Sveučilište u Zagrebu - FSBrepozitorij.fsb.hr/2647/1/28_02_2014_Sucur_Nada-Trosenje_klipnjace... · je tribologija znanstveno-stručna disciplina koja se sveobuhvatno bavi problemima

Sveuilite u Zagrebu

Fakultet strojarstva i brodogradnje

ZAVRNI RAD

Voditelj rada:

Doc.dr.sc. Suzana Jakovljevi Nada uur

Zagreb, 2014.

Sveuilite u Zagrebu

Fakultet strojarstva i brodogradnje

ZAVRNI RAD

Nada uur

Zagreb, 2014.

SAETAK

Troenje je postupni gubitak materijala s povrine krutog tijela uslijed dinamikog dodira s

drugim krutim tijelom, fluidom i/ili esticama i prisutno je u mnogim obradbenim procesima i

konstrukcijama. U radu su opisani razliiti mehanizmi troenja, te su na primjeru klipnjae

koljenastog vratila dvotaktnog motora s vanjskim paljenjem definirani mehanizmi troenja koji

se javljaju u njegovom radu. U sklopu eksperimentalnog dijela izvrena je SEM analiza tragova

troenja na klipnjai, analiza kemijskog sastava i ispitivanja tvrdoe.

Izjava studenta

Izjavljujem da sam zavrni rad izradila samostalno i da odgovaram za sve to je u njemu

napisano. Ovom prilikom bi se htjela mnogo zahvaliti svojoj mentorici doc.dr.sc. Suzani

Jakovljevi na strpljenju, izdvojenom vremenu za pomo, te poticanju na rad i podrci.

Nada uur

SADRAJ

I. POPIS SLIKA..I

II. POPIS TABLICA..IV

III. POPIS OZNAKA .V

1. UVOD - TRIBOLOGIJA..1

2. POVRINE I NJIHOV DODIR ..3

2.1. Konformni (povrinski) dodir ..4

2.2. Nekonformni (koncentrirani) dodir 5

2.3. Tribosustav 6

3. TRENJE I TROENJE ...7

3.1. Procesi trenja 7

3.1.1. Vrste trenja ...7

3.1.2. Trenje klizanja ..8

3.1.1. Trenje kotrljanja ...9

3.2. Mehanizmi troenja ...11

3.2.1. Abrazijsko troenje 11

3.2.2. Adhezijsko troenje 16

3.2.3. Umor povrine 19

3.2.4. Erozijsko troenje ..21

3.2.5. Tribokorozija .22

3.2.6. Djelovanje mehanizama troenja .23

3.2.7. Triboloke mjere 24

4. MOTOR25

4.1. Princip rada dvotaktnog motora26

4.2. Dieselov proces 28

4.3. Ottov proces 29

4.4. Bitne karakteristike 30

5. EKSPERIMENTALNI DIO ...32

5.1. Kemijski sastav i mikrostruktura ......33

5.2. Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) i EDS..35

5.3. Ispitivanje tvrdoe ..41

6. ZAKLJUAK .43

7. LITERATURA 44

I

I. POPIS SLIKA

Slika 1. Povijesni pronalazak vatre [2] 1

Slika 2. Transport kamenih blokova u drevnom Egiptu [3] ...................1

Slika 3. Osnovne vrste odstupanja povrine: a) neparalelnost, b) valovitost, c)izbrazdanost, d)

hrapavost, e) rezultantna realna povrina [4] ..3

Slika 4. Shematski prikaz struktura povrine po dubini [4] 4

Slika 5. Konformni dodir [4] ...5

Slika 6. Hertz-ov dodir dviju kugli [4] 5

Slika 7. Shema jednostavnog tribosustava (jedan tribopar) [4] ..6

Slika 8. Trenje klizanja [4] ..8

Slika 9. Jedinini dogaaj procesa klizanja [4] ...9

Slika 10. Trenje kotrljanja [4] ..9

Slika 11. Abrazija jedinini dogaaj [4] ...11

Slika 12. Abrazija u dodiru dva tijela [4] .12

Slika 13. Abrazija u dodiru tri tijela [4] ...12

Slika 14. Mikrobrazdanje [4] 13

Slika 15. Mikrorezanje [4] 13

Slika 16. Mikronaprsnua [4] ...13

Slika 17. Mikroumor [4] ..14

Slika 18. ista abrazija [4] 14

Slika 19. Izgled povrine ista [5] ..14

Slika 20. Selektivna abrazija [4] ...15

Slika 21. Izgled povrine selektivna [5] 15

Slika 22. Nulta abrazija [4] ...15

Slika 23. Izgled povrine nulta [5] .15

II

Slika 24. Jedinini dogaaj adhezije [4]..16

Slika 25. Povrina s koje su adhezijom iupane estice [6] ..17

Slika 26. Izgled povrine na koju su adhezijom estice spontano navarene ..17

Slika 27. Rabinowitz-ova karta triboloke kompatibilnosti [4] ..18

Slika 28. Jedinini dogaaj umora povrine [4] ..19

Slika 29. Nastajanje kuglastih estica u pukotini od umora [7] ..20

Slika 30. Izgled povrine oteene umorom [8] ..20

Slika 31. Kuglasta estica troenja nastala umorom povrine [9] ...21

Slika 32. Erozija [10] ...22

Slika 33. Jedinini dogaaj tribokorozije [4] ..22

Slika 34. Opi oblik procesa troenja [4] 23

Slika 35. Dvotaktni motor (benzinski) [12] 26

Slika 36. Usisni takt [13] ...27

Slika 37. Radni takt [13] 27

Slika 38. Radni ciklus dvotaktnog motora (benzinski) [14] .27

Slika 39. Dvotaktni (Diesel) motor [15] 28

Slika 40. Teoretski dijagram idealiziranog Dieselovog procesa [16] .28

Slika 41. Teoretski dijagram dvotaktnog Otto procesa [16] ...29

Slika 42. Stvarni dijagram dvotaktnog motora [17] 30

Slika 43. Wartburg [18] ..32

Slika 44. Klipnjaa i koljenasto vratilo [19] ..32

Slika 45. Spoj klipnjae i osovine ..33

Slika 46. Klipnjaa izrezana na dijelove 33

Slika 47. Mikrostruktura 16Mo5, nagrieno (poveanje 1000 puta) .34

III

Slika 48. Mikrostruktura niskolegiranog krom alatnog elika, nagrieno (poveanje 1000 puta)

.35

Slika 49. Elektroni kod SEM-a [22] ..36

Slika 50. Princip rada SEM [22] 36

Slika 51. Tescan Vega TS5136 [23] ..37

Slika 52. Dio klipnjae na kojem je obavljena SEM analiza 38

Slika 53. EDS analiza - osnovni materijal klipnjae 38

Slika 54. Cementirani sloj klipnjae ..39

Slika 55. EDS analiza podruje gdje je dolo do troenja .39

Slika 56. SEM analiza mikrostruktura valjia...41

Slika 57. Tvrdoa po Vickersu (indentor i otisak) [24] .42

Slika 58. Izgled otiska indentora kod Vickers metode [25] ..42

IV

II. POPIS TABLICA

Tablica 1. Kemijski sastav analiziranog dijela .33

Tablica 2. Maseni i atomski udio pojedinog elementa u osnovnom materijalu 39

Tablica 3. Maseni i atomski udio pojedinog elementa na podruju troenja ...41

V

III. POPIS OZNAKA

Oznaka Opis Mjerna jedinica

A0 Nominalna dodirna povrina m2

Ar Stvarna dodirna povrina m2

Ari

Jedinini dodir m2

n Broj jedininih dodira -

AH Dodirna povrina m2

r Polumjeri tijela u dodiru m

E Modul elastinosti N/mm2

Faktor trenja -

Ftr Sila trenja N

FN Normalna sila N

F1 Otpor na elastinu deformaciju N

F2 Otpor na plastinu deformaciju N

F3 Otpor na brazdanje N

F4 Otpor na kidanje adhezijskih veza N

kotr Faktor kotrljanja -

G Teina N

Ha Tvrdoa abraziva HV

H1 Tvrdoa troene podloge HV

v Brzina m/s

V Promjena volumena mm3

t Vrijeme t

p Tlak Pa

Vk Zapremina kompresije m3

VI

Vc Zapremina cilindra m3

Oe Toka kada se otvaraju ispuni kanali -

Os Toka kada se otvaraju usisni kanali -

d1 Duljina dijagonale mm

d2 Duljina dijagonale mm

d Srednja vrijednost dijagonale mm

HV Tvrdoa po Vickersu HV

Nada uur Zavrni rad

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 1

1.UVOD- TRIBOLOGIJA

Tribologija je znanost i tehnika o povrinama u dodiru i relativnom gibanju, te o prateim

