Urządzenia dla inżynierii materiałów

TRIBOLOGIA

Tribologia jest nauką o procesach zachodzących w ruchomym styku ciał stałych. Nazwa pochodzi od greckich słów „tribos”- tarcie i „logos”- słowo, mowa, wiedza. Innymi stosowanymi określeniami są „tribotechnika” oraz „tribotechnologia”, jednak to właśnie nazwa „tribologia” jest najbardziej rozpowszechniona.

Dziedzina ta obejmuje badania nad: tarciem, zużyciem, smarowaniem różnych podzespołów ruchomych w celu zrozumienia tych procesów. Tribologia jest niezwykle istotna w badaniach eksploatacji jak również konstrukcji ruchomych części maszyn, np. dla łożysk. Jest to dziedzina interdyscyplinarna, obejmująca zagadnienia dotyczące zarówno chemii, fizyki, materiałoznawstwa, jak i mechaniki. Po raz pierwszy użyto określenia Tribologia w 1966 r., w raporcie JOST. Jednak samo zainteresowanie tą dziedziną rozpoczęło się już w renesansie, za sprawą Leonarda da Vinci, który jako pierwszy wprowadził nazwę „siła tarcia” i zdefiniował podstawowe prawa tarcia, które dziś noszą nazwę praw Amontona.

To właśnie Guillaume Amontons na nowo wprowadził prawa tarcia w 1699 r. (należy pamiętać, że prawa te nie zawsze są dokładnie spełnione):

1. Siła tarcia jest proporcjonalna do obciążenia
2. Siła tarcia jest niezależna od powierzchni tarcia

Trzecie prawo zostało dodane w 1780 r. przez francuskiego fizyka Charles-Augustina Coulomba:

3. Siła tarcia ciała wprowadzonego w ruch jest niezależna od prędkości przesuwu ciała.

Należy pamiętać, że tarcie jest zjawiskiem występującym bardzo powszechnie np. podczas chodzenia, przesuwania przedmiotów etc.. Procesom tarcia towarzyszy zużycie materiałów, a procesy zużycia ze względu na przyczyny można podzielić na tribologiczne i nietribologiczne.

Zużycie tribologiczne wywołane jest tarciem i ma charakter mechaniczno- fizyczno- chemiczny, towarzyszy zarówno tarciu suchemu, jak i mieszanemu.

Większość materiałów spełnia wspominane wcześniej trzy prawa tarcia, jednak należy pamiętać, że przykładem materiałów nie spełniającym pierwszego prawa są polimery.

W standardowym teście tribologicznym kulka, pin lub płaska powierzchnia (przeciwpróbka) jest dociskana do próbki testowej z dokładnie znaną siłą.

Przykład eksperymentu ball-on-disc

Przeciwpróbka montowana jest na sztywnym elemencie, który stanowi beztarciowy przekaźnik siły. Współczynnik tarcia określany jest w trakcie badania poprzez pomiar ugięcia elastycznego ramienia. Współczynnik zużycia próbki oraz przeciwpróbki jest przeliczany z objętości materiału wytartego podczas testu. Ta prosta metoda pozwala badać tarcie oraz zużycie niemal każdej znanej kombinacji materiałów w stanie stałym, w układzie ze smarowaniem lub temperaturą. Co więcej kontrola parametrów testu, takich jak prędkość, częstotliwość, nacisk, czas, parametry środowiskowe (temperatura, wilgotność, lubrykant) pozwala symulować typowe, rzeczywiste warunki panujące dla danej pary trącej.

CHARAKTERYSTYKA TRIBOMETRÓW ANTON PAAR TRITEC:

• Wysoka rozdzielczość osiągana dzięki specjalnie zaprojektowanym dwóm czujnikom siły tarcia.
• Wysoka precyzja ustawienia ruchu motoru.
• Precyzyjnie skalibrowany instrument dla procesów zużycia i tarcia.
• Możliwość ogrzewania próbki.
• Testy zgodne z ASTM G99 i DIN 50324.
• Testy w cieczach oraz kontrolowanej atmosferze.
• Testy w próżni.
• Wbudowane czujniki temperatury i wilgotności
• Możliwość dostosowania urządzenia do własnych potrzeb lub przekonstruowanie systemu.

MOŻLIWOŚCI

Możliwość zmiany niemal wszystkich parametrów pomiaru tribologicznego pozwala na przeprowadzenie badań:

1. Badania wysokotemperaturowe. Coraz szybszy rozwój technologiczny wymusza poszukiwanie materiałów, przeznaczonych do pracy w warunkach zmiennych obciążeń oraz podwyższonych temperaturach. Badania tribologiczne umożliwiają poszukiwania nowych materiałów na przykład na klocki samochodowe oraz tarcze hamulcowe. Dzięki badaniu zużycia materiałów w podwyższonych temperaturach możliwa jest ocena który powinien być przeznaczony na dany element. Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone na narzędzia do obróbki na sucho, pracujące w wysokich temperaturach również badane są z wykorzystaniem tribometru wysokotemperaturowego.
2. Badania w cieczach. Badając próbki w otoczeniu cieczy oraz na sucho można sprawdzić zmiany właściwości tribologicznych materiałów pracujących w takich warunkach. Stosowanie substancji smarownych jest jednym ze sposobów zapobiegania niekorzystnym skutkom tarcia. Dzięki tego typu badaniom możliwe jest również poszukiwanie nowych baz substancji smarnych, obniżających opory ruchu i zużycie.
3. Badania tribokorozyjne. W agresywnym środowisku chemicznym tarcie może sprzyjać rozwojowi korozji i szybszemu zużywaniu się materiału – to zjawisko nazywane jest tribokorozją. Stosując cele tribokorozyjne z potencjostatem można badać zmiany współczynnika tarcia oraz zjawiska elektrochemiczne jednocześnie. Testy tego typu najczęściej stosowane są w inżynierii biomateriałów (implanty medyczne) i przemyśle (między innymi w elektrowniach atomowych).
4. Tribologia w próżni. Elementom pracującym w próżni stawia się dużo większe wymagania niż tym pracującym w normalnych warunkach atmosferycznych. Dodatkowo często najbardziej interesujące jest porównanie tarcia danej pary trącej występującego w warunkach atmosferycznych oraz w próżni (np. elementy wahadłowców). W tribometrze próżniowym można badać wpływ wiązań adhezyjnych (występujących na styku dwóch czystych powierzchni), które w konsekwencji mogą doprowadzić do powstawania dużych oporów tarcia i dużego zużycia.