Mecanisme de Degradare a Suprafețelor

2. Mecanisme de degradare a suprafeţelor

2.1 Consideraţii generale

Distrugerea stratului superficial constituie 70% din cauzele deteriorării organelor de maşini. Deteriorarea suprafeţelor se manifestă sub formă de deformaţii plastice locale sau îndepărtarea (adaosul) de material prin coroziune şi uzare. În aceast volum se va analiza degradarea suprafeţelor în procesele de frecare-uzare şi în formele complexe de frecare - uzare asociate cu coroziunea.

Frecarea externă se manifestă prin rezistenţa la mişcarea relativă sau a tendinţei de mişcare a unor corpuri în contact, însoţită de un consum de energie. Frecarea interioară apare în interiorul unei pelicule continue de fluid şi se exprimă prin vâscozitatea fluidului. Procesele de frecare sunt disipative de energie. Ele au ca efect încălzirea corpurilor în contact, deformaţii ale contactului, modificări structurale şi ale stării de tensiuni.

Procesul de uzare constă în îndepărtarea (adaosul) de material de pe suprafaţa corpurilor în frecare sau apariţia de deformaţii plastice, transformări structurale şi tensiuni interne, care conduc la modificarea stării iniţiale a suprafeţelor în contact.

Tribologia (etimologia cuvântului provine de la cuvintele greceşti tribos - frecare, logos-ştiinţă) este ştiinţa care se ocupă cu studiul proceselor de frecare – ungere – uzare, care apar la suprafeţele în contact, cu mişcare relativă.

Tribologia urmăreşte micşorarea pierderilor de energie şi material prin frecare, creşterea randamentului mecanic şi a fiabilităţii, reducerea cheltuielilor de întreţinere şi exploatare a sistemelor mecanice.

Pentru a studia mecanismele de degradare a suprafeţelor în procesul de frecare – uzare există mai multe abordări [1]:

A - Procesele de frecare - uzare sunt privite ca proprietăţi intrinseci materialului. Se clasifică formele de degradare a suprafeţelor în: uzarea prin adeziune, abraziune, oboseală, prin coroziune, eroziune, cavitaţie etc. Se caută apoi tratamentele de suprafaţă, care să amelioreze rezistenţa la uzare. Deşi testele de laborator au dat rezultate bune, de multe ori, în condiţii concrete de exploatare, rezultatele nu au fost confirmate.

B - Procesul de degradare al suprafeţelor se studiază din punct de vedere al caracteristicilor contactului (viteza relativă a pieselor în contact, forma contactului, presiunea, coeficientul de frecare). Diverse cupluri de materiale şi acoperiri se pot caracteriza pentru diverse condiţii standard de încercare. Este o abordare incompletă, care poate duce de asemenea la contradicţii sau eşecuri în exploatare.

C - Cele mai recente abordări sunt bazate pe conceptele de “Mecanica suprafeţelor”, care iau în consideraţie toţi parametrii: presiune, viteza, temperatură, proprietăţile materialelor, tratamentele de suprafaţă, mediul ambiant etc. Această abordare ia în considerare faptul că, în procesul de frecare-uzare a două corpuri, apare al treilea corp, format prin evoluţia degradării primelor două corpuri. Formele de uzare se explică prin comportarea celui de al treilea corp şi prin timpul cât el se găseşte prins între piesele în frecare. În cazul frecării uscate, acest al treilea corp se comportă ca filmul de ulei de la frecarea lubrifiată. O bună suprafaţă este aceea care se degradează moderat, pentru a proteja materialul masiv.

În această abordare se au în vedere următoarele aspecte:

- suprafaţa este rugoasă şi influenţează prin înălţimea şi pasul asperităţilor, cât şi prin extinderea contactului;

- pe suprafeţele în contact se dezvoltă filme de oxizi şi adsorbanţi cu rol de ecrane statice, care limitează contactul între corpuri;

- în procesul de frecare, ecranele statice fragile se pot distruge şi se pot reface sub acţiunea mediului înconjurător. Particulele de uzură formate se deplasează în zonele de contact şi formează noi ecrane, numite ecrane dinamice;

- ecranele statice şi dinamice formează cel de al treilea corp, care protejează suprafeţele în contact;

- autoprotecţia contactului depinde de viaţa celui de al treilea corp. Astfel, contactele deschise reţin puţine particulele de uzură, iar uzarea este mai intensă decât în contactele închise.

- atât timp cât ecranele sunt active, se observă o uzură regulată şi fină; în caz contrar, se observă o uzură severă sau distrugătoare (gripare).

De aceea, în încercările de frecare-uzare, soluţia este dată de identificarea comportării şi a regimului de degradare a celui de al treilea corp.

2.2 Tribosisteme

În conformitate cu STAS 8069-87, procesul de uzare este definit de următoarele elemente: cupla de frecare, mediul în care are loc frecarea, viteza relativă şi sarcina.

Cupla de frecare este un ansamblu de două sau mai multe corpuri în contact, supuse unei mişcări relative de alunecare, rostogolire, pivotare sau concomitent de alunecare şi rostogolire. Cuplele de frecare se grupează în patru clase după categoria cuplei şi tipul contactului (tabelul 2.1). O cuplă de frecare se notează prin indicarea clasei contactului, a numărul contactelor şi a simbolului schemei din STAS 8069-87. De exemplu, cupla de frecare rolă/rolă se notează: II –1-a.