Uzura Deleanu Cap 2 I

22

Cap. 2. Forme de deteriorare în tribosisteme

2.1. Introducere Prognoza asupra deteriorării unui element sau a unui întreg sistem este

predicţia în timp aproape real, a duratei de viaţă rămasă pentru acesta, fiind cunos-cute măsurători şi evaluări ale deteriorării curente. Un element cheie în prognoza deteriorărilor este determinarea existenţei şi localizării ei. Înţelegerea mecanisme-lor de bază ale distrugerilor este importantă în recunoaşterea şi localizarea distru-gerilor, pentru a preveni distrugerea sau întreruperea din funcţionare, dar şi pen-tru a îmbunătăţi performanţele sistemului, pentru a-i optimiza componentele.

Există diferite categorii de deteriorări, funcţie de sistemul de clasificare. ASM Handbook Volume 11 – The Failure Analysis and Prevention [232] sugerează patru categorii de deteriorări: deformări nedorite, coroziune, uzură şi rupere.

Prima categorie se referă la modificările geometrice (deseori vizibile) ale componentelor sistemului (încovoiere, flambaj, contracţie, umflare, deformaţii plastice etc.). Cauzele obişnuite ale deteriorărilor prin deformare includ schimbări de faze produse de câmp termic, dilatări termice, absorbţia fluidelor (de obicei în materiale plastice), contracţii nedorite în adezivi din cauza depăşirii unor praguri termice legate de reacţii chimice ireversibile etc. Celelalte categorii de deteriorări sunt: coroziunea, uzura şi ruperea.

Coroziunea poate fi considerată, în esenţă, ca pierdere de material din cauza acţiunii chimice sau electrochimice [19, 58, 258, 268]. Uzura este îndepărtarea sau deplasarea materialului de pe suprafaţa materialului din cauza unei mişcări relative între solide, un solid şi un fluid (gaz sau lichid) [5, 6, 55, 136, 175, 335]. Ruperea implică separarea materialului sau fragmentarea elementului analizat [325, 335]. Există multe cauze care pot sta la baza unei ruperi, dar după aspectul, evoluţia în timp şi spaţiu, ruperea este particularizată ca fiind fragilă, ductilă sau de oboseală. Bineînţeles, pot exista combinaţii ale acestor categorii de deteriorare, în funcţie de natura materialelor şi de condiţiile specifice care le generează etc.

Fig. 2.1. Deteriorări: tipuri de bază şi mecanisme [21, 234]


23

Există diverse moduri de rupere prin oboseală, unele fiind binecunoscute, cum ar fi oboseala mecanică superficială sau în volum, oboseala termică. Alte mecanisme de deteriorare sunt atribuite coroziunii sau uzurii, fiind în principiu legate tot de mecanisme de oboseală (repetarea unei acţiuni chimice, mecanice etc.) [234, 235, 246]. Oboseala prin cavitaţie deseori este confundată cu oboseala de coroziune deoarece are loc în prezenţa unui fluid, deşi este posibil ca în unele aplicaţii, cele două mecanisme să se suprapună. Uneori cavitaţia este confundată cu uzura abrazivă doar pentru că rezultatul procesului este detaşarea de material din zonele superficiale ale corpurilor solicitate.

Un aspect foarte important este că frecvent mecanismele de deteriorare acţionează simultan [54, 246, 268, 281]. Uneori coroziunea precede oboseala sau acţionează împreună cu aceasta, crescând vitezele de propagare a fisurilor. În cazul fretting-ului, uzura (ca proces de detaşare a materialului) şi oboseala (ca proces de slăbire a acestuia) acţionează simultan, iniţiind şi propagând o deteriorare specifică [223, 273]. Deci, deşi există forme diferite de deteriorare prin oboseală într-o aplicaţie, nu este posibil sau este foarte dificil să se izoleze evoluţia uneia singure.

Fig. 2.2. Structura unui tribosistem. 1 şi 2 – triboelemente, 3 – corp intermediar (lubrifiant sau „al treilea corp”), 4 – mediu [DIN 50320, 55, 58]

Trebuie subliniat că oricare din cele patru elemente ale unui tribosistem se

poate deteriora din cauza setului de solicitări: corpurile solide se uzează şi îşi modifică proprietăţile (în special cele ale straturilor superficiale în contact), lubrifiantul sau corpul intermediar poate suferi modificări fizico-chimice iar mediul se poate impurifica cu rezultatele acestor procese de deteriorare, îşi poate modifica temperatura, compoziţia etc.