aktivnostima [1]. Radi se o prijevodu slubene definicije, objavljene 1966. godine u izvjetaju

Radne grupe Ministarstva prosvjete i znanosti Ujedinjenog Kraljevstva. Takoer se moe rei da

je tribologija znanstveno-struna disciplina koja se sveobuhvatno bavi problemima trenja i

troenja [1]. Trenje i troenje su procesi koje ovjek poznaje jo iz pradoba (npr.paljenje vatre,

transport, itd.), a mogu biti korisni, ali i tetni.

Slika 1. Povijesni pronalazak vatre [2]

Slika 2. Transport kamenih blokova u drevnom Egiptu [3]

Tako bi bez troenja bila nemogua obradba odvajanjem estica, ali nepoeljno troenje stvara

pak goleme gubitke materijala. Bez trenja bi bilo kakav oblik transporta na zemlji bio

onemoguen, ali ono uzrokuje takoer goleme nepoeljne gubitke energije. Tribologija je

interdisciplinarna znanost i crpi znanja iz nekih fundamentalnih znanosti: kemije, fizike,

matematike, mehanike, mehanike fluida, metalurgije, znanosti o materijalima i strojarstva.

Nada uur Zavrni rad


Glavna podruja primjene tribologije su dijelovi mehanikih konstrukcija (npr. zupanici, leaji,

klizni elementi, itd.), materijali (npr. novi materijali, keramika, polimeri, metali, itd.), obradba

materijala (npr. alatni materijali, sredstva za hlaenje i podmazivanje, lakoobradljivi materijali,

itd.), te podmazivanje (npr. ulja, masti, aditivi, itd.).

Triboloke mjere (postupci i metode) koje imaju za cilj postizanje prihvatljivih vrijednosti trenja

i troenja u realnim tribosustavima mogu se podijeliti na: izbor materijala triboelemenata, zatita

povrina od troenja, uhodavanje, podmazivanje.

U mnogim primjenama sve vie raste potreba za smanjenjem trenja i troenja zbog produetka

vijeka trajanja radnih sustava, poveanja efikasnosti radnih sustava, smanjenja trokova

odravanja, smanjenja trokova zastoja, poboljanja pouzdanosti, poveanja sigurnosti, ouvanja

oskudnih izvora materijala, ouvanja energije, smanjenja otpada, itd.

Nakon to je objanjeno na koji nain se tribologija bavi problemom trenja i troenja, u daljnjem

tekstu biti e opisani razliiti mehanizmi troenja, te na primjeru klipnjae koljenastog vratila

dvotaktnog motora biti e definirani mehanizmi troenja koji se javljaju u zadanom primjeru.

Nada uur Zavrni rad


2.POVRINE I NJIHOV DODIR

Trenje i troenje zbivaju se na dodiru realnih povrina koje su u geometrijskom smislu vie ili

manje neravne ili hrapave.

Razlikujemo sljedee osnovne vrste odstupanja povrine [1]:

1) Makroneravnine (odstupanja od projektirane geometrije i dimenzija proizvoda):

- neparalelnost povrina, valovitost

2) Mikroneravnine (posljedica obradnih procesa):

- izbrazdanost, hrapavost

3) Nanoneravnine (geometrijske granice kristalne ili molekularne strukture, nepravilnosti

kristalne strukture)

Sva ova odstupanja povrine zajedno daju rezultantnu povrinu koja se znaajno razlikuje od

idealno ravne povrine.

Slika 3. Osnovne vrste odstupanja povrine: a) neparalelnost, b) valovitost, c)

izbrazdanost, d) hrapavost, e) rezultantna realna povrina [4]

Povrinska hrapavost obuhvaa odstupanja povrine prikazana na slici 2. pod c) i d) pa ju zato

definiramo kao sveukupnost mikrogeometrijskih nepravilnosti na povrini predmeta (koje su

mnogo puta manje od povrine cijelog predmeta), a nastale su postupkom obrade.

Potpuna informacija o stanju hrapavosti povrine moe se dobiti samo ako se mjernim

postupkom uzimaju u obzir sva odstupanja koja reprezentiraju hrapavost povrine. Stoga ispitivanje tako sloenog odstupanja zahtijeva nuna pojednostavljenja kod izbora

Nada uur Zavrni rad


karakteristinih veliina koje ju definiraju. Zbog toga se hrapavost povrine obino ocjenjuje preko jednodimenzionalnih parametara na osnovi dvodimenzionalnih profila povrine.

Osim vanjskih obiljeja povrina, valja raunati i s tim da je struktura povrine po dubini

slojevita [4].

Slika 4. Shematski prikaz struktura povrine po dubini [4]

Stvarni dodir dviju povrina razlikuje se od prividnog, geometrijskog, te govorimo o dva sluaja

[1]:

1) Konformni (povrinski) dodir

2) Nekonformni (koncentrirani) dodir

2.1. Konformni (povrinski) dodir

Stvarna dodirna povrina mnogo je manja od nominalne kod konformnog dodira. Takoer znamo

da je za triboloke procese vanija stvarna dodirna povrina Ar [1].

Nada uur Zavrni rad


Slika 5. Konformni dodir [4]

Prema tome uz pretpostavku elastinih deformacija, Archard definira da je stvarna dodirna

povrina gotovo linearna normalnoj sili FN, a do slinih zakljuaka dolaze Greenwood i Tripp.

2.2. Nekonformni (koncentrirani) dodir

Posebno u tehnikim sustavima est je sluaj dodira tijela zakrivljenih ploha (npr. prstenovi i

kuglice kod kuglinih leajeva, zubi zupanika, itd.). Takvi dodiri svoju teorijsku osnovu nalaze

u Hertz-ovoj teoriji [1].

Slika 6. Hertz-ov dodir dviju kugli [4]

Iz Hertz-ovog prorauna slijedi da je dodirna povrina [4]:

Nada uur Zavrni rad


(1)

Iz ovog zakljuujemo da ne postoji idealni tokasti dodir, ve se i kod nekonformnog dodira

oblikuje dodirna povrina AH koja ovisi o polumjerima tijela u dodiru r, njihovu sloenu modulu

elastinosti E i dodirnoj sili koja djeluje normalno na dodirnu povrinu FN.

2.3.Tribosustav

Pri rjeavanju tribolokih problema treba uzeti u obzir sve dijelove tribosustava, uvjete rada,

protok kroz sustav (gibanja, energije, materijala i informacija), smetnje, gubitke i sva vana

meudjelovanja.

