View
224
Download
4
Category
Preview:
Citation preview
Sveuilite u Zagrebu
Fakultet strojarstva i brodogradnje
ZAVRNI RAD
Voditelj rada:
Doc.dr.sc. Suzana Jakovljevi Nada uur
Zagreb, 2014.
Sveuilite u Zagrebu
Fakultet strojarstva i brodogradnje
ZAVRNI RAD
Nada uur
Zagreb, 2014.
SAETAK
Troenje je postupni gubitak materijala s povrine krutog tijela uslijed dinamikog dodira s
drugim krutim tijelom, fluidom i/ili esticama i prisutno je u mnogim obradbenim procesima i
konstrukcijama. U radu su opisani razliiti mehanizmi troenja, te su na primjeru klipnjae
koljenastog vratila dvotaktnog motora s vanjskim paljenjem definirani mehanizmi troenja koji
se javljaju u njegovom radu. U sklopu eksperimentalnog dijela izvrena je SEM analiza tragova
troenja na klipnjai, analiza kemijskog sastava i ispitivanja tvrdoe.
Izjava studenta
Izjavljujem da sam zavrni rad izradila samostalno i da odgovaram za sve to je u njemu
napisano. Ovom prilikom bi se htjela mnogo zahvaliti svojoj mentorici doc.dr.sc. Suzani
Jakovljevi na strpljenju, izdvojenom vremenu za pomo, te poticanju na rad i podrci.
Nada uur
SADRAJ
I. POPIS SLIKA..I
II. POPIS TABLICA..IV
III. POPIS OZNAKA .V
1. UVOD - TRIBOLOGIJA..1
2. POVRINE I NJIHOV DODIR ..3
2.1. Konformni (povrinski) dodir ..4
2.2. Nekonformni (koncentrirani) dodir 5
2.3. Tribosustav 6
3. TRENJE I TROENJE ...7
3.1. Procesi trenja 7
3.1.1. Vrste trenja ...7
3.1.2. Trenje klizanja ..8
3.1.1. Trenje kotrljanja ...9
3.2. Mehanizmi troenja ...11
3.2.1. Abrazijsko troenje 11
3.2.2. Adhezijsko troenje 16
3.2.3. Umor povrine 19
3.2.4. Erozijsko troenje ..21
3.2.5. Tribokorozija .22
3.2.6. Djelovanje mehanizama troenja .23
3.2.7. Triboloke mjere 24
4. MOTOR25
4.1. Princip rada dvotaktnog motora26
4.2. Dieselov proces 28
4.3. Ottov proces 29
4.4. Bitne karakteristike 30
5. EKSPERIMENTALNI DIO ...32
5.1. Kemijski sastav i mikrostruktura ......33
5.2. Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) i EDS..35
5.3. Ispitivanje tvrdoe ..41
6. ZAKLJUAK .43
7. LITERATURA 44
I
I. POPIS SLIKA
Slika 1. Povijesni pronalazak vatre [2] 1
Slika 2. Transport kamenih blokova u drevnom Egiptu [3] ...................1
Slika 3. Osnovne vrste odstupanja povrine: a) neparalelnost, b) valovitost, c)izbrazdanost, d)
hrapavost, e) rezultantna realna povrina [4] ..3
Slika 4. Shematski prikaz struktura povrine po dubini [4] 4
Slika 5. Konformni dodir [4] ...5
Slika 6. Hertz-ov dodir dviju kugli [4] 5
Slika 7. Shema jednostavnog tribosustava (jedan tribopar) [4] ..6
Slika 8. Trenje klizanja [4] ..8
Slika 9. Jedinini dogaaj procesa klizanja [4] ...9
Slika 10. Trenje kotrljanja [4] ..9
Slika 11. Abrazija jedinini dogaaj [4] ...11
Slika 12. Abrazija u dodiru dva tijela [4] .12
Slika 13. Abrazija u dodiru tri tijela [4] ...12
Slika 14. Mikrobrazdanje [4] 13
Slika 15. Mikrorezanje [4] 13
Slika 16. Mikronaprsnua [4] ...13
Slika 17. Mikroumor [4] ..14
Slika 18. ista abrazija [4] 14
Slika 19. Izgled povrine ista [5] ..14
Slika 20. Selektivna abrazija [4] ...15
Slika 21. Izgled povrine selektivna [5] 15
Slika 22. Nulta abrazija [4] ...15
Slika 23. Izgled povrine nulta [5] .15
II
Slika 24. Jedinini dogaaj adhezije [4]..16
Slika 25. Povrina s koje su adhezijom iupane estice [6] ..17
Slika 26. Izgled povrine na koju su adhezijom estice spontano navarene ..17
Slika 27. Rabinowitz-ova karta triboloke kompatibilnosti [4] ..18
Slika 28. Jedinini dogaaj umora povrine [4] ..19
Slika 29. Nastajanje kuglastih estica u pukotini od umora [7] ..20
Slika 30. Izgled povrine oteene umorom [8] ..20
Slika 31. Kuglasta estica troenja nastala umorom povrine [9] ...21
Slika 32. Erozija [10] ...22
Slika 33. Jedinini dogaaj tribokorozije [4] ..22
Slika 34. Opi oblik procesa troenja [4] 23
Slika 35. Dvotaktni motor (benzinski) [12] 26
Slika 36. Usisni takt [13] ...27
Slika 37. Radni takt [13] 27
Slika 38. Radni ciklus dvotaktnog motora (benzinski) [14] .27
Slika 39. Dvotaktni (Diesel) motor [15] 28
Slika 40. Teoretski dijagram idealiziranog Dieselovog procesa [16] .28
Slika 41. Teoretski dijagram dvotaktnog Otto procesa [16] ...29
Slika 42. Stvarni dijagram dvotaktnog motora [17] 30
Slika 43. Wartburg [18] ..32
Slika 44. Klipnjaa i koljenasto vratilo [19] ..32
Slika 45. Spoj klipnjae i osovine ..33
Slika 46. Klipnjaa izrezana na dijelove 33
Slika 47. Mikrostruktura 16Mo5, nagrieno (poveanje 1000 puta) .34
III
Slika 48. Mikrostruktura niskolegiranog krom alatnog elika, nagrieno (poveanje 1000 puta)
.35
Slika 49. Elektroni kod SEM-a [22] ..36
Slika 50. Princip rada SEM [22] 36