În acest capitol sunt prezentate mecanismele de deteriorare care pot apărea în contactul elementelor solide ale tribosistemelor (notate cu 1 şi 2 în Fig. 2.2), în mod deosebit procesele de oboseală şi de uzură, şi consecinţele lor, cu scopul de a

Deteriorări în tribosisteme

24

putea fi recunoscute, analizate, şi împreună cu informaţiile astfel acumulate din sistemul real, să poată oferi soluţii de reducere a intensităţii lor şi/sau de evitare a apariţiei lor în forme dezastroase pe durata de utilizare a sistemului, având la bază criterii de fiabilitate, economice şi de siguranţă. Majoritatea covârşitoare a siste-melor tehnice sunt proiectate cu sub-sisteme în mişcare relativă şi cu scopul de a-şi îndepli funcţia repetat, la anumiţi parametri şi cu o anumită probabilitate. De aici rezultă, inevitabil, prezenţa proceselor de oboseală ale materialelor şi de îndepăr-tare de material de pe suprafeţele contactelor mecanice în mişcare relativă [58].

2.2. Deteriorări prin oboseală şi uzură Uzura este un proces de distrugere a stratului superficial al unui corp solid la interacţiunea mecanică cu un alt corp solid, cu un fluid sau cu un fluid cu particule solide în suspensie. Dacă interacţiunea mecanică se produce sub acţiunea unei sarcini exterioare şi din cauza mişcării relative a corpurilor, implicit a frecării, atunci se defineşte uzura prin frecare [268]. Procesul de distrugere prin uzură implică nu numai detaşări de material, ci şi modificări structurale, chimice şi fizice în straturile superficiale, deformări. Uzura se analizează în funcţie de sarcinile aplicate, de viteză şi de mediu. Astfel, există distrugeri în condiţii statice (cum sunt deformaţiile şi coroziunea) şi în condiţii dinamice (sub sarcină şi în mişcare relativă) [54, 58, 135], acestea fiind numite şi tribodistrugeri. Caracteristicile mediului (temperatură, compoziţie, presiune etc. dar şi variaţiile particulare ale acestor caracteristici, pot influenţa semnificativ evoluţia distrugerilor din stratul superficial.

Procesul de uzură are aspecte particulare, dependente de tipul şi intensita-tea mişcării, de sarcină, de temperatură etc., într-un tribosistem apărând şi procese termice şi chimice, interacţionând cu distrugerile de tip mecanic. Distrugerea mecanică-termică-chimică a straturilor superficiale ca rezultat al mişcării relative sub sarcină, poate include, pe lângă îndepărtarea de material, şi deformări, curgeri, înmuieri ale straturilor superficiale, la scară micro sau macro.

În funcţie de componenta predominantă a unui proces de distrugere, specia-liştii admit patru forme fundamentale de uzură: adeziunea, abraziunea, oboseala, coroziunea (Tabelul 2.1) [89, 136, 234, 246, 268, 281].

Unii specialişti renumiţi în domeniu acceptă alte clasificări. De exemplu, Neale în lucrarea „Guide to Wear Problems and testing in Industry” [179], apărută în anul 2000, enumeră şapte tipuri semnificative de uzură:

- uzură abrazivă între două corpuri cu dimensiuni similare, - uzură abrazivă cu particule dure intermediare (care mai este cunoscută şi ca uzură „cu al treilea corp”) [95], - uzură de aderenţă, - uzură fretting, - uzură de cavitaţie sau eroziune de cavitaţie, când corpul solid este în contact cu un fluid cu viteză şi presiune variabile,


25

- eroziunea ca uzură produsă de un curent de particule solide pe un alt corp, - uzură prin oboseală. Neale recunoaşte că „uzura nu este un proces simplu şi mecanismele

individuale pot fi descrise, dar pot exista tranziţii între un tip de uzură şi oricare altul” [179].

Tabelul 2.1 (adaptat după [26, 246, 281])

Forme de bază de deteriorare

Forme particulare Natura proceselor predominante

Adeziune - transfer de material - adeziune moderată - adeziune severă: - gripare incipientă - gripare totală

Abraziune - microaşchiere - rizare prin deformare - eroziune abrazivă - brăzdare - zgâriere

procese mecanice, schimbări de fază în stare solidă, modificări de concentraţii şi de structură ale straturilor superficiale, procese termice

Oboseală - oboseală mecanică - pitting incipient - pitting distructiv (avansat) - exfoliere de oboseală (spalling) - oboseală termo-mecanică - cavitaţie

procese mecanice procese mecano-termice

- coroziune chimică (inclusiv oxidare) procese chimice - coroziune galvanică procese electrochimice - coroziune biochimică - tribocoroziune şi coroziune fretting

Coroziune

- coroziune de impact

procese mecanice, chimice, termice

După o documentare aprofundată şi luând în considerare tendinţele

teoretice şi experimentale din tribologie [6, 24, 83, 120, 136, 144, 175, 187, 234, 246, 268, 281], această lucrare propune clasificarea deteriorărilor tribologice (numite generic şi uzuri) în patru forme (Tabelul 2.1).

