MATERIJALI OTPORNI TROŠENJU - MOT

Uvod o trošenju

Procesi trošenja prisutni su u prirodi gdje god postoje dva dijela materije u relativnom gibanju (dinamički kontakt).

1

Neki od tih procesa su tako polagani da ih redovito ne primjećujemo (npr. trošenje naših vlastitih zglobova).

U tehnici se bavimo onim procesima trošenja koji predstavljaju problem jer dovode do neželjenog smanjenja ili prestanka funkcije tehničkih sustava

MATERIJALI OTPORNI TROŠENJU - MOT

Trošenje nastaje kao rezultat složenih interakcija između elemenata

sustava pod djelovanjem dinamičkog opterećenja

2

Slika 1. Shema tribosustava

Otpornost trošenju = f ( 1 2 3, , , , , ,…. v F ….)= f (tribosustav)

Ne postoji univerzalni materijal otporan trošenju!!!

Kako se boriti protiv trošenja :

3

Kako se boriti protiv trošenja :

• Izborom materijala

• Inženjerstvom površine

• Konstrukcijskim rješenjima

• podmazivanjem, itd.

Adhezija

Adhezijsko trošenje karakterizira prijelaz materijala s jedne klizne plohe na drugu prirelativnom gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza.

4Slika 2. Jedinični događaj adhezije

Mikrozavarivanje

Raskidanje mikrozavarenog spoja

Otkidanje čestice

Za materijale koji nisu skloni stvaranju mikrozavarenih spojeva kažemo da su INKOMPATIBILNI i to je osnovni zahtjev na materijale tarnog para u slučaju kada postoji opasnost od adhezije.

Inkompatibilnost se može definirati samo kao svojstvo tarnog para a ne materijala pojedinačno.

5

para a ne materijala pojedinačno.

Na inkompatibilnost povoljno utječu razlike u kemijskom sastavu i kristalnoj strukturi površina u kontaktu

Dobro:

1. Čelik/ležajni materijal

2. Nitriranje, CVD, PVD

3. Keramika/keramika (male sile npr. žiroskop u svemirskim letjelicama)

6

Loše:

1. Ferit/ferit (kotač/kočna papuča)

2. Ferit/austenit (matica/vijak zasuna)

3. Austenit/austenit

7

8

Umor površine

Umor površine je odvajanje čestica s površine uslijed cikličkih promjena naprezanja.

Stvaranje mikropukotine, redovito ispod površine

9

Napredovanje mikropukotine

Ispadanje čestice trošenja, obično oblika pločice ili iverka

Slika 3 . Jedinični događaj umora površine

Mikroskopske pukotine nastaju na mjestu maksimalnog smičnog naprezanja.

Mikroskopske pukotine već postoje u materijalu (razni defekti) ili tek nastaju djelovanjem promjenjivog opterećenja na gibanje i gomilanje dislokacija.

10

Otpornost na umor površine naziva se i DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE. Ovisi o otporu gibanju dislokacija, a na njega utječe veliki boj čimbenika (npr.: podpovršinski koncentratori naprezanja, površinske pogreške, diskontinuteti u geometriji dodira, itd).

gomilanje dislokacija.

Dobro*:

1. Cementirani čelik

2. Kaljeni čelik

3. ADI (izotermički poboljšani nodularni lijev)

11

Loše:

1. Pogrešno toplinsko obrađeni čelici (npr. zaboravljeno kaljenje)

2. Nitriranje (za visoka naprezanja)

*Sve ovisi o naprezanjima. Npr. dobra rješenja su i:• Polimerni zupčanici (samo prijenos gibanja)• Keramički kuglični ležajevi (svemirska tehnika)

12

13

AbrazijaAbrazija je trošenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim česticama ili tvrdim izbočinama

Više od 50% svih slučajeva (troškova) trošenja!

Prodiranje abraziva (a) u površinu materijala (1)

14

Prodiranje abraziva (a) u površinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponente opterećenja FN

Istiskivanje materijala u obliku čestica trošenja (č) pod utjecajem tangencijalne komponente opterećenja Ft

Slika 4 . Jedinični događaj abrazije

Osnovni uvjet da dođe do abrazije je da postoji tvrđi element, to jest da je Ha>Hm

Prema tome osnovi zahtjev na materijal u pogledu otpornosti na abrazivno trošenje je TVRDOĆA.

Dobro:

1. Bijeli lijev s ~ 3%C; 15%Cr i 3%Mo

Ha<Hm

15

HVe

400,,

≈+ γγ

Ke (Cr7C3) Kvarc SiO2

~1400HV ~1200HV

Ovaj BL moguće je obrađivati rezanjem (keramički alat) jer su karbidi nepovezani, za razliku od nelegiranog BL

Prije navedeni BL ima najbolju lomnu žilavost od svih bijelih lijevova (~800 N/mm3/2)

2. Navarivanje elektrodama* koje daju sličan satav i strukturu navara kao pod 1

* Proizvodi ih i Elektroda Zagreb. Važan je sastav (~3% C, ~15%Cr) odnosno struktura (Cr7C3

e), a ne HRC! Ovo će biti na vježbi!