Slika 51. Tescan Vega TS5136 [23] ..37
Slika 52. Dio klipnjae na kojem je obavljena SEM analiza 38
Slika 53. EDS analiza - osnovni materijal klipnjae 38
Slika 54. Cementirani sloj klipnjae ..39
Slika 55. EDS analiza podruje gdje je dolo do troenja .39
Slika 56. SEM analiza mikrostruktura valjia...41
Slika 57. Tvrdoa po Vickersu (indentor i otisak) [24] .42
Slika 58. Izgled otiska indentora kod Vickers metode [25] ..42
IV
II. POPIS TABLICA
Tablica 1. Kemijski sastav analiziranog dijela .33
Tablica 2. Maseni i atomski udio pojedinog elementa u osnovnom materijalu 39
Tablica 3. Maseni i atomski udio pojedinog elementa na podruju troenja ...41
V
III. POPIS OZNAKA
Oznaka Opis Mjerna jedinica
A0 Nominalna dodirna povrina m2
Ar Stvarna dodirna povrina m2
Ari
Jedinini dodir m2
n Broj jedininih dodira -
AH Dodirna povrina m2
r Polumjeri tijela u dodiru m
E Modul elastinosti N/mm2
Faktor trenja -
Ftr Sila trenja N
FN Normalna sila N
F1 Otpor na elastinu deformaciju N
F2 Otpor na plastinu deformaciju N
F3 Otpor na brazdanje N
F4 Otpor na kidanje adhezijskih veza N
kotr Faktor kotrljanja -
G Teina N
Ha Tvrdoa abraziva HV
H1 Tvrdoa troene podloge HV
v Brzina m/s
V Promjena volumena mm3
t Vrijeme t
p Tlak Pa
Vk Zapremina kompresije m3
VI
Vc Zapremina cilindra m3
Oe Toka kada se otvaraju ispuni kanali -
Os Toka kada se otvaraju usisni kanali -
d1 Duljina dijagonale mm
d2 Duljina dijagonale mm
d Srednja vrijednost dijagonale mm
HV Tvrdoa po Vickersu HV
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 1
1.UVOD- TRIBOLOGIJA
Tribologija je znanost i tehnika o povrinama u dodiru i relativnom gibanju, te o prateim
aktivnostima [1]. Radi se o prijevodu slubene definicije, objavljene 1966. godine u izvjetaju
Radne grupe Ministarstva prosvjete i znanosti Ujedinjenog Kraljevstva. Takoer se moe rei da
je tribologija znanstveno-struna disciplina koja se sveobuhvatno bavi problemima trenja i
troenja [1]. Trenje i troenje su procesi koje ovjek poznaje jo iz pradoba (npr.paljenje vatre,
transport, itd.), a mogu biti korisni, ali i tetni.
Slika 1. Povijesni pronalazak vatre [2]
Slika 2. Transport kamenih blokova u drevnom Egiptu [3]
Tako bi bez troenja bila nemogua obradba odvajanjem estica, ali nepoeljno troenje stvara
pak goleme gubitke materijala. Bez trenja bi bilo kakav oblik transporta na zemlji bio
onemoguen, ali ono uzrokuje takoer goleme nepoeljne gubitke energije. Tribologija je
interdisciplinarna znanost i crpi znanja iz nekih fundamentalnih znanosti: kemije, fizike,
matematike, mehanike, mehanike fluida, metalurgije, znanosti o materijalima i strojarstva.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 2
Glavna podruja primjene tribologije su dijelovi mehanikih konstrukcija (npr. zupanici, leaji,
klizni elementi, itd.), materijali (npr. novi materijali, keramika, polimeri, metali, itd.), obradba
materijala (npr. alatni materijali, sredstva za hlaenje i podmazivanje, lakoobradljivi materijali,
itd.), te podmazivanje (npr. ulja, masti, aditivi, itd.).
Triboloke mjere (postupci i metode) koje imaju za cilj postizanje prihvatljivih vrijednosti trenja
i troenja u realnim tribosustavima mogu se podijeliti na: izbor materijala triboelemenata, zatita
povrina od troenja, uhodavanje, podmazivanje.
U mnogim primjenama sve vie raste potreba za smanjenjem trenja i troenja zbog produetka
vijeka trajanja radnih sustava, poveanja efikasnosti radnih sustava, smanjenja trokova
odravanja, smanjenja trokova zastoja, poboljanja pouzdanosti, poveanja sigurnosti, ouvanja
oskudnih izvora materijala, ouvanja energije, smanjenja otpada, itd.
Nakon to je objanjeno na koji nain se tribologija bavi problemom trenja i troenja, u daljnjem
tekstu biti e opisani razliiti mehanizmi troenja, te na primjeru klipnjae koljenastog vratila
dvotaktnog motora biti e definirani mehanizmi troenja koji se javljaju u zadanom primjeru.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 3
2.POVRINE I NJIHOV DODIR
Trenje i troenje zbivaju se na dodiru realnih povrina koje su u geometrijskom smislu vie ili
manje neravne ili hrapave.
Razlikujemo sljedee osnovne vrste odstupanja povrine [1]:
1) Makroneravnine (odstupanja od projektirane geometrije i dimenzija proizvoda):
- neparalelnost povrina, valovitost
2) Mikroneravnine (posljedica obradnih procesa):
- izbrazdanost, hrapavost
3) Nanoneravnine (geometrijske granice kristalne ili molekularne strukture, nepravilnosti
kristalne strukture)
Sva ova odstupanja povrine zajedno daju rezultantnu povrinu koja se znaajno razlikuje od
idealno ravne povrine.