Chiar şi această clasificare a proceselor de distrugere trebuie abordată cu atenţie pentru că există forme particulare de uzură care pot fi cauzate de suprapu-nerea unor acţiuni, aşa cum este cazul uzurii tip fretting, această degradare fiind rezultatul oboselii materialului din stratul superficial sub acţiunea deplasărilor ciclice cu amplitudine mică, însoţită inevitabil de un proces chimic. În funcţie de procesul dominant (mecanic sau chimic), fretting-ul ar putea fi inclus în a treia sau a patra linie principală a Tabelului 2.1. Datorită frecvenţei şi importanţei lor în scoaterea din uz a pieselor, anumite combinaţii de distrugeri tribologice au primit denumiri specifice.

Unele procese de deteriorare nu implică decât în mică măsură îndepărtare de material, dominând procese de deformare locală la rece sau la cald, de încreţire, brinelare, fisuri de tratament sau de prelucrare (prin deformare, rectificare etc.).


26

Pentru un tribosistem dat, distrugerea poate fi considerată un pachet de procese, intercondiţionate, în care fiecare componentă nu poate fi anulată complet, dar este foarte posibil ca acţiunea uneia sau chiar a întregului „pachet” să fie minimalizată sau întârziată, astfel încât durabilitatea tribosistemului să crească [190, 191, 257]. Pe baza acestei observaţii s-au structurat următoarele subcapitole ale cărţii, destinate analizei formelor de uzură, specifice anumitor elemente de maşini (lagăre de alunecare şi de rostogolire, transmisii cu roţi dinţate); au fost selectate doar aceste elemente având în vedere importanţa lor în sistemele tehnice, participarea lor activă la îndeplinirea funcţiilor acestora, dar şi costurile mari de prelucrare şi mentenanţă în caz de distrugere. Nu înseamnă că celelalte elemente de maşini nu sunt importante; au şi acestea forme particulare de distrugere/ deteriorare, soluţii specifice de creştere a fiabilităţii sistemului din care fac parte. Şi aceste forme de distrugere trebuie studiate, analizate şi explicate, dar spaţiul oferit acestei lucrări nu permite o sinteză atât de cuprinzătoare. Din cauza frecvenţei de apariţie în practică, datorită bogatei şi eficientei activităţi de cercetare în economiile avansate (având engleza ca limbă oficială sau preferată în domeniile tehnice şi de cercetare), a simplităţii formei lexicale, multe forme specifice de deteriorări tribologice au denumiri împrumutate din limba engleză şi vor fi folosite astfel în această lucrare [228, 240, 271]. În principiu prima apariţie în acest text a unei denumiri de proces de deteriorare sau de uzură în limba engleză este însoţită de definiţii şi explicaţii, astfel încât parcurgea în continuare a informaţiilor şi analizelor efectuate să fie uşor de urmărit. Uzura triboelementelor depinde de perechea de materiale implicate, de stra-turile superficiale şi dinamica lor ca structură, proprietăţi, topografie, temperatură etc., existenţa sau nu a elementului intermediar (lubrifiantul), de proprietăţile termo-mecanice ale acestuia, de regimul de lucru (prin sarcină şi viteză, la rândul lor, fiind funcţii de timp), de condiţiile de mediu.

În funcţie de prezenţa unui lubrifiant, între suprafeţele în contact, sistemele tehnice pot funcţiona în unul din următoarele regimuri [6, 74, 89, 187, 192, 251]: - regim cu frecare uscată; - regim cu frecare în prezenţa unui lubrifiant. Acest ultim regim poate fi limită sau mixt (semi-fluid), sau cu peliculă portantă de lubrifiant.

Regimul cu peliculă de fluid poate fi: regim hidrostatic (HS) (pelicula se formează datorită presiunii statice, creată de pompe), regim hidrodinamic (HD) (pelicula se formează prin antrenarea forţată a fluidului în interstiţiul convergent, format între corpuri rigide, în mişcare relativă) [89], regim elastohidrodinamic (EHD1) (pelicula este generată într-un interstiţiu variabil, format între corpuri elastice, deformaţiile lor influenţând distribuţia de presiune în lubrifiant) [74].

Regimul limită este caracterizat prin interpunerea unor pelicule foarte sub-ţiri de lubrifiant între suprafeţele în contact. Aceste pelicule pot fi solide sau semi-fluide şi aderă sau se fixează pe suprafeţele corpurilor în mişcare relativă prin

1 simbolizat şi cu EHL – elastohydrodynamic lubrication în literatura de limbă engleză.