Slika 7. Shema jednostavnog tribosustava (jedan tribopar) [4]

Nada uur Zavrni rad


3. TRENJE I TROENJE

3.1. Procesi trenja

Trenje je sila ili otpor koja se suprostavlja relativnom kretanju krutih tijela u dodiru

Djeluje paralelno s dodirnim povrinama, a smjer joj je suprotan smjeru relativnog kretanja [1]. Rije trenje dolazi od glagola trti, trljati, engl. friction, lat. Fricare.

U veini sluajeva, u ureajima i postrojenjima, trenje je tetna i nepoeljna pojava. Na savladavanje sile trenja kao otpora kretanju bilo koje vrste troi se znatna koliina mehanike

energije. Kao posljedica trenja na povrinama u kontaktu dolazi do troenja i zagrijavanja materijala povrina. Utroena mehanika energija prelazi u nepoeljnu i izgubljenu toplinsku

energiju.

3.1.1. Vrste trenja

Podjela trenja prema agregatnom stanju tijela u kontaktu [4]:

1) Trenje meu vrstim povrinama (vanjsko trenje)

2) Trenje meu dijelovima fluida, odnosno izmeu vrstog tijela i fluida (tekuinsko trenje ili

viskoznost)

Vanjsko trenje se pak dijeli prema podmazivanju na [4]:

1) Suho trenje

2) Trenje uz podmazivanje

Prilikom pokretanja tijela razlikujemo [4]:

1) Trenje mirovanja (statiko trenje)

2) Trenje kretanja (dinamiko trenje)

Faktor proporcionalnosti koji povezuje silu trenja i normalnu silu zove se faktor trenja. esto se

koristi i naziv koeficijent trenja.

Faktor trenja je dakle bezdimenzijski omjer sile trenja izmeu dva tijela i normalne sile kojom

tijela pritiu jedno o drugo [1]:

(2)

Nada uur Zavrni rad


Za ostvarenje relativnog gibanja izmeu dodirnih ploha treba svladati silu trenja. Razlikuju se

trenje klizanja i trenje kotrljanja.

3.1.2. Trenje klizanja

Slika 8. Trenje klizanja [4] U sluaju trenja klizanja sila trenja djeluje suprotno smjeru relativnog gibanja.

Kod suhog dodira sila trenja proporcionalna je normalnom optereenju i ne ovisi o nominalnoj

dodirnoj povrini.

Sila trenja klizanja sastoji se od zbroja 4 komponente koje su i same zbroj pojedinanih

komponenata koje djeluju na svakom dodiru mikroizboina [4].

(3)

Otpor na elastinu deformaciju proporcionalan je modulima elastinosti materijala tarnog para,

otpor na plastinu deformaciju ovisi o njihovim granicama teenja, otpor na brazdanje ovisi o

njihovim duktilnostima, a otpor na kidanje adhezijskih veza ovisi o jaini adhezijske veze

uspostavljene izmeu materijala tarnog para.

Slika 9. Prikazuje jedinini dogaaj procesa klizanja (od poetka do zavretka dodira jednog para

mikroizboina) kojim se objanjava porijeklo sile trenja.

Nada uur Zavrni rad


Slika 9. Jedinini dogaaj procesa klizanja [4]

Na trenje utjeu kemijski sastav materijala, stanje obrade povrine oba tijela, sastav okoline,

optereenje, brzina kretanja, nain kretanja, vrsta kontakta, temperature, prethodno klizanje po

toj povrini.

3.1.3. Trenje kotrljanja

Trenje kotrljanja je otpor to se pojavljuje pri kotrljanju krunih ploa, kotaa ili valjaka.

Openito vrijedi da je ovo trenje mnogo manje nego trenje klizanja. To je zbog toga to u sluaju

ovog trenja izostaju komponente sile trenja koje potjeu od brazdanja i raskidanja adhezijskih

veza. Zato vrijedi [1]:

(4)

Slika 10. Trenje kotrljanja [4]

Nada uur Zavrni rad


Izraz koji povezuje silu trenja i normalnu silu (teinu kotaa):

(5)

Faktor kotrljanja koji je omjer sile otpora i teine, a slian je faktoru statikog i kinetikog trenja,

ovisi o brojnim imbenicima koje je vrlo teko pobrojati i opisati.

U dosadanjem dijelu ovog poglavlja u kratko su opisane razne vrste i karakteristike trenja jer je

za shvaanje mehanizama troenja, koji su glavna tema ovog rada, nuno i shvaanje procesa

trenja zbog njihove bliske povezanosti.

Nada uur Zavrni rad


3.2. Mehanizmi troenja

Troenje je postupni gubitak materijala sa povrine krutog tijela uslijed dinamikog dodira s

drugim krutim tijelom, fluidom i/ili esticama. Iako izmeu trenja i troenja u jednom

tribosustavu nema jednoznane veze, u veini sluajeva poveanje trenja prati i intenzivnije

troenje (no moe biti i obrnuto) [1].

etiri su osnovna mehanizma troenja:

1) Abrazija

2) Adhezija

3) Umor povrine

4) Tribokorozija

Mehanizmi troenja opisuju se jedininim dogaajima. Jedinini dogaaj je slijed zbivanja koji

dovodi do odvajanja jedne estice troenja s troene povrine, te uvijek ukljuuje proces

nastajanja pukotina i proces napredovanja pukotina. Upravo oblik estica troenja i izgled

troenih povrina ine osnovu za identifikaciju mehanizma troenja.

3.2.1. Abrazijsko troenje

Abrazija je troenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdim

izboinama.

Slika 11. Abrazija jedinini dogaaj [4]

Kao to je vidljivo sa slike 11. jedinini dogaaj abrazije sastoji se od dvije faze.

I faza prodiranja abraziva (a) u povrinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponente

optereenja FN.

Nada uur Zavrni rad


II faza istiskivanja materijala u obliku estica troenja () pod utjecajem tangencijalne

komponente optereenja Ft.

Mehanizam abrazije mogue je sagledati s nekoliko razliitih gledita:

1) Ovisno o strukturi tribosustava u kojem se zbiva abrazija mogu se pojaviti dva oblika

abrazije:

a) Abrazija u dodiru dva tijela (abrazivno tijelo i abrazijsko protutijelo)

Slika 12. Abrazija u dodiru dva tijela [4]

b) Abrazija u dodiru tri tijela (abrazivno tijelo, protutijelo, te meutijela koja se slobodno

gibaju izmeu funkcionalnih dijelova i djeluju abrazijski)

Slika 13. Abrazija u dodiru tri tijela [4]

2) Ovisno o meusobnom djelovanju izmeu abrazijskih estica i troene povrine to su [4]:

a) Mikrobrazdanje - odnoenje materijala proporcionalno volumenu brazde nastale plastinom deformacijom pri prolazu jedne abrazijske estice (no rubovi brazde odvajaju se od

povrine u obliku produkata troenja).

Nada uur Zavrni rad


Slika 14. Mikrobrazdanje [4]

b) Mikrorezanje odnoenje materijala jednako volumenu zareza nastalog prolaskom abrazivne estice.

Slika 15. Mikrorezanje [4]

c) Mikronaprsnua odnoenje materijala s krhke povrine mehanizmom nastanka i irenja

mikropukotina. Pri tome se s povrine odnose veliki djelii materijala.

Slika 16. Mikronaprsnua [4]

Nada uur Zavrni rad


d) Mikroumor - odnoenje materijala mehanizmom umora povrine nastalim uestalim izmjeninim optereenjem. Materijal je izloen trenutnim deformacijama

uslijed ega nastaju mikropukotine koje se zatim ire i koje u konanici uzrokuju

odvajanje dijelova materijala troene povrine.

