background image

 

1

LABORATORIUM  

 

ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 6 

 

Opracował: Janusz Woźniak 

Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej 

 
 

Temat: Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych. 

 
 

1.  WPROWADZENIE 

 

Materiały polimerowe charakteryzujące się dużą odpornością na ścieranie mają 

zastosowanie w układach tribologicznych tam gdzie wymagana jest ich zwiększona trwałość 

eksploatacyjna (np. w transporcie: opona samochodowa, skrzynie załadunkowe itp.). 

Opory tarcia występują na powierzchni styku oraz w warstwach wierzchnich pary trącej. 

Przykładem może być ruch samochodu gdzie muszą być pokonane opory tarcia tocznego. 

Tarcie toczne występuje w punkcie styku (parą trącą w tym układzie może być opona 

i nawierzchnia), w którym odkształcenie sprężyste materiału powoduje styk strefowy na 

pewnym obszarze. Jednakże obok tarcia tocznego w strefie styku występuje tarcie ślizgowe 

zewnętrzne na granicy styku oraz tarcie wewnętrzne w odkształconej objętości warstwy 

wierzchniej trących ciał. Tarcie ślizgowe występuje także podczas ruszania oraz hamowania 

pojazdem. Pojawienie się tarcia ślizgowego jest jedną z przyczyn szybszego zużywania 

tibologicznego opon samochodowych. W rzeczywistości zużywanie warstwy wierzchniej jest 

skutkiem oddziaływania wszystkich rodzajów tarcia. 

 

Dla lepszego zrozumienia zagadnień związanych z tarciem i zużywaniem niezbędna jest 

znajomość przesłanek teoretycznych z dziedziny tribologii. 

Do chwili obecnej brak jest jednoznacznej definicji teorii tarcia suchego, która 

uwzględniałaby różnorodne czynniki oddziaływujące na parę trącą przy skojarzeniu 

metal-tworzywo sztuczne. Opracowano wiele teorii i hipotez odnoszących się do metali. 

Poznanie ich pozwoli zrozumieć złożoność zagadnienia i po przyjęciu pewnych uproszczeń 

umożliwi przyjęcie podstawowych zasad tarcia dla materiałów polimerowych. 

Do najważniejszych teorii tarcia ciał stałych można zaliczyć: 

Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi na 

nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni 

ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której 

background image

 

2

pojawiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów 

adhezyjnych. 

Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada,  że 

w wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił 

pomiędzy powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły 

przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach 

tarcia. 

Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949. 1957, 1965). Teoria 

la próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania 

molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących 

ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się również 

pod uwagę rzeczywistą powierzchnie styku. 

Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927. Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bilans 

energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne 

a także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Prace sił tarcia można określić 

zatem sumą sktadowych energetycznych. Według Kosteckicgo praca tarcia zewnętrznego 

składa się z energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej. 

Rzeczywiste oddziaływanie pary trącej podczas procesu tarcia powoduje oprócz sczepiania 

się nierówności powierzchni zmianę właściwości warstwy wierzchniej 

 Warstwą wierzchnią materiału nazywamy warstwę ograniczoną rzeczywistą powierzchnią 

przedmiotu, obejmującą  tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni 

rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i chemiczne w stosunku do cechy 

tego materiału w głębi przedmiotu. Cechy warstwy wierzchniej nadawane w procesie 

produkcji zmieniają się na skutek działania czynników eksploatacyjnych. 

Powierzchnia styku nawet najlepiej obrobionej powierzchni nigdy nie będzie gładka. Stan 

powierzchni elementów części maszyn charakteryzuje jej falistość, błędy kształtu oraz 

kierunek rozmieszczenia nierówności. Tak więc rzeczywiste oddziaływanie powierzchni pary 

trącej zależne jest od powierzchni styku i własności fizycznych materiałów trących się 

elementów maszyn. 

Rozpatrując parę trącą (rys.1) mówimy o nominalnej powierzchni styku S

n

,  konturowej 

powierzchnia styku S

k

, i rzeczywistej powierzchnia styku S

r

 [2]: 

 

 

background image

 

3

 

Rys.1 Schemat powierzchni styku S; h – wysokość nierówności 

-  nominalnej powierzchni styku S

n

, która jest powierzchnią w granicach obrysu powierzchni 

zetknięcia dwóch ciał. Zależna jest od wymiarów, z pominięciem falistości, chropowatości 

i błędów kształtu; 

-  konturowa powierzchnia styku S

k

 jest to powierzchnia stanowiąca obrys rzeczywistych pól 

styku, zależna od chropowatości i falistości powierzchni oraz od obciążenia; 

-  rzeczywista powierzchnia styku S

r

  jest to pole sumy elementarnych powierzchni styku. 