27

mecanisme chimice, de adsorbţie sau combinate. Frecarea nu se mai realizează între corpurile solide, ci între aceste pelicule subţiri, caracterizate prin coeficienţi de frecare mai mici. În acelaşi timp este împiedicată, cel puţin parţial, formarea micro-punţilor de sudură între asperităţi. Pe acest principiu acţionează aditivii din lubrifianţii moderni [211, 246, 257, 281]. Local şi la creşterea accentuată a presiunii pe anumite asperităţi, aceste pelicule se pot distruge şi apare contactul direct, crescând frecarea şi uzura suprafeţelor în contact.

Regimul mixt sau semifluid este caracterizat prin prezenţa simultană a zonelor cu contact direct şi a peliculelor parţiale de fluid, fiind specific perioadelor de tranziţie în funcţionare sau contactelor cu cel puţin un corp mai elastic (de exemplu, ca în cazul lagărelor cu cuzineţi din polimeri [5, 145, 226]).

2.3. Uzura de adeziune

Această formă de uzură este cauzată de micro-suduri ale asperităţilor suprafeţelor reale, care apar la contactul sub sarcină dintre două solide în mişcare relativă, producând transferul sau pierderea de material de pe straturile superficiale [271]. De regulă transferul de material în procesul de adeziune are o intensitate mai mare dinspre corpul mai moale spre corpul mai dur, dar acesta poate apare şi între corpuri cu durităţi apropiate, chiar din acelaşi material, lucru explicabil prin diversitatea condiţiilor locale de încărcare şi de formă pentru asperi-tăţile care vin în contact. Adeziunea ca proces de deteriorare se caracterizează prin viteze mari de uzură şi instabilitatea comportării tribologice (uzură neuniformă dar progresivă, coeficient de frecare instabil dar cu tendinţă de creştere rapidă). În plus, frecarea suprafeţelor generează un câmp termic cu valori ridicate, care, la rândul lui, accelerează procesul. Aspectele particulare sunt date de tipul materialelor în contact, de structura şi calitatea straturilor superficiale. Majoritatea căderilor şi defectelor care au la origine degradarea sau lipsa lubrifiantului duc la forme de uzură adezivă. Materialele metalice tind să sufere procese de uzură adezivă dar nu în acelaşi mod şi nici cu aceeaşi intensitate. Un rol important în mecanismul de aderenţă îl joacă straturile de oxizi şi de contaminanţi, de apă sau de alte fluide care, inevitabil, se găsesc pe triboelemente. Unele dintre acestea nu sunt favorabile aderenţei materialelor de bază. Adeziunea este redusă şi prin creşterea rugozităţii sau/şi a durităţii suprafeţelor în contact. Experimente pentru evidenţierea uzurii de aderenţă au arătat că procesul se dezvoltă diferit în vid comparativ cu atmosfera normală. Suprafeţele metalice în vid nu au pe straturile superficiale oxizii care se formează în atmosferă şi au modififări mai dramatice ale suprafeţelor, în aceleaşi condiţii de testare [36, 58].

Adeziunea între materialele metalice se poate explica prin transferul de electroni între suprafeţele contactului, atunci când distanţa dintre suprafeţele de separare este suficient de mică. Structura cristalină influenţează calitativ şi cantitativ adeziunea. Metalele cu structură hexagonal compactă au cea mai mică


28

tendinţă de adeziune pentru că au planele de alunecare mai distanţate şi sunt mai puţin ductile decât cele cu feţe centrate sau cu volum centrat (Fig. 2.3).

Fig. 2.3. Influenţa structurii reţelei cristaline asupra tendinţei de aderenţă a metalelor, exprimată prin coeficientul mediu de adeziune (definit la pagina următoare) [196, 210]

Adeziunea este influenţată şi de reactivitatea chimică şi electropozitivitatea

metalului sau a cuplului de metale. De exemplu, aluminiul este foarte „aderent” pe alte suprafeţe metalice, ceea ce nu se întâmplă cu metalele nobile. De aici rezultă importanţa testării proprietăţilor tribologice ale contactului uscat în condiţii cât mai apropiate de cele reale [22, 30, 33, 38]. Adeziune mai puternică apare între aceleaşi metale sau aliaje (cum ar fi fier pe fier, sau oţel pe oţel) dar şi pentru alte combinaţii de materiale metalice diferite. În primii ani după marcarea importanţei frecării şi uzurii sub denumirea unei ştiinţe – tribologia (în 1954 profesorul englez D. Tabor a folosit termenul pentru prima oară), multe studii teoretice şi experimen-tale au încercat să modeleze şi să cuantifice adeziunea [5, 36, 58, 83, 222, 233]. În 1984 Buckley a studiat adeziunea dintre un indentor conic, prelucrat din diferite materiale metalice, şi o plăcuţă de fier (tehnic), constatând că deşi a păstrat constantă forţa de apăsare (0,5mN) pentru realizarea aderenţei dintre suprafeţele metalice, forţa necesară separării aceloraşi suprafeţe a fost mai mare, pentru oricare dintre metalele folosite pentru prelucrarea micro-indentorului [36]. Figura 2.4 prezintă sugestiv această concluzie, cât şi solubilitatea metalului indentorului în fier. Se subliniază astfel că forţa de aderenţă nu poate fi proporţional corelată cu