Slika 17. Mikroumor [4]

3) Ovisno o meusobnom odnosu tvrdoa abraziva i materijala mogua su tri praktina sluaja:

a) ista abrazija

b) Selektivna abrazija

c) Nulta abrazija

ista abrazija nastupa kada je tvrdoa abraziva (a) vea od tvrdoe troene podloge. Povrina

je izbrazdana, a estice troenja su oblika spiralne strugotine u sluaju kada je abradirani

materijal duktilan, odnosno lomljene strugotine kada je abradirani materijal krhak.

Slika 18. ista abrazija [4] Slika 19. Izgled povrine ista [5]

Nada uur Zavrni rad


Selektivna abrazija nastupa kada u abradiranom materijalu postoji faza tvra od abraziva.

Abraziv ree samo zahvaeni sloj meke faze. Povrina je izbrazdana s prekidima na mjestima

gdje se na povrini nalaze zrna ili trake tvre faze. Meu esticama troenja pojavit e se

povremeno i zrna tvre faze, kada troenjem meke faze izgube ukljetenje i budu izbaena iz

troene povrine.

Slika 20. Selektivna abrazija [4] Slika 21. Izgled povrine selektivna [5]

Nulta abrazija nastaje kad je cijela abradirana povrina tvra od abraziva. Povrina ima

polirani izgled, a estice troenja trebale bi biti sitne ljuskice (koje potjeu od vanjskog

graninog sloja). Ovaj tip abrazije najee se javlja na povrinskim slojevima dobivenim

razliitim postupcima oplemenjivanja povrine (PVD, CVD, boriranje, itd.)

Slika 22. Nulta abrazija [4] Slika 23. Izgled povrine nulta [5]

Nada uur Zavrni rad


Otpornost na abraziju

Otpornost na abraziju povezana je s meusobnim odnosom tvrdoe abraziva i materijala troene

podloge odnosno njegovih strukturnih konstituenata. Upravo je taj odnos odluujui za prvu fazu

jedininog dogaaja abrazije tj. prodiranje koje je preduvjet za nastajanje poetne pukotine, ijim

napredovanjem e nastati estica troenja. Za postignue selektivne ili ak nulte abrazije (koje se

nastoji postii u praksi jer daje manje iznose abrazijskog troenja nego ista abrazija) odluujua

je tvrdoa strukturnih konstituenata ili povrinskih slojeva, koja se mjeri s optereenjima manjim

od 10 N i naziva mikrotvrdoa.

3.2.2.Adhezijsko troenje

Adhezijsko troenje karakterizira prijelaz materijala s jedne tarne plohe na drugu pri elativnom

gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza. Jedinini dogaaj adhezije moe se opisati u tri

faze.

Slika 24. Jedinini dogaaj adhezije [4]

Faza I Nastajanje adhezijskog spoja razliitog stupnja jakosti na mjestu dodira izboina

Faza II Raskidanje adhezijskog spoja (estica troenja ostaje spontano nalijepljena na

jednom lanku kliznog para)

Faza III Otkidanje estice, oblik estica troenja ovisi o uvjetima

Nada uur Zavrni rad


estice iupane s jedne povrine ostaju privremeno ili trajno nalijepljene odnosno navarene

na drugu tarnu povrinu.

U nastavku su na slikama dani prikazi povrine s koje su iupane estice i povrine na koju su

estice spontano navarene, a oblik estica troenja ovisi o uvjetima, ali je uglavnom listiast.

Slika 25. Povrina s koje su adhezijom iupane estice [6]

Slika 26. Izgled povrine na koju su adhezijom estice spontano navarene

Otpornost na adhezijsko troenje

Budui da se mikrozavareni spojevi uspostavljaju u prvoj fazi adhezijskog mehanizma, sklonost

stvaranju tih spojeva i jakost uspostavljenih adhezijskih veza odreivat e otpornost na

Nada uur Zavrni rad


adhezijsko troenje (uvijek za tarni par, ne za pojedinani materijal). Materijali koji nisu skloni

mikrozavarivanju u meusobnom dodiru su triboloki kompatibilni tj. prikladni za rad u paru.

Stoga je osnovni kriterij za ocjenu otpornosti na adhezijsko troenje materijala tribopara njihova

triboloka kompatibilnost tj. prikladnost za rad u kliznom paru. Triboloka kompatibilnost

pojedinih kombinacija materijala prikazana je Rabinowitz-ovom kartom triboloke

kompatibilnosti.

Slika 27. Rabinowitz-ova karta triboloke kompatibilnosti [4]

Nada uur Zavrni rad


Na triboloku kompatibilnost povoljno utjee i smanjenje broja kliznih sustava. Za realni tarni

par triboloka kompatibilnost se moe utvrditi samo pokusima ili procijeniti na osnovi

zabiljeenih rezultata ispitivanja.

3.2.3. Umor povrine

Umor povrine je odvajanje estica s povrine uslijed ciklikih promjena naprezanja. Jedinini

dogaaj umora povrine prikazan je s tri faze.

Slika 28. Jedinini dogaaj umora povrine [4]

Faza I Stvaranje mikropukotine (ispod povrine)

Faza II Napredovanje mikropukotine

Faza III Ispadanje estice troenja

U prvoj fazi nastaje podpovrinska pukotina jer je najvee smino naprezanje kod

koncentriranog dodira (Hertzovo naprezanje) uvijek ispod same povrine. Ovo je tzv. faza

inkubacije jer praktiki nema nikakvog odvajanja estica. U drugoj fazi podpovrinska pukotina

izbija na povrinu. Od tog trenutka iz pukotine redovito izlaze sitne kuglaste estice. Ove

kuglaste estice su toliko sitne da se ne mogu registrirati kao gubitak mase, ali mogu posluiti

kao vaan pokazatelj stanja procesa troenja umorom povrine.

Nada uur Zavrni rad


Slika 29. Nastajanje kuglastih estica u pukotini od umora [7]

U treoj fazi jedininog dogaaja umora dolazi do ispadanja krupne estice oblika ivera, to na

povrini ostavlja oteenja oblika rupice, zato se ovaj oblik troenja uobiajeno naziva pitting

(rupienje).

Slika 30. Izgled povrine oteene umorom [8]

Nada uur Zavrni rad


Slika 31. Kuglasta estica troenja nastala umorom povrine [9]

Otpornost na umor povrine

Otpornost na umor povrine naziva se dinamika izdrljivost povrine, a utvruje se pokusima.

Mehanizmi nastajanja prvih pukotina kod umora povrine su [1]:

a) Gomilanje dislokacija na granicama zrna

b) Meudjelovanje dviju kliznih ravnina

c) Nastajanje pukotina na malokutnim granicama

Stvaranje poetnih pukotina kod umora povrine povezano je s procesom gibanja dislokacija,

otpornost materijala na umor povrine ovisit e o otporu gibanja dislokacija, a na to pak utjee

velik broj imbenika: podpovrinski koncentratori naprezanja, povrinska obiljeja, povrinske

pogreke, diskontinuiteti u geometriji dodira, raspodjela optereenja u leaju,

elastohidrodinamika, tangencijalne sile, itd.

3.2.4.Erozijsko troenje

Ova vrsta troenja nastaje uslijed djelovanja djelia fluida (sa ili bez krutih estica noenih

fluidom) koji velikim brzinama udaraju o povrinu tijela.

Nada uur Zavrni rad


Slika 32. Erozija [10]

Jaina erozije najveim dijelom ovisi o brzini i kutu udara estica, te njihovoj tvrdoi. Postoje

dva osnovna oblika erozije:

a) Udarna erozija (erozija otroga kuta) proces koji slii abraziji i rezanju. Kako bi se smanjila

koliina troenja, potrebna je velika tvrdoa same povrine.

b) Abrazivna erozija (erozija tupoga kuta) gdje se veina energije troi na deformaciju povrine.