Slika 3. Osnovne vrste odstupanja povrine: a) neparalelnost, b) valovitost, c)
izbrazdanost, d) hrapavost, e) rezultantna realna povrina [4]
Povrinska hrapavost obuhvaa odstupanja povrine prikazana na slici 2. pod c) i d) pa ju zato
definiramo kao sveukupnost mikrogeometrijskih nepravilnosti na povrini predmeta (koje su
mnogo puta manje od povrine cijelog predmeta), a nastale su postupkom obrade.
Potpuna informacija o stanju hrapavosti povrine moe se dobiti samo ako se mjernim
postupkom uzimaju u obzir sva odstupanja koja reprezentiraju hrapavost povrine. Stoga ispitivanje tako sloenog odstupanja zahtijeva nuna pojednostavljenja kod izbora
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 4
karakteristinih veliina koje ju definiraju. Zbog toga se hrapavost povrine obino ocjenjuje preko jednodimenzionalnih parametara na osnovi dvodimenzionalnih profila povrine.
Osim vanjskih obiljeja povrina, valja raunati i s tim da je struktura povrine po dubini
slojevita [4].
Slika 4. Shematski prikaz struktura povrine po dubini [4]
Stvarni dodir dviju povrina razlikuje se od prividnog, geometrijskog, te govorimo o dva sluaja
[1]:
1) Konformni (povrinski) dodir
2) Nekonformni (koncentrirani) dodir
2.1. Konformni (povrinski) dodir
Stvarna dodirna povrina mnogo je manja od nominalne kod konformnog dodira. Takoer znamo
da je za triboloke procese vanija stvarna dodirna povrina Ar [1].
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 5
Slika 5. Konformni dodir [4]
Prema tome uz pretpostavku elastinih deformacija, Archard definira da je stvarna dodirna
povrina gotovo linearna normalnoj sili FN, a do slinih zakljuaka dolaze Greenwood i Tripp.
2.2. Nekonformni (koncentrirani) dodir
Posebno u tehnikim sustavima est je sluaj dodira tijela zakrivljenih ploha (npr. prstenovi i
kuglice kod kuglinih leajeva, zubi zupanika, itd.). Takvi dodiri svoju teorijsku osnovu nalaze
u Hertz-ovoj teoriji [1].
Slika 6. Hertz-ov dodir dviju kugli [4]
Iz Hertz-ovog prorauna slijedi da je dodirna povrina [4]:
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 6
(1)
Iz ovog zakljuujemo da ne postoji idealni tokasti dodir, ve se i kod nekonformnog dodira
oblikuje dodirna povrina AH koja ovisi o polumjerima tijela u dodiru r, njihovu sloenu modulu
elastinosti E i dodirnoj sili koja djeluje normalno na dodirnu povrinu FN.
2.3.Tribosustav
Pri rjeavanju tribolokih problema treba uzeti u obzir sve dijelove tribosustava, uvjete rada,
protok kroz sustav (gibanja, energije, materijala i informacija), smetnje, gubitke i sva vana
meudjelovanja.
Slika 7. Shema jednostavnog tribosustava (jedan tribopar) [4]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 7
3. TRENJE I TROENJE
3.1. Procesi trenja
Trenje je sila ili otpor koja se suprostavlja relativnom kretanju krutih tijela u dodiru
Djeluje paralelno s dodirnim povrinama, a smjer joj je suprotan smjeru relativnog kretanja [1]. Rije trenje dolazi od glagola trti, trljati, engl. friction, lat. Fricare.
U veini sluajeva, u ureajima i postrojenjima, trenje je tetna i nepoeljna pojava. Na savladavanje sile trenja kao otpora kretanju bilo koje vrste troi se znatna koliina mehanike
energije. Kao posljedica trenja na povrinama u kontaktu dolazi do troenja i zagrijavanja materijala povrina. Utroena mehanika energija prelazi u nepoeljnu i izgubljenu toplinsku
energiju.
3.1.1. Vrste trenja
Podjela trenja prema agregatnom stanju tijela u kontaktu [4]:
1) Trenje meu vrstim povrinama (vanjsko trenje)
2) Trenje meu dijelovima fluida, odnosno izmeu vrstog tijela i fluida (tekuinsko trenje ili
viskoznost)
Vanjsko trenje se pak dijeli prema podmazivanju na [4]:
1) Suho trenje
2) Trenje uz podmazivanje
Prilikom pokretanja tijela razlikujemo [4]:
1) Trenje mirovanja (statiko trenje)
2) Trenje kretanja (dinamiko trenje)
Faktor proporcionalnosti koji povezuje silu trenja i normalnu silu zove se faktor trenja. esto se
koristi i naziv koeficijent trenja.
Faktor trenja je dakle bezdimenzijski omjer sile trenja izmeu dva tijela i normalne sile kojom
tijela pritiu jedno o drugo [1]:
(2)
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 8
Za ostvarenje relativnog gibanja izmeu dodirnih ploha treba svladati silu trenja. Razlikuju se
trenje klizanja i trenje kotrljanja.
3.1.2. Trenje klizanja
Slika 8. Trenje klizanja [4] U sluaju trenja klizanja sila trenja djeluje suprotno smjeru relativnog gibanja.
Kod suhog dodira sila trenja proporcionalna je normalnom optereenju i ne ovisi o nominalnoj
dodirnoj povrini.
Sila trenja klizanja sastoji se od zbroja 4 komponente koje su i same zbroj pojedinanih
komponenata koje djeluju na svakom dodiru mikroizboina [4].
(3)
Otpor na elastinu deformaciju proporcionalan je modulima elastinosti materijala tarnog para,
otpor na plastinu deformaciju ovisi o njihovim granicama teenja, otpor na brazdanje ovisi o
njihovim duktilnostima, a otpor na kidanje adhezijskih veza ovisi o jaini adhezijske veze
uspostavljene izmeu materijala tarnog para.