29

solubilitatea metalului în fier şi nici cu mărimea atomului acestuia. Se observă că fier-pe-fier are cea mai mare forţă de adeziune, adeziunea mai mare între aceleaşi materiale metalice sau materiale similare fiind constatată şi de alte experimente [120, 128,142].

Fig. 2.4. Forţa de adeziune a unor metale pe fier şi solubilitatea acestora în fier [36]

Plumbul, staniul, cuprul şi argintul sunt des folosite în aliaje de lagăre

pentru a reduce frecarea prin reducerea, de fapt, a tendinţei de aderenţă cu fusul (de obicei din oţel), din cauza slabei lor reactivităţi chimice faţă de materialul piesei în rotaţie. Deşi scumpe, metalele nobile ca argintul şi aurul se folosesc în unele aplicaţii (roţi melcate şi segmenţi de pistoane, acoperiri pe contactoare electrice). Materialele impurificate au o tendinţă mai redusă de adeziune, de exemplu, oţel-pe-oţel are o uzură mai redusă decât fier-pe-fier.

Coeficientul mediu de adeziune este definit ca raport între forţa necesară distrugerii contactului şi forţa de apăsare care produce adeziunea, ca valoare putând ajunge şi la 20 [36, 246]; de aici şi tendinţa de blocare a contactelor care suferă un proces accelerat de adeziune. Adeziunea este puternic influenţată de câmpul termic, care este de cele mai multe ori factorul care o iniţiază şi accelerează. Procesul poate apărea şi la temperaturi normale sau joase dacă sunt îndeplinite local condiţiile de realizare a microsudurilor între asperităţi (de exemplu, o sarcină normală foarte mare, la alunecare cu viteze relativ mici) [70].

Modelele uzurii adezive se bazează pe contactul real al suprafeţelor rugoase [5, 24, 246, 268]. Când pe două asperităţi în contact, din cauza sarcinii aplicate, se depăşeşte limita de curgere a cel puţin unuia din materiale, rezultă o micro-sudură care se va rupe dacă efortul de forfecare exterior este suficient de mare. Această rupere nu are loc la faţa de separare a celor două materiale, ci în materialul mai


30

moale. Rămâne o urmă caracteristică, puţin alungită în sensul de mişcare. Pe corpul mai dur, micro-volumul aderat, mai moale, este supus în continuare unui proces de deformare şi de ecruisare, de zgâriere, de către alte asperităţi, în final detaşându-se parţial sau în mare măsură, sub formă de particule de uzură. Acestea pot fi smulse sau detaşate împreună cu micro-volume din materialul mai dur.

Kato [135, 136] propune două modele de aderenţă pentru suprafeţele meta-lice în contact, cu alunecare. Dacă interfaţa contactului dintre cele două suprafeţe are suficientă rezistenţă adezivă pentru a se opune alunecării, în zona contactului apare o deformaţie plastică importantă, sub acţiunea locală a tensiunilor de com-presiune şi forfecare, şi o alunecare extinsă în lungul planelor de alunecare, în cristalele sau grăunţii cristalini ai zonei deformate. Sub acţiunea combinată de compresiune şi de forfecare, materialul mai ductil formează benzi, următoarea etapă fiind iniţierea fisurii şi propagarea ei într-un mod combinat de rupere la tracţiune şi forfecare, în zona din faţa contactului (Fig. 2.5a). Deformaţia plasti-că mare în zona de contact formează uneori depuneri similare celor de pe tăi-şurile de sculă, urmate de iniţierea rupe-rii combinate prin tracţiune şi forfecare, în zona din spatele contactului (Fig. 2.5b).