Zatita od ove vrste troenja zahtijeva elastini zatitni sloj, najee elastomer.

3.2.5. Tribokorozija

Tribokorozija ili tribokemijsko troenje je mehanizam troenja pri kojem prevladavaju kemijske

ili elektrokemijske reakcije materijala s okoliem. Jedinini dogaaj tribokorozije prikazan je u

dvije faze.

Slika 33. Jedinini dogaaj tribokorozije [4]

Faza I Stvaranje sloja produkata korozije

Faza II Mjestimino razaranje sloja produkata korozije

Nada uur Zavrni rad


Izgled povrina izloenih tribokoroziji ovisi o intenzivnosti odnoenja stvorenih estica troenja.

Pri maloj intenzivnosti na povrini se pojavljuju proizvodi korozije, a kod vee intenzivnosti

odnoenja povrina je naizgled polirana. estice troenja su prakastog oblika uglavnom

oksidne. estice troenja kod tribokorozije se stvaraju unutar vanjskog povrinskog sloja. Budui

da se radi o vrlo tankim slojevima, tribokorozija je redovito slabo intenzivan mehanizam

troenja. Iako se tribokorozija ubraja u osnovne mehanizme troenja ona je ipak kombinacija

izmeu kemijskih reakcija na povrini triboelementa i jednog od prethodno opisanih osnovnih

mehanizama troenja tj. abrazije, adhezije ili umora povrine.

Otpornost na tribokoroziju

Osnovni kriterij za otpornost materijala na tribokoroziju je kemijska postojanost materijala u

odreenom mediju. Treba takoer rei da slojevi proizvoda korozije zatiuju metalne povrine

od neposrednog dodira metal/metal pa se esto i namjerno izazivaju u svrhu zatite. Dakle

tribokorozija moe biti poeljan mehanizam troenja jer bi drugi mehanizmi troenja u istoj

situaciji izazvali mnogo intenzivnije troenje. No pojedini oblici tribokorozije mogu biti vrlo

opasni, npr, u sprezi s vibracijama, visokim temperaturama ili vlanim okoliem. Posebno je

ozbiljan problem tribokorozije u kapljevitom kisiku ili u kapljevitom fluoru.

3.2.6.Djelovanje mehanizama troenja

Svaki proces troenja sastoji se od najmanje dva mehanizma troenja ili vie njih, koji djeluju

istodobno ili u vremenskom slijedu, ovisno o vrsti tribosustava, relativnom gibanju i radnim

uvjetima. Stupanj opasnosti od pojedinih mehanizama razliit je za razliite tribosustave, a

zadaa je tribologije izbjei pojavu opasnijih mehanizama troenja ili ju pak odgoditi. Dakle

treba postii da odreeni tribosustav funkcionira preteno u reimu tzv. normalnog troenja.

Slika 34. Opi oblik procesa troenja [4]

Nada uur Zavrni rad


Proces troenja moe se pratiti preko neke od mjerljivih veliina tribosustava. Najee se to radi

praenjem sile trenja, buke i vibracija, temperature, spektografskom analizom ulja, magnetnim

detektorima estica, radioaktivnim metodama, ferografijom, itd.

3.2.7. Triboloke mjere

To su postupci i metode koji imaju za cilj postizanje prihvatljivih vrijednosti trenja i troenja u

realnim tribosustavima. Osim konstrukcijskih mjera, kojima je svrha izbjegavanje ili smanjenje

utjecaja uzroka troenja, glavne triboloke mjere su [1]:

a) Izbor materijala triboelemenata

b) Zatita povrina od troenja

c) Uhodavanje

d) Podmazivanje

Odabir gore navedenih stavki kljuan je pri sprjeavajnju i smanjenju djelovanja nepoeljnog

troenja. Budui da se ovaj rad bavi problemom troenja klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog

motora, u nastavku e ukratko biti opisan princip rada navedenog motora in neke njegove

karakteristike.

Nada uur Zavrni rad


4. MOTOR

Motor je naprava koja slui za pretvaranje odreenih vrsta energije u mehaniku energiju

gibanja. Tako je motor naprava koja pretvara [11]:

a) kemijsku energiju goriva u toplinsku energiju, a toplinsku energiju (energiju izgaranja) u

energiju gibanja

b) elektrinu energiju u kretanje (elektromotor), a njegova suprotnost je generator koji

pretvara kinetiku energiju u elektrinu

Podjela kod motora s unutarnjim izgaranjem moe se napraviti na vie naina [11].

Prema taknosti:

a) Dvotaktni

b) etverotaktni

Prema srednjoj stapnoj brzini ili hodnosti:

a) Sporohodne

b) Srednjehodne

c) Brzohodne

Prema broju okretaja:

a) Sporokretne

b) Srednjekretne

c) Brzokretne

Prema vrsti procesa:

a) Otto

b) Diesel

Prema konstrukciji:

a) Redni motori d) Bokser motori

b) V-motori e) Wankel motori

c) VR-motori

Nada uur Zavrni rad


4.1. Princip rada dvotaktnog motora

Dvotaktni motor je motor s unutranjim izgaranjem koji cijeli svoj radni ciklus obavi u dva takta

ili jedan krug koljenastog vratila. Dvotaktni motor moe biti Otto ili Diesel, gdje nailazimo na

dva termodinamiki razliita procesa.

Kod Diesel motora prvi takt sastoji se od usisa i komprimiranja zraka, dok drugi radni takt sadri

ekspanziju i ispuh. Kretanjem klipa iz donje mrtve toke zapoinje radni takt. Na donjem dijelu

kouljice cilindra nalaze se usisni kanali za usisavanje svjeeg zraka. Prolaskom klipa iznad

usisnih kanala prestaje dotok svjeeg zraka i poinje komprimiranje zraka. Klip se kree ka

gornjoj mrtvoj toki. Kada klip stigne u tu toku zapoinje radni takt. No ubrizgavanje goriva

zapoinje nekoliko stupnjeva prije gornje mrtve toke. Ubrizgavanjem goriva u prostoru cilindra

ono se samozapaljuje zbog visoke temperature komprimiranog zraka i fino rasprenih estica

goriva. Gorivo se ubrizgava pod tlakom od oko 150 bara. Nakon ekspanzije klip kree prema

donjoj mrtvoj toki i okree koljenasto vratilo na koje je spojen preko krine glave i ojnice.

Ispuh poinje kada klip svojim gibanjem prema donjoj mrtvoj toki otvori ispune kanale na

kouljici cilindra (smjeteni iznad usisnih kanala tako da veina izgorene smjese izae izvan

prostora cilindra). Dolaskom klipa u donju mrtvu toku zavrava radni takt i zapoinje prvi.

Za benzinske dvotaktne motore postoji par razlika, u cilindar se ubacuje smjesa zraka i goriva,

koja se tlai i nekoliko stupnjeva prije gornje mrtve toke zapaljuje iskrom iz svijeice [11].

Slika 35. Dvotaktni motor (benzinski) [12]

Nada uur Zavrni rad


Slika 36. Usisni takt [13] Slika 37. Radni takt [13]

Slika 38. Radni ciklus dvotaktnog motora (benzinski) [14]

Nada uur Zavrni rad


Slika 39. Dvotaktni (Diesel) motor [15]

4.2. Dieselov proces

Dieselov proces je termodinamiki proces koji prati tlak i volumen izgarajue komore u Diesel

motoru. Pretpostavlja se da je tlak konstantan u prvom dijelu izgarake faze (2-3). To je veinom

samo teoretski mogue, realni Dieselovi procesi imaju poveanje tlaka u ovoj fazi, ali manje

nego u Ottovom procesu.