Slika 9. Prikazuje jedinini dogaaj procesa klizanja (od poetka do zavretka dodira jednog para
mikroizboina) kojim se objanjava porijeklo sile trenja.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 9
Slika 9. Jedinini dogaaj procesa klizanja [4]
Na trenje utjeu kemijski sastav materijala, stanje obrade povrine oba tijela, sastav okoline,
optereenje, brzina kretanja, nain kretanja, vrsta kontakta, temperature, prethodno klizanje po
toj povrini.
3.1.3. Trenje kotrljanja
Trenje kotrljanja je otpor to se pojavljuje pri kotrljanju krunih ploa, kotaa ili valjaka.
Openito vrijedi da je ovo trenje mnogo manje nego trenje klizanja. To je zbog toga to u sluaju
ovog trenja izostaju komponente sile trenja koje potjeu od brazdanja i raskidanja adhezijskih
veza. Zato vrijedi [1]:
(4)
Slika 10. Trenje kotrljanja [4]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 10
Izraz koji povezuje silu trenja i normalnu silu (teinu kotaa):
(5)
Faktor kotrljanja koji je omjer sile otpora i teine, a slian je faktoru statikog i kinetikog trenja,
ovisi o brojnim imbenicima koje je vrlo teko pobrojati i opisati.
U dosadanjem dijelu ovog poglavlja u kratko su opisane razne vrste i karakteristike trenja jer je
za shvaanje mehanizama troenja, koji su glavna tema ovog rada, nuno i shvaanje procesa
trenja zbog njihove bliske povezanosti.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 11
3.2. Mehanizmi troenja
Troenje je postupni gubitak materijala sa povrine krutog tijela uslijed dinamikog dodira s
drugim krutim tijelom, fluidom i/ili esticama. Iako izmeu trenja i troenja u jednom
tribosustavu nema jednoznane veze, u veini sluajeva poveanje trenja prati i intenzivnije
troenje (no moe biti i obrnuto) [1].
etiri su osnovna mehanizma troenja:
1) Abrazija
2) Adhezija
3) Umor povrine
4) Tribokorozija
Mehanizmi troenja opisuju se jedininim dogaajima. Jedinini dogaaj je slijed zbivanja koji
dovodi do odvajanja jedne estice troenja s troene povrine, te uvijek ukljuuje proces
nastajanja pukotina i proces napredovanja pukotina. Upravo oblik estica troenja i izgled
troenih povrina ine osnovu za identifikaciju mehanizma troenja.
3.2.1. Abrazijsko troenje
Abrazija je troenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdim
izboinama.
Slika 11. Abrazija jedinini dogaaj [4]
Kao to je vidljivo sa slike 11. jedinini dogaaj abrazije sastoji se od dvije faze.
I faza prodiranja abraziva (a) u povrinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponente
optereenja FN.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 12
II faza istiskivanja materijala u obliku estica troenja () pod utjecajem tangencijalne
komponente optereenja Ft.
Mehanizam abrazije mogue je sagledati s nekoliko razliitih gledita:
1) Ovisno o strukturi tribosustava u kojem se zbiva abrazija mogu se pojaviti dva oblika
abrazije:
a) Abrazija u dodiru dva tijela (abrazivno tijelo i abrazijsko protutijelo)
Slika 12. Abrazija u dodiru dva tijela [4]
b) Abrazija u dodiru tri tijela (abrazivno tijelo, protutijelo, te meutijela koja se slobodno
gibaju izmeu funkcionalnih dijelova i djeluju abrazijski)
Slika 13. Abrazija u dodiru tri tijela [4]
2) Ovisno o meusobnom djelovanju izmeu abrazijskih estica i troene povrine to su [4]:
a) Mikrobrazdanje - odnoenje materijala proporcionalno volumenu brazde nastale plastinom deformacijom pri prolazu jedne abrazijske estice (no rubovi brazde odvajaju se od
povrine u obliku produkata troenja).
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 13
Slika 14. Mikrobrazdanje [4]
b) Mikrorezanje odnoenje materijala jednako volumenu zareza nastalog prolaskom abrazivne estice.
Slika 15. Mikrorezanje [4]
c) Mikronaprsnua odnoenje materijala s krhke povrine mehanizmom nastanka i irenja
mikropukotina. Pri tome se s povrine odnose veliki djelii materijala.
Slika 16. Mikronaprsnua [4]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 14
d) Mikroumor - odnoenje materijala mehanizmom umora povrine nastalim uestalim izmjeninim optereenjem. Materijal je izloen trenutnim deformacijama
uslijed ega nastaju mikropukotine koje se zatim ire i koje u konanici uzrokuju
odvajanje dijelova materijala troene povrine.
Slika 17. Mikroumor [4]
3) Ovisno o meusobnom odnosu tvrdoa abraziva i materijala mogua su tri praktina sluaja:
a) ista abrazija
b) Selektivna abrazija
c) Nulta abrazija
ista abrazija nastupa kada je tvrdoa abraziva (a) vea od tvrdoe troene podloge. Povrina
je izbrazdana, a estice troenja su oblika spiralne strugotine u sluaju kada je abradirani
materijal duktilan, odnosno lomljene strugotine kada je abradirani materijal krhak.
Slika 18. ista abrazija [4] Slika 19. Izgled povrine ista [5]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 15
Selektivna abrazija nastupa kada u abradiranom materijalu postoji faza tvra od abraziva.
Abraziv ree samo zahvaeni sloj meke faze. Povrina je izbrazdana s prekidima na mjestima
gdje se na povrini nalaze zrna ili trake tvre faze. Meu esticama troenja pojavit e se
povremeno i zrna tvre faze, kada troenjem meke faze izgube ukljetenje i budu izbaena iz
troene povrine.
Slika 20. Selektivna abrazija [4] Slika 21. Izgled povrine selektivna [5]
Nulta abrazija nastaje kad je cijela abradirana povrina tvra od abraziva. Povrina ima
polirani izgled, a estice troenja trebale bi biti sitne ljuskice (koje potjeu od vanjskog
graninog sloja). Ovaj tip abrazije najee se javlja na povrinskim slojevima dobivenim
razliitim postupcima oplemenjivanja povrine (PVD, CVD, boriranje, itd.)