Rzeczywista powierzchnia styku występuje w miejscach stykania się nierówności dwóch 

powierzchni. 

 

1.1 RODZAJE TARCIA 

 

 

Pogrubiona ścieżka diagramu (rys.2) przedstawia rodzaje tarcia odnoszące się do badania 

właściwości  ściernych materiałów polimerowych podczas realizowanego ćwiczenia 

laboratoryjnego. 

 

Rys.2 Rodzaje tarcia 

                                                                                                                                                                         

Rodzaje tarcia 

tarcie zewnętrzne 

tarcie wewnętrzne 

tarcie statyczne 

tarcie kinetyczne

tarcie w ciałach 

stałych 

tarcie 

w płynach 

tarcie 

ślizgowe 

tarcie toczne

tarcie 

aerodynamiczne 

tarcie suche 

tarcie 

technicznie 

suche 

tarcie 

mieszane 

background image

 

4

-  tarcie zewnętrzne występuje przy powierzchniowym styku dwóch ciał, jest zależne od 

składu i struktury materiałów trących; 

-  tarcie kinetyczne zachodzi wówczas, gdy dwa stykające się ze sobą ciała pozostają 

w ruchu względnym; 

-  tarcie ślizgowe jest odmianą tarcia kinetycznego i występuje wówczas, gdy prędkości obu 

ciał w punktach ich wzajemnego styku są różne; 

-  tarcie suche ma miejsce wówczas, gdy czyste nierozdzielone żadnym ciałem trzecim 

powierzchnie pracy trącej stykają się bezpośrednio ze sobą. W technice nie spotyka się raczej 

tego rodzaju tarcia, ponieważ współpracujące ze sobą powierzchnie rzeczywistych elementów 

maszyn pokryte są prawie zawsze błonkami tlenków, cząstkami substancji ciekłych lub 

gazowych i wówczas występuje tarcie technicznie suche.  

 

 

1.2 RODZAJE ZUŻYWANIA TOWARZYSZĄCE TARCIU 

 

 

Zużycie materiału w procesie tarcia nazywane jest zużyciem tribologicznym. Proces ten 

powodowany jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją 

powierzchni współpracujących elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodzącymi na 

powierzchni tarcia. Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia materiałów polimerowych 

można zaliczyć [1]: 

-  zużywanie adhezyjne jest związane z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokalne 

szczepienia tych powierzchni co jest powodem pękania wiązań kohezyjnych; 

-  zużywanie ścierne jest związane z dużą chropowatością powierzchni styku. Występujące 

nierówności spełniają rolę mikroostrzy powodując ubytek materiału spowodowany 

mikroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem; 

-  zużywanie zmęczeniowe  spowodowane jest przez cyklicznie zmienne odkształcenia 

warstwy wierzchniej. Z powodu tego na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których 

dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału; 

-  zużywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia drobnych cząstek o powierzchnię 

materiału powodując ubytek materiału zwany erozją; 

-  zużywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzących między 

współpracującymi materiałami, w których zachodzi proces tarcia (np. utlenianie); 

-  zużywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się dużej ilości ciepła, które powoduje 

zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich. 

background image

 

5

2.  ZUŻYWANIE ŚCIERNE 

 

 

Zużycie  ścierne występuje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest 

spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania 

[1, 3, 4]: 

-  mikroskrawanie polega na wykrawaniu w ścieranym materiale bruzdy przez występ 

nierówności lub ziarno ścierne partnera tarcia, które wgłębia się w materiał, odcina cząstki 

tego materiału podczas ruchu względnego, spiętrza je i odrywa; 

-  rysowanie polega na tworzeniu w ścieranym materiale przez wystający element 

nierówności ciała współpracującego rysy, częściowo wskutek wykrawania, a częściowo 

wskutek odsuwania materiału na boki, jest zjawiskiem pośrednim między mikroskrawaniem 

i bruzdowaniem; 

-  bruzdowanie polega na wgłębieniu występu partnera tarcia w ścierany materiał 

i plastycznym wyciśnięciu w nim bruzdy podczas ruchu względnego, wyciśnięty z bruzdy 

materiał zostaje spiętrzony wzdłuż jej bocznych ścianek. 

Analogicznie będą działać utlenione produkty zużycia w obszarze tarcia. 

Odporność na zużycie ścierne jest zależna od: 

- składu chemicznego i frakcyjnego luźnych lub umocowanych cząstek  ścierniwa i ich 

twardości względnej (w stosunku do twardości materiału zużywanego); 

- nacisków 

jednostkowych; 

- częstości wymiany tych produktów w obszarach tarcia (wydmuchiwanie, przemywanie); 

- prędkości poślizgu i wielu innych czynników. 

Charakter działania ziaren ściernych na ścierany materiał zależy od ich ruchu względem 

powierzchni materiału oraz od charakteru i wartości obciążeń przenoszonych przez ziarna. 