Slika 40. Teoretski dijagram idealiziranog Dieselovog procesa [16]

Nada uur Zavrni rad


Slika 38. prikazuje p,v dijagram idealiziranog Dieselovog procesa (gdje je p - tlak, a v -

specifini volumen). Dalje se moe uoiti:

Proces 1-2 je izentropska kompresija

Proces 2-3 je povrativo izobarno grijanje

Proces 3-4 je izentropska ekspanzija

Proces 4-1 je povrativo izohorno hlaenje

W2 je rad klipa koji komprimira radnu tvar,a W1 je rad dobiven ekspanzijom radne tvari. Q2 je

toplina dobivena izgaranjem goriva, dok je Q1 odvedena toplina ulaskom zraka.

Stoga taktove moemo podijeliti:

1. Takt Izmjena medija i kompresija (od toke 4 do toke 2)

2. Takt Izgaranje i ekspanzija (radni takt) (od toke 2 do toke 4)

Za razliku od Dieselovog procesa, Ottov proces vie nema od toke 2-3 povrativo izobarno

grijanje, ve izohorno hlaenje.

3.3. Ottov proces

Slika 41. Teoretski dijagram dvotaktnog Otto procesa [16]

Stoga na dijagramima toke predstavljaju:

1 Kraj ispuha i usisa, poetak kompresije

2 Kraj kompresije, ubrizgavanje goriva, poetak izgaranja

Nada uur Zavrni rad


3 Kraj izgaranja, poetak ekspanzije

4 Kraj ekspanzije, poetak izmjene medija u cilindru

Stvarni dijagram dvotaktnog motora

Slika 42. Stvarni dijagram dvotaktnog motora [17]

Vk zapremina kompresije (volumen iznad ela stapa kada je stap u gornjoj mrtvoj toki)

Vc zapremina cilindra (volumen iznad ela stapa kada je stap u donjoj mrtvoj toki)

Oe toka kada se otvaraju ispuni kanali

Os toka kada se otvaraju usisni kanali

Na induciranom dijagramu, od trenutka zatvaranja kanala klipom Oe poinje kompresija, koja

traje do trenutka poetka izgaranja, neto prije gornje mrtve toke (trenutak naglog porasta tlaka

u cilindru). Tlak raste do najveeg, te se tijekom izgaranja tlak zadrava blizu maksimalnog. Kraj

izgaranja obiljeava nagli pad tlaka (ekspanzija u cilindru). U trenutku otvaranja ispunih kanala

tlak poinje naglo padati. U trenutku Os se otvaraju usisni kanali i zrak ulazi u cilindar,

smanjujui donekle podtlak koji u njemu vlada. Zaustavljanjem gibanja klipa dolazi do porasta

tlaka u cilindru, koji raste na tlak ispirnog zraka. Gibanjem klipa od donje mrtve toke tlak jo

malo raste, no ta je razlika mala do trenutka poetka kompresije.

4.4. Bitne karakteristike

Kroz slike i dijagrame Diesel i benzinskog dvotaktnog motora, moe se zakljuiti da je najvea

razlika u tome to kod Diesel motora samo zrak ulazi u cilindar, a kod benzinskog motora

mjeavina zraka i goriva. Stoga je Diesel dvotaktni motor ekoloki prihvatljiviji, a i za dvotaktnu

izvedbu mnogo pogodniji jer se samo zrak komprimira i nakon toga se gorivo ubrizgava direktno

Nada uur Zavrni rad


u komprimirani zrak. No Diesel dvotaktni motor obino ima kompresor zato ga nikad neemo

nai npr. na motornoj pili jer bi to jednostavno bilo preskupo.

Najeu primjenu benzinski dvotaktni motori pronalaze u motociklima, ali i kod nekih starijih

modela automobila kao npr. Wartburg ili Trabant (upravo u sluaju ovog rada gdje je ispitano

troenje klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog motora uzetog iz jednog modela Wartburga).

Dvotaktni motor svoj radni ciklus obavlja za dva takta tj. jedan okretaj koljenastog vratila, to

znai da dvotaktni motor pri istom broju okretaja koljenastog vratila kao etverotaktni, ima dva

puta vie radnih taktova (tj. dvotaktni motor ima potpunije iskoritenje radnog ciklusa). Radni

ciklus dvotaktnog motora sastoji se od istih procesa kao i radni ciklus etverotaktnog motora, s

tim to se u pojedinim dijelovima ciklusa dvotaktnog motora izvodi vie procesa nego kod

etverotaktnog i ti se procesi preklapaju. Pri jednakim dimenzijama cilindra i pri jednakom broju

okretaja snaga dvotaktnog motora bi teorijski trebala biti dva puta vea zbog duplo veeg broja

radnih taktova u jedinici vremena. U stvarnosti snaga dvotaktnih motora je vea za 1.5 do 1.7

puta, uslijed gubitka dijela zapremine, loije kvalitete izmjene radne materije, troenja dijela

snage na pogon pomonih agregata i sl. Izmjena radne materije kod dvotaktnih motora se izvodi

pri znatno manjoj promjeni kuta okretanja koljenastog vratila (za znatno krae vrijeme), to

utjee na savrenost tog procesa, a time i itavog radnog ciklusa. Zbog toga to se u procesu

izmjene radne materije kod dvotaktnih motora gubi dio svjeeg punjenja, oni se najee izvode

u Diesel varijanti. Izuzetak ine manji motori kod kojih vei znaaj ima jednostavna konstrukcija

i potreba za postizanje to vee snage, nego potronja goriva (npr. motocikli, poljoprivredna

mehanizacija, amci, itd.).

U dananjem automobilizmu i motociklizmu dvotaktni motori se vie ne upotrebljavaju zbog

sve stroih zahtjeva na ekologiju (emisija ispunih plinova) koji se s dvotaktnim motorom ne

mogu ispuniti. Visoka uestalost radnih ciklusa dvotaktnih motora (u odnosu na etverotaktne)

daje ravnomjerniji okretni moment, ali dovodi do poveanog zagrijavanja elementa i mehanizma

motora, ime se ugroava podmazivanje, poveava habanje, smanjuju mehanike karakteristike

materijala, a time i skrauje radni vijek dvotaktnih motora. Stoga se zakljuno moe rei da su

danas etverotaktni motori prvi izbor za veinu namjena i polako istiskuju dvotaktne motore iz

upotrebe. No za pokretanje brodova, lokomotiva, industrijskih generatora i danas se koriste

dvotaktni Diesel motori. Upravo je brodski pogon jedino podruje gdje dominiraju dvotaktni

motori.

Nada uur Zavrni rad


5.EKSPERIMENTALNI DIO

Kao to je ve navedeno, tema ovog rada je troenje klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog

motora sa vanjskim paljenjem i u dosadanjim naslovima opisani su neki od glavnih mehanizama

troenja, te princip rada dvotaktnog motora. Eksperimentalni dio obavljao se na klipnjai uzetoj

iz jednog modela Wartburga (marka automobila porijeklom iz Istone Njemake).

Slika 43. Wartburg [18]

Klipnjaa je dio motora koji spaja klip i koljenasto vratilo (radilicu), te zajedno sa njim ini

jednostavan mehanizam koji pretvara naizmjenino gibanje u rotacijsko.

Slika 44. Klipnjaa i koljenasto vratilo [19]

Klipnjaa uzeta iz ovog automobila (dvotaktni motor sa vanjskim paljenjem) posluila je za

istraivanje mehanizama troenja jer je u konkretnom primjeru dolo do problema u radu motora.