Slika 22. Nulta abrazija [4] Slika 23. Izgled povrine nulta [5]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 16
Otpornost na abraziju
Otpornost na abraziju povezana je s meusobnim odnosom tvrdoe abraziva i materijala troene
podloge odnosno njegovih strukturnih konstituenata. Upravo je taj odnos odluujui za prvu fazu
jedininog dogaaja abrazije tj. prodiranje koje je preduvjet za nastajanje poetne pukotine, ijim
napredovanjem e nastati estica troenja. Za postignue selektivne ili ak nulte abrazije (koje se
nastoji postii u praksi jer daje manje iznose abrazijskog troenja nego ista abrazija) odluujua
je tvrdoa strukturnih konstituenata ili povrinskih slojeva, koja se mjeri s optereenjima manjim
od 10 N i naziva mikrotvrdoa.
3.2.2.Adhezijsko troenje
Adhezijsko troenje karakterizira prijelaz materijala s jedne tarne plohe na drugu pri elativnom
gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza. Jedinini dogaaj adhezije moe se opisati u tri
faze.
Slika 24. Jedinini dogaaj adhezije [4]
Faza I Nastajanje adhezijskog spoja razliitog stupnja jakosti na mjestu dodira izboina
Faza II Raskidanje adhezijskog spoja (estica troenja ostaje spontano nalijepljena na
jednom lanku kliznog para)
Faza III Otkidanje estice, oblik estica troenja ovisi o uvjetima
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 17
estice iupane s jedne povrine ostaju privremeno ili trajno nalijepljene odnosno navarene
na drugu tarnu povrinu.
U nastavku su na slikama dani prikazi povrine s koje su iupane estice i povrine na koju su
estice spontano navarene, a oblik estica troenja ovisi o uvjetima, ali je uglavnom listiast.
Slika 25. Povrina s koje su adhezijom iupane estice [6]
Slika 26. Izgled povrine na koju su adhezijom estice spontano navarene
Otpornost na adhezijsko troenje
Budui da se mikrozavareni spojevi uspostavljaju u prvoj fazi adhezijskog mehanizma, sklonost
stvaranju tih spojeva i jakost uspostavljenih adhezijskih veza odreivat e otpornost na
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 18
adhezijsko troenje (uvijek za tarni par, ne za pojedinani materijal). Materijali koji nisu skloni
mikrozavarivanju u meusobnom dodiru su triboloki kompatibilni tj. prikladni za rad u paru.
Stoga je osnovni kriterij za ocjenu otpornosti na adhezijsko troenje materijala tribopara njihova
triboloka kompatibilnost tj. prikladnost za rad u kliznom paru. Triboloka kompatibilnost
pojedinih kombinacija materijala prikazana je Rabinowitz-ovom kartom triboloke
kompatibilnosti.
Slika 27. Rabinowitz-ova karta triboloke kompatibilnosti [4]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 19
Na triboloku kompatibilnost povoljno utjee i smanjenje broja kliznih sustava. Za realni tarni
par triboloka kompatibilnost se moe utvrditi samo pokusima ili procijeniti na osnovi
zabiljeenih rezultata ispitivanja.
3.2.3. Umor povrine
Umor povrine je odvajanje estica s povrine uslijed ciklikih promjena naprezanja. Jedinini
dogaaj umora povrine prikazan je s tri faze.
Slika 28. Jedinini dogaaj umora povrine [4]
Faza I Stvaranje mikropukotine (ispod povrine)
Faza II Napredovanje mikropukotine
Faza III Ispadanje estice troenja
U prvoj fazi nastaje podpovrinska pukotina jer je najvee smino naprezanje kod
koncentriranog dodira (Hertzovo naprezanje) uvijek ispod same povrine. Ovo je tzv. faza
inkubacije jer praktiki nema nikakvog odvajanja estica. U drugoj fazi podpovrinska pukotina
izbija na povrinu. Od tog trenutka iz pukotine redovito izlaze sitne kuglaste estice. Ove
kuglaste estice su toliko sitne da se ne mogu registrirati kao gubitak mase, ali mogu posluiti
kao vaan pokazatelj stanja procesa troenja umorom povrine.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 20
Slika 29. Nastajanje kuglastih estica u pukotini od umora [7]
U treoj fazi jedininog dogaaja umora dolazi do ispadanja krupne estice oblika ivera, to na
povrini ostavlja oteenja oblika rupice, zato se ovaj oblik troenja uobiajeno naziva pitting
(rupienje).
Slika 30. Izgled povrine oteene umorom [8]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 21
Slika 31. Kuglasta estica troenja nastala umorom povrine [9]
Otpornost na umor povrine
Otpornost na umor povrine naziva se dinamika izdrljivost povrine, a utvruje se pokusima.
Mehanizmi nastajanja prvih pukotina kod umora povrine su [1]:
a) Gomilanje dislokacija na granicama zrna
b) Meudjelovanje dviju kliznih ravnina
c) Nastajanje pukotina na malokutnim granicama
Stvaranje poetnih pukotina kod umora povrine povezano je s procesom gibanja dislokacija,
otpornost materijala na umor povrine ovisit e o otporu gibanja dislokacija, a na to pak utjee
velik broj imbenika: podpovrinski koncentratori naprezanja, povrinska obiljeja, povrinske
pogreke, diskontinuiteti u geometriji dodira, raspodjela optereenja u leaju,
elastohidrodinamika, tangencijalne sile, itd.
3.2.4.Erozijsko troenje
Ova vrsta troenja nastaje uslijed djelovanja djelia fluida (sa ili bez krutih estica noenih
fluidom) koji velikim brzinama udaraju o povrinu tijela.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 22
Slika 32. Erozija [10]
Jaina erozije najveim dijelom ovisi o brzini i kutu udara estica, te njihovoj tvrdoi. Postoje
dva osnovna oblika erozije:
a) Udarna erozija (erozija otroga kuta) proces koji slii abraziji i rezanju. Kako bi se smanjila
koliina troenja, potrebna je velika tvrdoa same povrine.
b) Abrazivna erozija (erozija tupoga kuta) gdje se veina energije troi na deformaciju povrine.