Când fisura atinge suprafaţa de contact, se detaşează o particulă de uzu-ră. Procesul descris în Fig. 2.5 corespun-de unei singure treceri dar, în realitate, acesta se repetă, statistic, cu diferite in-tensităţi, în funcţie de forma asperităţi-lor, de tensiunea locală, temperatura in-stantanee. Detaşarea particulelor de uzu-ră se intensifică, rezultând şi alte procese de uzură, cel mai probabil, cel abraziv. Cercetătorii au demonstrat că uzura ade-zivă nu poate exista independent de uzura abrazivă din cauza deformării muchi„laminare” sau comprimare) şi care suferădure decât materialul original [78, 83, 175, 2 Un alt model evidenţiază că ductilitacontact favorizează adeziunea (Fig. 2.6). Dudurităţi diferite, asperitatea din material msarcinii normale şi naturii materialelor apamită şi micro-sudură sau micro-joncţiune). Eproprietăţile mecanice prin deformare şi atuse propagă până la desprinderea completă, pe corpul mai dur. În contact acest mecanis

a) b) Fig. 2.5 Modele pentru uzura adezivă

ilor micro-volumelor deja aderate (prin un proces de ecruisare, devenind mai 46, 258]. tea mai mare a unuia din materialele în pă ce vin în contact două asperităţi de ai ductil se deformează iar din cauza

r condiţiile creării micro-aderenţei (nu-ste posibil ca asperitatea să-şi modifice nci apare o fisură la baza acesteia, care un micro-volum de material rămânând m se repetă de câte ori se întâlnesc câte


31

două asperităţi de pe suprafeţele în mişcare care îndeplinesc condiţiile de aderenţă, ceea ce justifică modificarea rapidă a topografiei suprafeţelor în mişcare, care parti-cipă la preluarea sarcinii. În plus, asperităţile astfel formate vor intensifica procesul de uzură abrazivă, caracteristic contactelor uscate, rugoase. În varianta b) din Fig. 2.6 materialul mai moale rămâne ductil iar ruperea va avea şi ea un caracter ductil. În principiu, materialul rămas pe asperitatea mai dură este mai redus ca volum iar topografia suprafeţei nu se modifică atât de spectaculos ca în varianta a). Acest mod de uzură adezivă este preferat pentru lagăre de alunecare [20, 61, 76, 141].

Fig. 2.6. Modelul uzurii adezive [246]

Fig. 2.7. Aliaj de Al-Si transferat pe un segment de piston. Se poate observa

neuniformitatea procesului [246]

Micro-volumele aderate pot evolua astfel: fie sunt predominant detaşate la următoarele treceri, fie rămân predominant pe suprafaţa mai dură, formând aşa-numita peliculă de transfer. În unele cazuri materialul aderat este neuniform distribuit pe suprafţa contrapiesei (Fig. 2.7).

Uzura de aderenţă se dezvoltă şi la dispariţia locală a lubrifiantului, chiar pe durate scurte, în proces generându-se un câmp termic cu valori mari. Dacă pelicula de lubrifiant se distruge, chiar parţial, contactul dintre corpuri se face direct pe vâr-furile asperităţilor iar frecarea va genera un câmp termic favorabil producerii unor micro-suduri, ruperea lor necesitând un consum de energie din ce în ce mai mare; la începutul procesului de adeziune, continuarea mişcării este încetinită, apoi chiar blocată. Tot datorită câmpului termic micro-sudurile pot apărea mai repede şi la sarcini mai mici, generându-se deformaţii plastice sau topiri locale ale materialelor.


32

a) formarea unor particule de uzură,

aproape sferice, prin detaşarea de micro-volume de pe ambele suprafeţe.

b) antrenarea pariculei de uzură în contact şi aplatizarea ei din cauza sarcinii normale în

contact

c) particula de uzură se dezvoltă, se roluieşte

şi continuă să se aplatizeze d) antrenarea în continuare în contact duce

la mărirea particulei de uzură

Fig. 2.8. Modelul uzurii adezive cu particule-conglomerat de uzură [222, 246]

Stakowiak [246] propune un alt model de uzură adezivă (Fig. 2.8). Acesta este confirmat de experimente

[25, 128, 141], mai ales pentru aliaje de lagăre (Fig. 2.9) [222]. Particulele de uzură sunt un amestec din cele două materiale în contact, care cresc în

volum şi sunt presate în contact, rezultând o structură lamelară, deseori

ecruisată; aceste particule mari şi rezis-tente mecanic sunt greu de evacuat din contact, iar la presiuni mari apar microaderenţe puternice între microvolume de acelaşi material, unele din particula de uzură şi altele de pe suprafeţele triboele-mentelor (Fig. 2.10).

Fig. 2.9. O particulă-conglomerat de uzură [222]

Fig. 2.10. Modelul gripării suprafeţelor din cauza particulelor-conglomerat, generate prin

procese de adeziune între particulele de uzură şi suprafeţele cu care vin în contact [246, 222]


