Tribologija

 

 

Tribologija je naučna disciplina koja obuhvata istraživanje pojava i procesa na površinama koje su u međusobnom delovanju, direktnom ili indirektnom dodiru i relativnom kretanju.
Naziv tribologija potiče od grčke reči TRIBOS (τρyβωσ) što znači trenje ili trljanje i reči LOGOS – nauka. Kod proučavanja triboloških fenomena koriste se područja iz više nauka: organska i neorganska hemija, fizička hemija, fizika, poznavanje mašinskih elemenata, elektronika, mehanika, nauka o metalima, termodinamika, tehnologija, organizacija proizvodnje itd. Iako ne sasvim tačno, tribologijom često nazivamo nauku o trenju, habanju i podmazivanju. Tribologija je veoma važna multidisciplinarna nauka koja se, naročito poslednjih tridesetak godina, intezivno razvija.
Osnovni cilj tribologije je istraživanje uslova za optimalnu eksploataciju proizvodnih procesa, odnosno smanjenje potrošnje energije, smanjenje troškova održavanja mašina i povećanje pouzdanosti mehaničkih sistema.

 

TEORIJE TRENJA, HABANJA I PODMAZIVANJA

Osnovni procesi koji se javljaju pri relativnom kretanju dva čvrsta tela su trenje na dodirnim površinama i habanje dodirnih površina. Usled pojave trenja dolazi do gubitka mehaničke energije pri radu mehaničkog sistema. Zbog pojave habanja dolazi do promena površina mašinskih delova tokom eksploatacije.

Karakteristike površina čvrstih tela

Pojam površina, u tribološkim istraživanjima, podrazumeva površinski sloj materijala male debljine. Neravnine koje se mogu uočiti na površini mogu se podeliti na makroneravnine (iskrivljenost i valovitost površine) i mikroneravnine (izbrazdanost površine).
Sa aspekta tribologije najznačajniji pojam je hrapavost površine, odnosno skup neravnina koje obrazuju reljef površine. Geometrija površina tela koji su u kontaktu, menja se tokom vremena. U toku prvog perioda kontakta promena geometrije površine je intezivnija, što se naziva periodom “uhodavanja”.

Trenje

Trenje predstavlja mehanički otpor koji nastaje na površini dodira dva tela pri kretanju jednog tela po drugom ili pri međusobnom relativnom kretanju. Izražava se silom trenja (Ft), koja se javlja kao otpor pojavi kretanja.
Trenje se može podeliti u dva osnovna oblika:

• Unutrašnje trenje
• Spoljašnje trenje

Unutrašnjim trenjem naziva se međusobno delovanje molekula fluida, pri čemu dolazi do suprostavljanja relativnom kretanju slojeva. Unutrašnje trenje fluida se naziva viskoznost.
Spoljašnjim trenjem naziva se međudelovanje tela koje se javlja na mestima njihovog neposrednog dodira, a suprostavlja se njihovom relativnom kretanju. U zavisnosti od vrste kretanja mogu se razlikovati:

• Trenje klizanja
• Trenje kotrljanja

Trenje klizanja

Trenje klizanja predstavlja otpor relativnom kretanju koje se javlja kada jedno čvrsto telo klizi po drugom. Sila trenja je proporcionalna normalnoj sili koja deluje na površine koje su u kontaktu, što se može prikazati sledećim izrazom:

 

Ft = μ Fn

gde je: Ft – sila trenja
μ – koeficijent trenja
Fn – normalna sila

 

Po ovoj teoriji sila trenja ne zavisi od veličine površina koje su u dodiru i brzine klizanja, već zavisi jedino od opterećenja, stepena hrapavosti i prirode materijala elemenata. Međutim, novija ispitivanja su pokazala da ova formula ne zadovoljava u potpunosti. Po teoriji Bowdena, Tabora, Derjagina i drugih, sila trenja zavisi od normalnog opterećenja, stepena hrapavosti, stvarnoj dodirnoj površini, međumolekulskim privlačenjima na mestima neposrednog dodira, tvrdoće materijala a takođe od procesa smicanja. To se može izraziti na sledeći način:

F = μ { Fn,v,Ar,Fo,K } 

gde je:
Ar – ukupna površina neposrednih dodira
v – brzina klizanja
Fo – dopunsko opterećenje usled međumolekulskog privlačenja

 

Kad površine koje se dodiruju nisu nekim mazivim slojem potpuno razdvojene tada, prema teoriji Bodwena, dolazi do sudaranja izbočina površinskih reljefa. Na tim mestima se u delićima vremena ostvaruje hladno ili toplo zavarivanje.
Hladno zavarivanje je pojava stvaranja jakih međuatomskih veza (adhezivno privlačenje), a javlja se u uslovima malih brzina klizanja. Na mestima dodira, naročito ako su površine potpuno čiste, javljaju se izrazita međuatomska privlačenja, pa i mogućnost prelaza atoma.
Toplo zavarivanje je pojava koja nastaje usled velike brzine klizanja. Kada u takvim uslovima dođe do sudaranja izbočina, na mestima sudara trenutno se javljaju visoki pritisci i temperature. Ako temperatura prekorači kritičnu tačku topljenja jedne od komponenata, dolazi do trenutnog zavarivanja na mestu sudara.
Bez obzira o kojoj se vrsti adhezije radi, da bi se klizanje nastavilo potrebna je neka dodatna sila za prekidanje veza i nastavljanje smicanja. To je naročito izraženo kod površina elemenata različitih tvrdoća, jer se u tim slučajevima izbočine tvrđeg materijala utiskuju u mekši, izazivajući na njemu plastične deformacije uz brazdanje mekšeg materijala. U tom slučaju klizanje će zahtevati veću energiju a konačna posledica je brzo erozivno i abrazivno trošenje.
Da bi se izveo model jednačine suvog trenja, prvo se mora definisati stvarna dodirna površina, jer se samo na njoj odvijaju navedene pojave. Kada neka tvrda ploča klizi po mekšoj ili obrnuto, a obe imaju izrazite reljefe, stvarna dodirna površina (Ar) može se izraziti kao funkcija opterećenja (Fn) i tvrdoće (pm) mekše ploče:

 

Fn = pm Ar 

gde je:
pm – penetracijska tvrdoća (po Brinellu ili Vickersu)

 

Jednačina se jednostavno može objasniti na sledeći način: kad je opterećenje malo, stvarna dodirna površina će takođe biti mala, jer površine naležu jedna na drugu samo preko najisturenijih vrhova reljefa; postepenim povećanjem opterećenja, neravnine se sve više plastično deformišu, naležući preko sve više isturenih vrhova. Broj neposrednih dodira sve više raste, pa raste i stvarna dodirna površina. Proces je ograničen tvrdoćom tela: promena stvarne dodirne površine će rasti sa opterećenjem toliko dugo dok se ne stvori neka površina koja će moći da podnese to opterećenje. Posle toga proces se zaustavlja. Takva granična površina zavisi od tvrdoće: što je tvrdoća veća, površina će biti manja i obrnuto.

 

Trenje kotrljanja

Trenjem kotrljanja naziva se otpor relativnom tangencijalnom kretanju koji se javlja kotrljanjem nekog predmeta po površini. Ako je dodirivanje u tački ili liniji, što je slučaj za kotrljanje idealne kugle ili valjka po idealnoj površini, sila trenja (Ft) je upravo proporcionalna opterećenju (Fn) a obrnuto proporcionalna poluprečniku kotrljajućeg tela (R):

 

Ft = μ (Fn / R)

Koeficijent trenja (μ) zavisi od vrste materijala predmeta. Ako su tvrdoće kuglice i podloge dovoljno velike, a njihove površine idealne, može se predpostaviti da će kod nekog opterećenja dodirno mesto biti tačka. Povećavanjem opterećenja, dolazi se u područje elastičnih deformacija, a dodirno mesto postaje površina. Usled savlađivanja kotrljanja i deformacija, dolazi do porasta sile trenja i koeficijenta trenja. Iznad nekog graničnog opterećenja nastupa preopterećenje sa trajno plastičnim deformacijama. Vrednosti koeficijenta trenja kotrljanja su znatno manje nego u slučaju klizanja.

Habanje

Površine mašinskih elemenata koje su prilikom kretanja u međusobnom kontaktu, menjaju s vremenom i svoja svojstva. Menja im se geometrija, veličina, struktura i svojstva površinskih slojeva, a veličina i karakter promena zavise od:

• uslova opterećenja
• količine kretanja
• prirode materijala elemenata koji su u kontaktu
• sastava i svojstava okoline (vlaga, vazduh itd.)
• sastava i svojstava maziva itd.

Po definiciji, habanje je progresivni proces gubitka materijala elemenata ili delova mašina koji su u neposrednom kontaktu i nalaze se u relativnom kretanju. Kao posledica procesa habanja dolazi do istrošenosti delova mašina, smanjenja efikasnosti njihovog rada, potrošnje energije itd. Može se podeliti na mehaničko i hemijsko habanje.
Pod mehaničkim habanjem se podrazumevaju:

• adhezija
• abrazija
• zamor materijala
• erozija

Pod hemijskim habanjem se podrazumeva:

• habanje kao posledica oksidacije površine materijala
• habanje usled procesa korozije

U najvećem broju realnih slučajeva javlja se kao posledica kombinacije mehaničkog i hemijskog habanja.

 

Adhezivno habanje

Adhezivno habanje predstavlja osnovni vid habanja opterećenih površina koje su u kontaktu. Pojava ovog vida habanja nalazi se u direktnoj vezi sa trenjem klizanja, sa kontaktom površina i adhezivnim vezama molekula tih površina.
Do pojave adhezivnog trošenja dolazi kod visokoopterećenih površina, kod kojih se, bez obzira na prisutno mazivo između njih, ostvaruje kontakt vrhova neravnina. Razlog tome je visoka vrednost specifičnog pritiska na mestu kontakta, što dovodi do cepanja sloja maziva.
Kod razdvajanja dve mikrozavarene neravnine može doći do lepljenja materijala s jedne površine na drugu, a često i do odvajanja delića od osnovnog materijala, koji se kasnije slobodno kreću između površina i dovode do abrazivnog habanja, slika 2.2. Ova pojava kod mikropovršina može se proširiti i na pojavu adhezivnog habanja i zaribavanja celih površina. Srazmerno sa povećanjem pritiska na površini, proporcionalno se povećava broj spojeva i stvarna površina kontakta.
Kod ekstremnih pritisaka, deformacija i visokih temperatura, dolazi do međusobnog zavarivanja mikrospojeva po značajnom delu površina u kontaktu. Tako zavareni spojevi neravnina se raskidaju pa dolazi do habanja cele površine. Ako u karakterističnim slučajevima opterećenja i kontakta dođe do intenzivnog i brojnog mikrozavarivanja, suma otpora smicanja može porasti do te veličine da se celi sistem zaustavi, odnosno zariba.