Zatita od ove vrste troenja zahtijeva elastini zatitni sloj, najee elastomer.
3.2.5. Tribokorozija
Tribokorozija ili tribokemijsko troenje je mehanizam troenja pri kojem prevladavaju kemijske
ili elektrokemijske reakcije materijala s okoliem. Jedinini dogaaj tribokorozije prikazan je u
dvije faze.
Slika 33. Jedinini dogaaj tribokorozije [4]
Faza I Stvaranje sloja produkata korozije
Faza II Mjestimino razaranje sloja produkata korozije
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 23
Izgled povrina izloenih tribokoroziji ovisi o intenzivnosti odnoenja stvorenih estica troenja.
Pri maloj intenzivnosti na povrini se pojavljuju proizvodi korozije, a kod vee intenzivnosti
odnoenja povrina je naizgled polirana. estice troenja su prakastog oblika uglavnom
oksidne. estice troenja kod tribokorozije se stvaraju unutar vanjskog povrinskog sloja. Budui
da se radi o vrlo tankim slojevima, tribokorozija je redovito slabo intenzivan mehanizam
troenja. Iako se tribokorozija ubraja u osnovne mehanizme troenja ona je ipak kombinacija
izmeu kemijskih reakcija na povrini triboelementa i jednog od prethodno opisanih osnovnih
mehanizama troenja tj. abrazije, adhezije ili umora povrine.
Otpornost na tribokoroziju
Osnovni kriterij za otpornost materijala na tribokoroziju je kemijska postojanost materijala u
odreenom mediju. Treba takoer rei da slojevi proizvoda korozije zatiuju metalne povrine
od neposrednog dodira metal/metal pa se esto i namjerno izazivaju u svrhu zatite. Dakle
tribokorozija moe biti poeljan mehanizam troenja jer bi drugi mehanizmi troenja u istoj
situaciji izazvali mnogo intenzivnije troenje. No pojedini oblici tribokorozije mogu biti vrlo
opasni, npr, u sprezi s vibracijama, visokim temperaturama ili vlanim okoliem. Posebno je
ozbiljan problem tribokorozije u kapljevitom kisiku ili u kapljevitom fluoru.
3.2.6.Djelovanje mehanizama troenja
Svaki proces troenja sastoji se od najmanje dva mehanizma troenja ili vie njih, koji djeluju
istodobno ili u vremenskom slijedu, ovisno o vrsti tribosustava, relativnom gibanju i radnim
uvjetima. Stupanj opasnosti od pojedinih mehanizama razliit je za razliite tribosustave, a
zadaa je tribologije izbjei pojavu opasnijih mehanizama troenja ili ju pak odgoditi. Dakle
treba postii da odreeni tribosustav funkcionira preteno u reimu tzv. normalnog troenja.
Slika 34. Opi oblik procesa troenja [4]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 24
Proces troenja moe se pratiti preko neke od mjerljivih veliina tribosustava. Najee se to radi
praenjem sile trenja, buke i vibracija, temperature, spektografskom analizom ulja, magnetnim
detektorima estica, radioaktivnim metodama, ferografijom, itd.
3.2.7. Triboloke mjere
To su postupci i metode koji imaju za cilj postizanje prihvatljivih vrijednosti trenja i troenja u
realnim tribosustavima. Osim konstrukcijskih mjera, kojima je svrha izbjegavanje ili smanjenje
utjecaja uzroka troenja, glavne triboloke mjere su [1]:
a) Izbor materijala triboelemenata
b) Zatita povrina od troenja
c) Uhodavanje
d) Podmazivanje
Odabir gore navedenih stavki kljuan je pri sprjeavajnju i smanjenju djelovanja nepoeljnog
troenja. Budui da se ovaj rad bavi problemom troenja klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog
motora, u nastavku e ukratko biti opisan princip rada navedenog motora in neke njegove
karakteristike.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 25
4. MOTOR
Motor je naprava koja slui za pretvaranje odreenih vrsta energije u mehaniku energiju
gibanja. Tako je motor naprava koja pretvara [11]:
a) kemijsku energiju goriva u toplinsku energiju, a toplinsku energiju (energiju izgaranja) u
energiju gibanja
b) elektrinu energiju u kretanje (elektromotor), a njegova suprotnost je generator koji
pretvara kinetiku energiju u elektrinu
Podjela kod motora s unutarnjim izgaranjem moe se napraviti na vie naina [11].
Prema taknosti:
a) Dvotaktni
b) etverotaktni
Prema srednjoj stapnoj brzini ili hodnosti:
a) Sporohodne
b) Srednjehodne
c) Brzohodne
Prema broju okretaja:
a) Sporokretne
b) Srednjekretne
c) Brzokretne
Prema vrsti procesa:
a) Otto
b) Diesel
Prema konstrukciji:
a) Redni motori d) Bokser motori
b) V-motori e) Wankel motori
c) VR-motori
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 26
4.1. Princip rada dvotaktnog motora
Dvotaktni motor je motor s unutranjim izgaranjem koji cijeli svoj radni ciklus obavi u dva takta
ili jedan krug koljenastog vratila. Dvotaktni motor moe biti Otto ili Diesel, gdje nailazimo na
dva termodinamiki razliita procesa.
Kod Diesel motora prvi takt sastoji se od usisa i komprimiranja zraka, dok drugi radni takt sadri
ekspanziju i ispuh. Kretanjem klipa iz donje mrtve toke zapoinje radni takt. Na donjem dijelu
kouljice cilindra nalaze se usisni kanali za usisavanje svjeeg zraka. Prolaskom klipa iznad
usisnih kanala prestaje dotok svjeeg zraka i poinje komprimiranje zraka. Klip se kree ka
gornjoj mrtvoj toki. Kada klip stigne u tu toku zapoinje radni takt. No ubrizgavanje goriva
zapoinje nekoliko stupnjeva prije gornje mrtve toke. Ubrizgavanjem goriva u prostoru cilindra
ono se samozapaljuje zbog visoke temperature komprimiranog zraka i fino rasprenih estica
goriva. Gorivo se ubrizgava pod tlakom od oko 150 bara. Nakon ekspanzije klip kree prema
donjoj mrtvoj toki i okree koljenasto vratilo na koje je spojen preko krine glave i ojnice.