Ścieranie może się odbywać przez ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach, 

przez luźne pojedyncze ziarna ścierne, przez warstwę  ścierną występującą między 

współpracującymi powierzchniami, przez strumień ścierny, ścieranie w środowisku ściernym. 

 Badanie 

odporności na ścieranie materiałów polimerowych w ramach ćwiczenia 

laboratoryjnego można wyznaczyć na podstawie stosunku objętościowego zużycia próbki 

wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów w takich samych warunkach 

badań. 

 

 

 

background image

 

6

3.  CEL ĆWICZENIA 

 

 

 

Celem  ćwiczenia jest wyznaczenie właściwości  ściernych wybranych materiałów 

polimerowych. Na stanowisku badawczym podczas tarcia w obecności luźnego  ścierniwa 

zostaną przeprowadzone badania ścieralności w jednakowych warunkach pracy (v – prędkość 

ślizgania,  F

N

 – obciążenie). Na podstawie uzyskanych wyników badań tribologicznych 

zostaną określone właściwości  ścierne wybranych materiałów polimerowych. Na podstawie 

badań tribologicznych należy opracować sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. 

Wnioski z ćwiczenia powinny zawierać wyjaśnienia otrzymanych wyników. 

 

 

 

4.  METODA BADAŃ 

 

 

Metoda badawcza odporności na ścieranie zgodna jest z normą GOST-23.208-79. 

Stanowisko to przeznaczone jest do badania materiałów i powłok na zużycie ścierne podczas 

tarcia w obecności luźnego ścierniwa. Zasada badania (Rys.1) polega na tym, że w jednakowych 

warunkach pracy (prędkość  ślizgania  v i obciążenia  F

N

)  przeprowadza się badania próbek 

wybranych materiałów oraz próbki wzorcowej wykonanej ze stali 45 w stanie znormalizowanym. 

Podczas pomiaru badana próbka (1) jest dociskana z określoną siłą (F

N

) do obracającego się 

z ustaloną prędkością obrotową (n) krążka gumowego (2) o średnicy d = 50 mm. Pomiędzy 

krążek i próbkę dostarczany jest proszek kwarcowy (3) - elektrokorund nr 90 (wg PN-76/M-

59115) - powodujący  ścieranie próbki. Wynikiem pomiaru jest wagowe zużycie próbki 

(różnica ciężaru przed i po badaniach), jakie wystąpiło po określonym czasie tarcia 

(określonej liczbie obrotów gumowej rolki). 

 

 

Rys. 1. Schemat metody badawczej: l - próbka z badanej stali, 2 - rolka gumowa, 3 - ścierniwo 

background image

 

7

Na podstawie pomiarów zużycia wagowego określano wskaźnik odporności na ścieranie K

b

 

(względną odporność na zużycie) dla poszczególnych materiałów, określany jako stosunek 

objętościowego zużycia próbki wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów 

uzyskanych w takich samych warunkach badań. 

Wskaźnik ten określano z wzoru: 

K

w

b

b

wb

w

ww

N

N

Z

Z

ρ

ρ

 

gdzie: 

Z

ww

 - zużycie wagowe podczas badania próbki wzorcowej (stali 45), 

Z

wb

 - zużycie wagowe podczas badania badanego materiału, 

ρρρρ

w

 - gęstość materiału próbki wzorcowej, 

ρρρρ

b

 - gęstość materiału próbki badanej, 

 

N

- liczba obrotów drogi tarcia próbki wzorcowej, 

 

N

b

 - liczba obrotów drogi tarcia próbki badanej. 

 

 

 

5.   OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO 

 

 Badanie 

odporności na ścieranie materiałów polimerowych przeprowadzone zostanie na 

stanowisku badawczym Tester T-07 produkcji Międzynarodowego Centrum Naukowego 

Eksploatacji Majątku Trwałego w Radomiu (Fot.1). 

 

Fot. 1. Stanowisko badawcze – Tester T-07 : 1 – próbka polimerowa, 2 – rolka gumowa, 3 – regulator prędkości 
nasypowej ścierniwa, 4 – zbiornik ścierniwa, 5 – ramię obciążenia próbki, 6 – kontroler pracy testera T-07 

background image

 

8

LITERATURA 

 

[1]  Wieleba W. „Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów PTFE ze 

stalą”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,Wrocław 2002. 

[2]  Jaworski J. „Okładziny cierne do hamulców i sprzęgieł pojazdów mechanicznych”, Warszawa 1984. 

[3]  Hebda M., Wachal A. „Trybologia”, Warszawa 1980. 

[4]  Sokolski P., Ziemba S. „Zużycie elementów maszyn spowodowane tarciem”, Warszawa PWN 1969.