ) = lim ( )hnW F R F (25) gdje je: Rh preostala (oporavljena) dubina, n = broj brazdanja du utora. U praksi eksperiment viestrukog brazdanja treba prestati kada vie nema promjena (Slika 25.). Prestanak ispitivanja definira se kada je vrijednost [Rh (n + 1) Rh (n)]/ Rh (n) manja od 1 (tipino nakon oko 15 ispitivanja) 45. Postojanje asimptote za velika optereenja znai da je konana veliina troenja, W, neovisna o broju brazdi i optereenju: = lim ( )nW W F (26) Primjer rezultata ispitivanja asimptotske preostale dubine, Rh , nakon viestrukog brazdanja pod istim optereenjem, iznosi 88 m za PTFE u usporedbi s 43 m za PP, dobro ilustrira razlike u tribolokim svojstvima, kao i slabu otpornost PTFE (Teflon) na troenje 4. Praksa potvruje da PTFE kao materijal za posue ima odgovarajue nisko trenje, ali ga karakterizira vrlo slaba otpornost na brazdanje te stoga pokazuje veliku zaostalu dubinu nakon viestrukog brazdanja. Oekuje se da materijal koji pokazuje nie trenje pokazuje takoer i nie troenje i obratno, to nije uvijek sluaj. 41Takoer je upitna veza izmeu rezultata ispitivanja tvrdoe polimera i troenja povrine zbog razliitosti ispitivanja koji mjere tvrdou povrine polimera 47. Tako rezultati mogu pokazati da tvri materijal pokazuje manje troenje, to je oekivano, ali i obratno 4. Moe se zakljuiti temeljem pregleda relevantne literature 48 postojanje velikog interesa svekolike javnosti za polimere i njihovu primjenu u industriji kao zamjeni za metalne i druge materijale zbog mogunosti stvaranja nove i promjene njihove strukture koja vodi do poboljanja mehanikih i drugih svojstava, ukljuujui i triboloka svojstva. Osnovni problemi ire primjene polimera je izrazita ovisnost njihovih svojstava o temperaturi, kao i niska toplinska provodnost, sklonost puzanju i osjetljivost na djelovanje okoline. Triboloka svojstva polimera uz razliiti sastav ispitivanog materijala ovise i o njegovoj toplinskoj prolosti kao to je razliita temperatura ovrivanja. Sve to utjee na promjene povrine ispitnog tijela, a time i na promjene tribolokih svojstava polimernih materijala. Daljnji napredak u podruju odreivanja tribolokih svojstava polimera, njihovih kompozita i mjeavina mogu je rjeenjem veza izmeu faktora trenja i mehanizama troenja radnih povrina triboparova. Potrebno je prouavanje i ciljano djelovanje na povrinsku strukturu slojeva na molekulnoj razini, koje ukljuuje specifina svojstva viskoelastinosti i krhkosti, uz definirane metode mjerenja brazdanjem povrine polimera. Mehanizmi troenja polimernih materijala U veini sluajeva kljune su etiri vrste troenja: abrazijsko, adhezijsko, troenje zbog zamora materijala i troenje zbog kemijskih promjena u krajnjem graninom sloju (tribokemijsko troenje). Za polimere je posebno zanimljivo abrazijsko troenje. Osnova abrazijskog troenja je rezanje (cutting) i brazdanje (plowing) povrine tvrim esticama ili izboinama na povrini 15. Toke troenja su ili ukljuene u odgovarajuu povrinu, kao kod sluaja dvostrane (two-body) abrazije, ili se gube unutar dodirne zone, kao kod sluaja trostrane (three-body) abrazije. Temeljem eksperimentalnih rezultata potvreno je da je abrazijsko troenje polimera proporcionalno relaciji: 1/ou cu, (27) gdje je: ou prekidno rastezno naprezanje, a cu prekidno istezanje. Navedenu ovisnost otkrili su Lancaster i Ratner-a, te se esto navodi pod njihovim imenima 44. Rezultati ispitivanja potvrdili su da koeficijent trenja raste s omjerom 1/ou cu, ovisno o tipu polimera u slijedu od onog s najniim trenjem polietilena niske gustoe (PE-LD) i poliamida (PA66), malo vieg trenja poli(tetrafluoretilena) (PTFE), polipropilena (PP) i poli(oksimetilena) (POM), sve do onih polimera visokog trenja poli(metil-metakrilata) (PMMA) i polistirena (PS) 15. 42Zakljuno o troenju Troenje predstavlja oteenje povrine ili uklanjanje materijala s jedne ili s obadvije povrine koje se gibaju jedna prema drugoj klizanjem, valjanjem ili udarom. Definicija troenja openito se bazira na gubitku materijala s jedne ili obje povrine para materijala kod trenja. Troenje u sluaju trenja nije inherentno svojstvo materijala ve ovisi o operativnim uvjetima i uvjetima povrine. Brzina troenja nije nuno vezana uz trenje. Otpornost na troenje para materijala openito se klasificira kao bezdimenzijski parametar faktor troenja ili kao volumen troenja po jedinici optereenja po jedinici udaljenosti klizanja. Troenje nastaje na mehaniki ili kemijski nain i openito se ubrzava toplinom trenja. Osnovni mehanizmi ukljuuju razna troenja : (1) adhezijsko; (2) abrazijsko; (3) zamor; (4) udar kod erozije i sudara; (5) kemijsko i (6) troenje inducirano elektrinim lukom. Troenje kod svih mehanizama, osim mehanizma zamora izaziva postupno uklanjanje materijala. U mnogo sluajeva troenje zapoinje jednim mehanizmom i nastavlja se drugim mehanizmom, to komplicira analizu poputanja. Adhezijsko poputanje javlja se zbog adhezije neravnina u kontaktu na meupovrini. Za vrijeme klizanja neravnine na povrini podvrgnute su plastinoj deformaciji i/ili lomu. Volumen troenja koji se odnosi na primarnu elastinu deformaciju proporcionalan je normaln