33

Rezultatul este o uzură abrazivă intensă (tip brăzdare). La un moment dat particulele de uzură aderă atât de puternic la ambele suprafeţe încât legăturile nu mai pot fi rupte, şi nici particulele, devenite rezistente mecanic din cauza deformă-rii repetate, nu mai pot fi forfecate: este forma finală de distrugere prin adeziune, griparea. Figura 5.54 arată griparea a două roţi dinţate pe care se observă prezenţa multor particule mari aplatizate (şi din cauza câmpului termic cu valori foarte ridicate), formate, foarte probabil, după modelul prezentat în Fig. 2.10. Astfel de particule-conglomerat sunt greu de evacuat din contact iar antre-narea lor prin contact nu face altceva decât să continue aderarea microvolumelor de pe ambele suprafeţe. Din cauza aplatizării şi a deformaţiilor plastice ale materia-lului „adunat”, acesta suferă ecruisări neuniforme, particula fiind greu de „spart” sau fragmentat. Aceasta se poate ataşa puternic de una din suprafeţe, generând pe cealaltă uzură abrazivă, de tip macro-brăzdare. Micro-zone ale suprafeţei libere a particulei vor adera puternic la suprafaţa materialului de acelaşi fel. Dacă sarcina şi temperatura în contact cresc (şi firesc se întâmplă aşa, pentru că frecarea particu-lelor produce un câmp termic suplimentar iar sarcina va avea variaţii mari din cauza instabilităţii distanţei între corpurile în contact, instabilitate indusă de particulele-conglomerat), particulele nu vor mai putea fi detaşate şi nici antrenate afară din contact. Rezultatul este uzura adezivă severă – griparea.

Unele forme de uzură de aderenţă au denumiri specifice. Scuffing-ul2 (Fig. 2.11) este un proces localizat de deteriorare, cauzat de

micro-suduri în fază solidă între vârfurile asperităţilor celor două suprafeţe, fără topirea locală a suprafeţelor, dar şi o formă de uzură adezivă care apare între su-prafeţe iniţial lubrifiate la care, din diverse cauze, pelicula de lubrifiant se distruge [2, 34, 57, 60, 63, 302, 304, 264]. Rezultă micro-smulgeri rugoase, cu o densitate mai mare în zonele de presiune mare de contact şi în zonele cu alunecări mai mari.

Modelul lui Blok (1937) [citat în 63] sugerează că iniţierea scuffing-ului apare când temperatura totală în contact atinge anumite valori specifice cuplului de ma-teriale pentru iniţierea adeziunii, mai ales când pelicula de lubrifiant este subţire sau chiar inexistentă local. Temperatura totală are două componente: o parte caracteristică volumului pieselor – o temperatură medie (relativ uşor de măsurat sau calculat), peste care se suprapune o creştere instantanee, locală, a temperaturii suprafeţelor în contact. Temperatura instantanee, mult mai mare decât valoarea medie din volumul pieselor, poate atinge un prag critic, de la care se iniţiază scuffing-ul. Şi alţi factori contribuie la declanşarea acestuia: suprasarcină, şoc mecanic, rugozitate mare (fie doar şi locală), raportul între alunecare şi rostogolire. Totuşi, temperatura instantanee nu este un criteriu suficient pentru estimarea cu o bună probabilitate a existenţei scuffing-ului. De exemplu, s-a constatat că prezenţa oxigenului în lubrifiant întârzie apariţia scuffing-ului, pentru anumite cupluri de materiale, din cauza formării unor pelicule protectoare şi rezistente de oxizi [221, 231].

2 scuff – a merge / a umbla târşâind / târând picioarele; a râcâi; a roade; scuffed – ros, zgâriat (extras din Dicţionar englez-român, Leviţchi L., Bantaş A., Ed. Teora, 2003); în sens tehnic cuvântul scuffing s-a îndepărtat de sensul literar, şi înseamnă proces de deteriorare şi de uzură, rezultatul vizibil având urme în sensul de mişcare.


34

a) Pe un cilindru de piston din fontă [366] b) Urme de scuffing la partea superioară a

alezajului cămăşii de cilindru din a) [366]

c) Pe un tachet [83]

Fig. 2.11. Aspecte macro ale scuffing-ului Scuffing-ul este specific elementelor de maşini cu mişcare de alunecare (un

exemplu este dat în Fig. 2.11a şi b pentru cilindrii de piston şi cămăşile lor) sau cu mişcare combinată, de rostogolire cu alunecare: la roţi dinţate, la sistemul came-tacheţi (Fig. 2.11c şi Fig. 2.12) etc.