Problem se manifestirao kroz udne zvukove, lupanje i udaranje pri radu motora. Takoer na

klipnjai su vidljivi tragovi zaribavanja. Kako bi se utvrdilo o emu se tono radi, motor je

rastavljen. Utvreno je da je navedeni problem nastao na spoju klipnjae i osovine (leaj, podloka).

Nada uur Zavrni rad


Slika 45. Spoj klipnjae i osovine

Najvjerojatnije zbog loeg podmazivanja, dolo je do brzog troenja leajeva, a time i do

nepravilnosti u radu motora. Kako bi se utvrdilo koji su mehanizmi troenja nastupili

pripremljeni uzorci (izrezani od navedenih dijelova) analizirani su elektronskim mikroskopom, a

kako bi tono znali od kojih materijala su nainjeni navedeni dijelovi, provedeno je takoer i

ispitivanje kemijskog sastava.

Slika 46. Klipnjaa izrezana na dijelove

5.1.Kemijski sastav i mikrostruktura

U Laboratoriju za analizu metala Fakulteta strojarstva i brodogradnje napravljena je

kvantitativna kemijska analiza dostavljenih uzoraka. Metodom optike emisijske spektometrije,

dobiveni su sljedei rezultati:

Tablica 1. Kemijski sastav analiziranog dijela

oznaka

uzorka

%

C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Fe

Klipnjaa 0,20 0,22 0,72 0,017 0,016 0,29 0,07 0,49 0,20 ostatak

Nada uur Zavrni rad


Slika 47. Mikrostruktura 16Mo5, nagrieno (poveanje 1000 puta)

Iz dobivenih informacija se daljnjom analizom podataka i fotografijom mikrostrukture (dobivene

optikim mikroskopom, model Olympus GX51) moe zakljuiti da materijal od kojeg je

klipnjaa izraena pripada skupini konstrukcijskih elika za rad pri povienim i visokim

temperaturama, bainitne mikrostrukture (poputeni bainit), konkretno se radi o eliku 16Mo5

[20].

Budui da je klipnjaa izloena velikim naizmjenino promjenjivim optereenjima, uglavnom se

izrauje od legiranih elika za poboljavanje ili cementiranje (Cr, Ni, Mo). Kod automobilskih

motora, klipnjae se danas esto izrauju lijevanjem od perlitnog sivog lijeva ili nodularnog

lijeva. Prednost izlivenih klipnjaa je nia cijena i bolja iskoristivost materijala pri izradi

kompliciranog oblika. Kao materijal za lijevane klipnjae moe se koristiti legura titana, sa vrlo

velikom vrstoom, a malom specifinom masom.

Drugi element tribopara su valjii leaja, za koje je analizom slike mikrostrukture i prema

[20],[21] utvreno da su izraeni od niskolegiranog krom alatnog elika. Na slici je vidljivo da

se u poputenoj martenzitnoj matrici nalaze raspreni karbidi (bijele tokice).

Nada uur Zavrni rad


Slika 48. Mikrostruktura niskolegiranog krom alatnog elika, nagrieno (poveanje 1000 puta)

5.2.Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) i EDS

Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) jedna je od najee koritenih metoda u

karakterizaciji povrine materijala. SEM ureaji rade na poveanjima od 10 do preko 500 000, pa

osim morfologije mogu posluiti i za saznavanje informacija o kemijskom sastavu materijala

blizu njegove povrine. U standardnom SEM ispitivanju generira se snop primarnih elektrona

fokusiran u spot promjera oko 5 nm, sa energijama elektrona koje variraju od 100 eV do 50 keV.

U sluaju neelastinog rasipanja primarni elektroni predaju dio svoje energije elektronima u

materijalu, ime se stvaraju uvjeti za njihovu emisiju u vidu sekundarnih elektrona koji obino

imaju energiju manju od 50 eV. Dio neelastino predate energije primarnih elektrona dovodi i do

pobuivanja elektrona iz elektronskih ljuski atoma, a tako pobueni atomi vraaju se u osnovno

stanje (snopom fotona X zraenja). Dio elastino rasutih primarnih elektrona vraa se iz

materijala kroz povrinu (sa vjerojatnou proporcionalnoj atomskom broju) [22].

SEM sustav formira sliku detektiranjem svih spomenutih tipova zraenja koji se javljaju kao

rezultat interakcije primarnog elektronskog snopa sa materijalom. Detektori sekundarnih

elektrona su standardna oprema svih SEM-ova, a rijetko su prisutni detektori za sve signale.

Kod tipinog SEM elektroni se uz pomo toplinske emisije izbacuju iz elektronskog topa koji

sadri katodu od volframa. Volfram je pogodan jer je jeftin i ima najviu toku topljenja od svih

metala, te se moe zagrijati tako da emitira elektrone.

Nada uur Zavrni rad


Slika 49. Elektroni kod SEM-a [22]

Elektronska zraka energije 0.2 keV-40 keV se fokusira uz pomo kondenzatora na spot promjera

0.4 -5 nm. Zraka prolazi kroz parove skenirajuih namotaja koji su obino u zadnjoj lei

(otklanjaju zrake u x i y osi tako da mogu skenirati du kvadratnog podruja uzorka).

Slika 50. Princip rada SEM [22]

Skeniranje povrine se ostvaruje prelaenjem uskog snopa primarnih elektrona preko povrine

uzorka. U svakoj toki uzorka u interakciji atoma primarnog snopa i atoma uzorka dolazi do

stvaranja signala koji se detektira. Signal se mapira na ekranu, a svaka toka interakcije odgovara

posebnoj slici na ekranu. Otrina slike ovisi o jaini signala sa uzorka (energija sekundarnih

elektrona). Upadni elektroni se vraaju bilo kao primarno raspreni prema natrag (backscattered

electrons) ili kao sekundarno raspreni koji se najvie koriste za istraivanje povrine. Sekundarni elektroni su niskih energija tako da samo oni stvoreni nekoliko nanometara ispod

povrine uzorka mogu izai i biti detektirani. Podatak prema natrag rasprenih elektrona ovisi o

Nada uur Zavrni rad


rednom broju atoma, tako da to dodatno moe posluiti za kemijsku analizu. Najlake se

detektiraju sekundarni elektroni jer su vrlo brojni i malih energija.

Rade pod vakuumom 10-2

do 10-8

Pa. Razluivanje i dubina prodiranja ovise o naponu,

materijalu uzorka i veliini spota.

EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) je analitika metoda koja se koristi za analizu

kemijskih elemenata prisutnih u nekom uzorku ili kemijsku karakterizaciju uzorka. Princip rada

osniva se na injenici da svaki element ima jedinstvenu atomsku strukturu koja daje jedinstvenu

kombinaciju vrhova za njegov rendgenski spektar. Kako bi se potaknula emisija karakteristinih

rendgenskih zraka iz uzorka, rendgenska zraka visoke energije se upuuje na uzorak.

SEM analiza uzorka obavljena je s Tescan Vega TS5136 modelom skenirajueg elektronskog

mikroskopa.

Slika 51. Tescan Vega TS5136 [23]

U nastavku su priloene fotografije dobivene tijekom SEM analize uzorka (klipnjaa).

Nada uur Zavrni rad


Slika 52. Dio klipnjae na kojem je obavljena SEM analiza

Slika 53. EDS analiza - osnovni materijal klipnjae

Nada uur Zavrni rad


Tablica 2. Maseni i atomski udio pojedinog elementa u osnovnom materijalu

Cementiranje elika je postupak toplinske obrade koji se sastoji od pougljienja, kaljenja i

niskotemperaturnog poputanja. Cilj je ostvarivanje tvrdoe na povrinskim slojevima (otpornost

na troenje) i zadravanje ilavosti u jezgri (otpornost na udarna optereenja). Izvori ugljika

mogu biti vrsti, solne kupelji, plinovi, ionizirani plinovi itd.