Ispuh poinje kada klip svojim gibanjem prema donjoj mrtvoj toki otvori ispune kanale na
kouljici cilindra (smjeteni iznad usisnih kanala tako da veina izgorene smjese izae izvan
prostora cilindra). Dolaskom klipa u donju mrtvu toku zavrava radni takt i zapoinje prvi.
Za benzinske dvotaktne motore postoji par razlika, u cilindar se ubacuje smjesa zraka i goriva,
koja se tlai i nekoliko stupnjeva prije gornje mrtve toke zapaljuje iskrom iz svijeice [11].
Slika 35. Dvotaktni motor (benzinski) [12]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 27
Slika 36. Usisni takt [13] Slika 37. Radni takt [13]
Slika 38. Radni ciklus dvotaktnog motora (benzinski) [14]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 28
Slika 39. Dvotaktni (Diesel) motor [15]
4.2. Dieselov proces
Dieselov proces je termodinamiki proces koji prati tlak i volumen izgarajue komore u Diesel
motoru. Pretpostavlja se da je tlak konstantan u prvom dijelu izgarake faze (2-3). To je veinom
samo teoretski mogue, realni Dieselovi procesi imaju poveanje tlaka u ovoj fazi, ali manje
nego u Ottovom procesu.
Slika 40. Teoretski dijagram idealiziranog Dieselovog procesa [16]
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 29
Slika 38. prikazuje p,v dijagram idealiziranog Dieselovog procesa (gdje je p - tlak, a v -
specifini volumen). Dalje se moe uoiti:
Proces 1-2 je izentropska kompresija
Proces 2-3 je povrativo izobarno grijanje
Proces 3-4 je izentropska ekspanzija
Proces 4-1 je povrativo izohorno hlaenje
W2 je rad klipa koji komprimira radnu tvar,a W1 je rad dobiven ekspanzijom radne tvari. Q2 je
toplina dobivena izgaranjem goriva, dok je Q1 odvedena toplina ulaskom zraka.
Stoga taktove moemo podijeliti:
1. Takt Izmjena medija i kompresija (od toke 4 do toke 2)
2. Takt Izgaranje i ekspanzija (radni takt) (od toke 2 do toke 4)
Za razliku od Dieselovog procesa, Ottov proces vie nema od toke 2-3 povrativo izobarno
grijanje, ve izohorno hlaenje.
3.3. Ottov proces
Slika 41. Teoretski dijagram dvotaktnog Otto procesa [16]
Stoga na dijagramima toke predstavljaju:
1 Kraj ispuha i usisa, poetak kompresije
2 Kraj kompresije, ubrizgavanje goriva, poetak izgaranja
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 30
3 Kraj izgaranja, poetak ekspanzije
4 Kraj ekspanzije, poetak izmjene medija u cilindru
Stvarni dijagram dvotaktnog motora
Slika 42. Stvarni dijagram dvotaktnog motora [17]
Vk zapremina kompresije (volumen iznad ela stapa kada je stap u gornjoj mrtvoj toki)
Vc zapremina cilindra (volumen iznad ela stapa kada je stap u donjoj mrtvoj toki)
Oe toka kada se otvaraju ispuni kanali
Os toka kada se otvaraju usisni kanali
Na induciranom dijagramu, od trenutka zatvaranja kanala klipom Oe poinje kompresija, koja
traje do trenutka poetka izgaranja, neto prije gornje mrtve toke (trenutak naglog porasta tlaka
u cilindru). Tlak raste do najveeg, te se tijekom izgaranja tlak zadrava blizu maksimalnog. Kraj
izgaranja obiljeava nagli pad tlaka (ekspanzija u cilindru). U trenutku otvaranja ispunih kanala
tlak poinje naglo padati. U trenutku Os se otvaraju usisni kanali i zrak ulazi u cilindar,
smanjujui donekle podtlak koji u njemu vlada. Zaustavljanjem gibanja klipa dolazi do porasta
tlaka u cilindru, koji raste na tlak ispirnog zraka. Gibanjem klipa od donje mrtve toke tlak jo
malo raste, no ta je razlika mala do trenutka poetka kompresije.
4.4. Bitne karakteristike
Kroz slike i dijagrame Diesel i benzinskog dvotaktnog motora, moe se zakljuiti da je najvea
razlika u tome to kod Diesel motora samo zrak ulazi u cilindar, a kod benzinskog motora
mjeavina zraka i goriva. Stoga je Diesel dvotaktni motor ekoloki prihvatljiviji, a i za dvotaktnu
izvedbu mnogo pogodniji jer se samo zrak komprimira i nakon toga se gorivo ubrizgava direktno
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 31
u komprimirani zrak. No Diesel dvotaktni motor obino ima kompresor zato ga nikad neemo
nai npr. na motornoj pili jer bi to jednostavno bilo preskupo.
Najeu primjenu benzinski dvotaktni motori pronalaze u motociklima, ali i kod nekih starijih
modela automobila kao npr. Wartburg ili Trabant (upravo u sluaju ovog rada gdje je ispitano
troenje klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog motora uzetog iz jednog modela Wartburga).