3. Boriranje (~1800HV)

16

3. Boriranje (~1800HV)

4. Vanadiranje (~2800HV)

5. PVD, CVD (samo za niska naprezanja)

Loše: Ha>Hm

Npr.: SiO2 αc

1200HV 800HV

17

18

19

20

21

Erozija česticama je gubitak materijala s površine krutog

tijela (1) zbog relativnog gibanja (strujanja) fluida (3) u

kojem se nalaze krute čestice (a).

Erozija krutim česticama

Slika 5. Shema procesa erozije česticama

Relativno gibanje se može opisati kao strujanje. Postoji slijedeći stupanj opasnosti od pojedinih mehanizama

22

slijedeći stupanj opasnosti od pojedinih mehanizama trošenja:

• Abrazija – vrlo visoki

• Umor površine - visoki

Budući da osim mehanizma abrazije i procesima erozije krutim česticama značajan i mehanizam umora površine, njihovi učinci i utjecaji različitih čimbenika opisuju se na razini jediničnog sudara čestica s trošenom površinom, što je prikazano na slijedećoj slici.

Slika 6. Jedinični sudar krute čestice s trošenom površinom

23

‘’Upad’’ krute čestice trošenja

određenom brzinom gibanja i pod

određenim kutom, te njezin sudar

s trošenom površinom materijala

‘Odbijanje krute čestice od trošene

površine uz prateće razerenje površine

otkidanjem djelića materijala u obliku

čestice trošenja

Slika 6. Jedinični sudar krute čestice s trošenom površinom

Ovisno o veličini kuta α (kut udara) imati ćemo slijedeće mehanizme trošenja:

• mali α → ABRAZIJA

• veliki α → UMOR POVRŠINE

Na narednim slikama prikazano je kako duktilni matreijali, kao metali i legure,

postižu najveći stupanj erodivnosti pri manjim kutevima udara, npr. 15O - 30O.

Za razliku od njih, krkhi materijali kao npr. staklo, keramika najveće vrijednosti

postižu kod većih kutova, tj oko 90O

24

Dobro:

1. Pjeskarilica

• Unutrašnje stjenke komore obložene

25

• Unutrašnje stjenke komore obložene gumom zbog velikog kuta udara α

• Sapnica u odnosu na obrađeni materijal je

pod malim kutem udra α, jer se obrađuje

tvrdi metal

Loše:

1. Čelik ‘’otporan trošenju’’ npr HARDOX

26

27

28

29

Erozija kapljevinomErozija kapljevinom je trošenje izazvano strujanjem

kapljevine ili plina s kapljicama. Slično kao kod erozije

česticama ali bez krute faze! Zato je isključen

abrazijski mehanizam trošenja, a ostaje umor

površine kao najopasniji mehanizam trošenja.

Umor površine postaje problem tek kada su brzine sudara iznad 100m/s, tada

govorimo o kapljicama koje udaraju u trošeni materijal. Ako je brzina ≈3m/s

30

govorimo o kapljicama koje udaraju u trošeni materijal. Ako je brzina ≈3m/s

govorimo o mlazu

Pokazatelj otpornosti na trošenje je DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE.

Karakteristični primjeri erozije kapljevinom su:

• lopatice parnih turbina

• zrakoplovi

31Slika 8. Relativna otpornost nekih materijala na eroziju kapljevinom

Dobro:

1. Steliti (legure s ≈50% Co)

• lijevani

Mjera za izbjegavanje erozije kapljicama je izbor materijala dovoljne dinamičke izdržljivosti

32

• Navareni

• naštrcani

Loše:

1. Čelik (α’+P) npr cjevovod Sisak

33

34

35

Kavitacijska erozija

Kavitacijska erozija je trošenje krutog tijela pri

strujanju kapljevine u kavitacijskom režimu tj., uz

nastajanje i naglo implodiranje mjehurića pare što

izaziva visoke lokalne udarne tlakove ili temperature.

Relativno gibanje može se opisati kao strujanje. Mogući su slijedeći mehanizmi

trošenja:

36

trošenja:

• umor površine – jako visoki utjecaj

• tribokorozija – niski utjecaj

Pokazatelj otpornosti na trošenje je DINAMIČKA IZDRŽLJIVOST POVRŠINE.

Mjere za izbjegavanje kavitacijske erozije:

• konstrukcijske mjere

• izbor materijala dovoljne dinamičke izdržljivosti površine

• dodavanje aditiva za smanjenje napetosti površine tekućine

Dobro:

1. Materijali s što većim Rd npr. za propelere

37

d

• sivi lijev

• bronca

• nehrđajuči čelik:

� austenitni

� martenzitni

niski Rd

visoki Rd

smjer razvoja

38

39