Slika 54. Cementirani sloj klipnjae

Kao to je vidljivo s fotografije (Slika 56.), SEM analizom utvreno je postojanje cementiranog

sloja na povrini klipnjae.

U nastavku slijedi analiza na podrujima troenja na klipnjai.

Nada uur Zavrni rad


Slika 55. EDS analiza podruje gdje je dolo do troenja

Tablica 3. Maseni i atomski udio pojedinog elementa na podruju troenja

Na prethodnoj fotografiji (Slika 57.) i iz tablice udjela pojedinih elemenata na podruju troenja

(Tablica 3.) je vidljivo da su breuljkaste nakupine na klipnjai zapravo estice valjia.

Nada uur Zavrni rad


Slika 56. SEM analiza mikrostruktura valjia

Na slici 56. se jasno vidi i potvruje da se u poputenoj matrici martenzita nalaze rasprene

kuglice karbida, kao to je ve prethodno navedeno kod slike mikrostrukture dobivene optikim

mikroskopom za materijal od kojeg su izraeni valjii (niskolegirani krom alatni elik).

5.3.Ispitivanje tvrdoe

Tvrdoa po Vickersu je mjera otpora to ga neki materijal prua prodiranju dijamantne

etverostrane piramide s vrnim kutom od 136, optereene nekom silom F (u ovom sluaju

optereenje je bio uteg od 200 g).

Udubljenje piramide daje kvadrat na povrini uzorka, ali zbog netonosti rada, nesavrenosti

uzorka i slinog (esto puta je kvadrat iskrivljen), mjere se obje dijagonale kvadrata (d1 i d2) i

uzima se srednja vrijednost dijagonale d.

Nada uur Zavrni rad


Slika 57. Tvrdoa po Vickersu (indentor i otisak) [24]

Slika 58. Izgled otiska indentora kod Vickers metode [25]

Mjerenje je za svaki dio (klipnjaa i valji) provedeno 5 puta i softverskim proraunom su

dobivene sljedee vrijednosti.

523HV0,2 - klipnjaa (osnovni materijal)

630HV0,2 - klipnjaa (cementirani sloj)

498HV0,2 - valji

Nada uur Zavrni rad


6.ZAKLJUAK

Nakon to su uzorci (klipnjaa i valjii) detaljno analizirani (SEM, optika emisijska

spektometrija) i nakon to su obavljena ispitivanja tvrdoe, doneseni su sljedei zakljuci:

Uslijed loeg podmazivanja dolo je do pretjeranog troenja (valjia leaja izmeu

klipnjae i osovine) i problema u radu motora.

S fotografija dobivenih SEM analizom je vidljivo da na povrini klipnjae postoje

nalijepljene nakupine materijala.

Mehanizmi troenja koji su se javili u ovom sluaju su adhezija i abrazija.

Budui da je adhezijsko troenje prijelaz materijala s jedne tarne plohe na drugu pri relativnom

gibanju, zbog procesa zavarivanja krutih faza, moe se zakljuiti da je upravo ovaj mehanizam

troenja dominantan u promatranom problemu. Nalijepljene nakupine materijala potjeu s

drugog lana tribopara (valjii leaja) za koje je ispitivanjem tvrdoe materijala od kojeg su

nainjeni (niskolegirani krom alatni elik) utvreno da imaju nie vrijednosti od tvrdoe

materijala klipnjae (konstrukcijski elik za rad pri povienim i visokim temperaturama).

Takoer uz adheziju, prisutna je i abrazija. Kao to je ve navedeno abrazija je troenje

istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdim izboinama. Abrazijsko

troenje je nastupilo nakon adhezijskog jer su nalijepljenje nakupine materijala valjia na

klipnjai djelovale kao abraziv u daljnjem procesu troenja.

Nada uur Zavrni rad


7. LITERATURA

[1] Ivui, Vinko; Tribologija; Sveuilite u Zagrebu; Zagreb, 1998.

[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-

_National_Museum_of_Mongolian_History.jpg

[3]http://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s

400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpg

[4] Grilec, Kreimir; Ivui, Vinko; Tribologija, autorizirana predavanja; Sveuilite u Zagrebu;

Zagreb, 2011.

[5] http://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/0180650606010.png

[6] http://business.eagleburgmann.com/lexikon/images/de/f256-1.jpg

[7] http://media.noria.com/sites/archive_images/Backup_200503_OA101-Fig1a.jpg

[8] http://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-

page2_clip_image012.gif

[9] http://failure-analysis.info/wp-content/uploads/2010/07/7-micro-soccer-balls.jpg

[10] http://www.gordonengland.co.uk/img/wear3.gif

[11]http://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Eng

ine.jpg

[12] Marin, Radovan; Tehnologija automobila; Media Print; Zagreb, 2010.

[13]http://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/

s1600/2-stroke.gif

[14] http://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-

convert-4-stroke

[15] http://static.ddmcdn.com/gif/diesel-two-stroke.gif

[16] Halasz, Boris; Uvod u termodinamiku; Predloci za predavanja, Zagreb, 2006.

[17] http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Real_two_stroke_diagram.gif

[18] http://www.cartype.com/pics/7746/full/wartburg-353w_brochure.jpg

[19] http://www.global-trade.com.tw/images/Product/LX09-1E36%281%29.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-_National_Museum_of_Mongolian_History.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-_National_Museum_of_Mongolian_History.jpghttp://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpghttp://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpghttp://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/0180650606010.pnghttp://business.eagleburgmann.com/lexikon/images/de/f256-1.jpghttp://media.noria.com/sites/archive_images/Backup_200503_OA101-Fig1a.jpghttp://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-page2_clip_image012.gifhttp://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-page2_clip_image012.gifhttp://failure-analysis.info/wp-content/uploads/2010/07/7-micro-soccer-balls.jpghttp://www.gordonengland.co.uk/img/wear3.gifhttp://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Engine.jpghttp://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Engine.jpghttp://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/s1600/2-stroke.gifhttp://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/s1600/2-stroke.gifhttp://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-convert-4-strokehttp://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-convert-4-strokehttp://static.ddmcdn.com/gif/diesel-two-stroke.gifhttp://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Real_two_stroke_diagram.gifhttp://www.cartype.com/pics/7746/full/wartburg-353w_brochure.jpghttp://www.global-trade.com.tw/images/Product/LX09-1E36%281%29.jpg

Nada uur Zavrni rad


[20] Metals Handbook, 8th Edition, Volume 7: Atlas of Microstructures of Industrial Alloys;

American Society for metals

[21] Filetin, Tomislav; Kovaiek, Franjo; Svojstva i primjena materijala; Sveuilite u Zagrebu;

Zagreb, 2009.

[22] http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdf

[23] http://www.eos.ca/TS5136.htm [24] http://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gif

[25] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-

vickers_hardness_test.png

http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdfhttp://www.eos.ca/TS5136.htmhttp://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gifhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.png

[20] Metals Handbook, 8th Edition, Volume 7: Atlas of Microstructures of Industrial Alloys; American Society for metals[21] Filetin, Tomislav; Kovaiek, Franjo; Svojstva i primjena materijala; Sveuilite u Zagrebu; Zagreb, 2009.[22] http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdf[23] http://www.eos.ca/TS5136.htm[24] http://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gif[25] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.png

Documents

Sveučilište u Zagrebu - FSBrepozitorij.fsb.hr/2647/1/28_02_2014_Sucur_Nada-Trosenje_klipnjace... · je tribologija znanstveno-stručna disciplina koja se sveobuhvatno bavi problemima