Fig. 2.12. Arbore cu came cu suprefeţele de lucru deteriorate

prin smearing (uzură adezivă) [275]


35

Smearing-ul3 este o formă particulară de uzură de adeziune, caracterizată prin transferarea materialului de pe o suprafaţă pe alta [268, 302]. Apare de obicei în tribosisteme cu corpuri relativ dure (la rulmenţi), la mişcări de alunecare şi rostogolire cu alunecare (mare), sub sarcină, în prezenţa unui câmp termic cu valori atât de mari, încât în oţeluri apar condiţii locale de călire repetată. Cauzele apariţiei smearing-ului pot fi multiple, uneori chiar suprapunându-se. Un singur exemplu aici: în lipsa unui lubri-fiant sau în prezenţa unui lubrifiant neadecvat, care nu produce sau nu mai poate produce peliculă. De exemplu, din cauza scăderii drastice a vâscozităţii, frecarea între suprafeţele laterale ale rolelor unui rulment şi colivie poate crea condiţiile apariţiei smearing-ului. Iniţial, când apare contactul direct între suprafeţe, frecarea de alunecare se caracterizează prin valori mari ale coeficientului de frecare, generând, deci, un câmp termic care va permite sudarea asperităţilor şi transferul localizat de material. Dacă mişcarea mai poate continua, aceste micro-aderenţe, în funcţie de mişcarea triboele-mentelor, se distrug prin forfecare (mai ales la alunecare) sau prin smulgerea unui micro-volum din materialul mai moale (la rostogolire cu alunecare). Deşi acest proces de distrugere prin aderenţă este recunoscut ca atare, unii specialişti îl numesc şi scoring4, mai ales în legătură cu distrugerea roţilor dinţate [60], dar şi pentru rulmenţi (Fig. 2.13). Micro-craterele rezultate în urma distrugerii micro-aderenţelor (micro-sudurilor) locale, pot avea forma de micro-ciupitură aproape sferică sau de micro-lacrimă (la roţi dinţate, în zonele cu rostogolire cu alunecare, sau la rulmenţi, când din diverse cauze apare o alunecare forţată între elementele acestora). Pe suprafeţele laterale ale rolelor de rulmenţi în contact cu colivia, urmele de smearing pot avea o

Fig. 2.13. Scoring pe inelul unui rulment [280]

3 smear – a păta, a murdări, a mânji, a mâzgăli (extras din Dicţionar englez-român, Leviţchi L., Bantaş A., Ed. Teora, 2003); sensul tehnic al cuvântului s-a îndepărtat de sensul literar dar aspectul macro al deteriorării este cel de pată. 4 score – urmă, semn; tăietură, crestătură; zgârietură; a face crestături (extras din Dicţionar englez-român, Leviţchi L., Bantaş A., Ed. Teora, 2003). În sens tehnic scoring este definit ca „zgârieturi adânci pe suprafaţa unei piese” [57]


36

formă curbă, indicând o mişcare de alunecare, dar cu traiectorie curbă (Fig. 2.13). Exemple de suprafeţe distruse prin smearing sau scoring vor fi detaliate în următoarele capitole.

Contactul direct între asperităţi şi sarcina mare în contact produc concentrări localizate de tensiuni care pot genera fisuri şi exfolieri, accelerând procesul de distrugere a suprafeţelor. Dacă suprafeţele sunt din materiale similare, urmele de smearing sunt asemănătoare, în cazul materialelor cu structuri şi compoziţii diferite, uzura de tip smearing sau scoring diferă pe cele două suprafeţe.

a) pe arborele unui pinion de la cutia de

viteze a unui automobil [321] b) pe capetele bolţului unui

piston de motor [314] Fig. 2.14. Galling (uzură adezivă severă)

Galling-ul5 este o formă severă de deteriorare cu forfecare şi detaşare locali-

zată de material, macroscopică, rezultatul fiind zone foarte rugoase, bombări prin deformare plastică, peste nivelul suprafeţei iniţiale, implicând şi curgeri plastice şi/sau transfer de material (Fig. 2.14) [325, 328, 340]. Procesul este iniţiat la o depă-şire a unei presiuni limită de contact, putând fi un precursor al ruperii. Dacă mate-rialele în contact sunt similare, uzura de aderenţă se manifestă pe ambele supra-feţe; apar micro-joncţiuni mai dese iar ruperea, funcţie de sarcina locală şi de geo-metria asperităţilor, are loc când pe o suprafaţă, când pe alta. Este cazul contactului oţel-pe-oţel, slab lubrifiat, ca la roţi dinţate. Dacă temperatura creşte, lubrifierea devine ineficientă iar procesul se intensifică: creşte numărul de particule detaşate dar şi volumul lor.

5 gall – jupuitură, julitură; rosătură; a juli, a roade; galling – care roade (extras din Dicţionar englez-român, Leviţchi L., Bantaş A., Ed. Teora, 2003). În sens tehnic cuvântul galling înseamnă „o aderenţă localizată, rzultată prin sudare, urmată de spalling (exfoliere, detaşare) şi creşterea rugozităţii suprafeţelor metalice în contact cu mişcare, ca rezultat al frecării excesive şi a contactului metal-pe-metal pe zone (asperităţi) înalte” [57].

Uzura Deleanu Cap 2 I

Documents

Transcript of Uzura Deleanu Cap 2 I