Dvotaktni motor svoj radni ciklus obavlja za dva takta tj. jedan okretaj koljenastog vratila, to
znai da dvotaktni motor pri istom broju okretaja koljenastog vratila kao etverotaktni, ima dva
puta vie radnih taktova (tj. dvotaktni motor ima potpunije iskoritenje radnog ciklusa). Radni
ciklus dvotaktnog motora sastoji se od istih procesa kao i radni ciklus etverotaktnog motora, s
tim to se u pojedinim dijelovima ciklusa dvotaktnog motora izvodi vie procesa nego kod
etverotaktnog i ti se procesi preklapaju. Pri jednakim dimenzijama cilindra i pri jednakom broju
okretaja snaga dvotaktnog motora bi teorijski trebala biti dva puta vea zbog duplo veeg broja
radnih taktova u jedinici vremena. U stvarnosti snaga dvotaktnih motora je vea za 1.5 do 1.7
puta, uslijed gubitka dijela zapremine, loije kvalitete izmjene radne materije, troenja dijela
snage na pogon pomonih agregata i sl. Izmjena radne materije kod dvotaktnih motora se izvodi
pri znatno manjoj promjeni kuta okretanja koljenastog vratila (za znatno krae vrijeme), to
utjee na savrenost tog procesa, a time i itavog radnog ciklusa. Zbog toga to se u procesu
izmjene radne materije kod dvotaktnih motora gubi dio svjeeg punjenja, oni se najee izvode
u Diesel varijanti. Izuzetak ine manji motori kod kojih vei znaaj ima jednostavna konstrukcija
i potreba za postizanje to vee snage, nego potronja goriva (npr. motocikli, poljoprivredna
mehanizacija, amci, itd.).
U dananjem automobilizmu i motociklizmu dvotaktni motori se vie ne upotrebljavaju zbog
sve stroih zahtjeva na ekologiju (emisija ispunih plinova) koji se s dvotaktnim motorom ne
mogu ispuniti. Visoka uestalost radnih ciklusa dvotaktnih motora (u odnosu na etverotaktne)
daje ravnomjerniji okretni moment, ali dovodi do poveanog zagrijavanja elementa i mehanizma
motora, ime se ugroava podmazivanje, poveava habanje, smanjuju mehanike karakteristike
materijala, a time i skrauje radni vijek dvotaktnih motora. Stoga se zakljuno moe rei da su
danas etverotaktni motori prvi izbor za veinu namjena i polako istiskuju dvotaktne motore iz
upotrebe. No za pokretanje brodova, lokomotiva, industrijskih generatora i danas se koriste
dvotaktni Diesel motori. Upravo je brodski pogon jedino podruje gdje dominiraju dvotaktni
motori.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 32
5.EKSPERIMENTALNI DIO
Kao to je ve navedeno, tema ovog rada je troenje klipnjae koljenastog vratila dvotaktnog
motora sa vanjskim paljenjem i u dosadanjim naslovima opisani su neki od glavnih mehanizama
troenja, te princip rada dvotaktnog motora. Eksperimentalni dio obavljao se na klipnjai uzetoj
iz jednog modela Wartburga (marka automobila porijeklom iz Istone Njemake).
Slika 43. Wartburg [18]
Klipnjaa je dio motora koji spaja klip i koljenasto vratilo (radilicu), te zajedno sa njim ini
jednostavan mehanizam koji pretvara naizmjenino gibanje u rotacijsko.
Slika 44. Klipnjaa i koljenasto vratilo [19]
Klipnjaa uzeta iz ovog automobila (dvotaktni motor sa vanjskim paljenjem) posluila je za
istraivanje mehanizama troenja jer je u konkretnom primjeru dolo do problema u radu motora.
Problem se manifestirao kroz udne zvukove, lupanje i udaranje pri radu motora. Takoer na
klipnjai su vidljivi tragovi zaribavanja. Kako bi se utvrdilo o emu se tono radi, motor je
rastavljen. Utvreno je da je navedeni problem nastao na spoju klipnjae i osovine (leaj, podloka).
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 33
Slika 45. Spoj klipnjae i osovine
Najvjerojatnije zbog loeg podmazivanja, dolo je do brzog troenja leajeva, a time i do
nepravilnosti u radu motora. Kako bi se utvrdilo koji su mehanizmi troenja nastupili
pripremljeni uzorci (izrezani od navedenih dijelova) analizirani su elektronskim mikroskopom, a
kako bi tono znali od kojih materijala su nainjeni navedeni dijelovi, provedeno je takoer i
ispitivanje kemijskog sastava.
Slika 46. Klipnjaa izrezana na dijelove
5.1.Kemijski sastav i mikrostruktura
U Laboratoriju za analizu metala Fakulteta strojarstva i brodogradnje napravljena je
kvantitativna kemijska analiza dostavljenih uzoraka. Metodom optike emisijske spektometrije,
dobiveni su sljedei rezultati:
Tablica 1. Kemijski sastav analiziranog dijela
oznaka
uzorka
%
C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Fe
Klipnjaa 0,20 0,22 0,72 0,017 0,016 0,29 0,07 0,49 0,20 ostatak
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 34
Slika 47. Mikrostruktura 16Mo5, nagrieno (poveanje 1000 puta)
Iz dobivenih informacija se daljnjom analizom podataka i fotografijom mikrostrukture (dobivene
optikim mikroskopom, model Olympus GX51) moe zakljuiti da materijal od kojeg je
klipnjaa izraena pripada skupini konstrukcijskih elika za rad pri povienim i visokim
temperaturama, bainitne mikrostrukture (poputeni bainit), konkretno se radi o eliku 16Mo5
[20].
Budui da je klipnjaa izloena velikim naizmjenino promjenjivim optereenjima, uglavnom se
izrauje od legiranih elika za poboljavanje ili cementiranje (Cr, Ni, Mo). Kod automobilskih
motora, klipnjae se danas esto izrauju lijevanjem od perlitnog sivog lijeva ili nodularnog
lijeva. Prednost izlivenih klipnjaa je nia cijena i bolja iskoristivost materijala pri izradi
kompliciranog oblika. Kao materijal za lijevane klipnjae moe se koristiti legura titana, sa vrlo
velikom vrstoom, a malom specifinom masom.
Drugi element tribopara su valjii leaja, za koje je analizom slike mikrostrukture i prema
[20],[21] utvreno da su izraeni od niskolegiranog krom alatnog elika. Na slici je vidljivo da
se u poputenoj martenzitnoj matrici nalaze raspreni karbidi (bijele tokice).
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 35
Slika 48. Mikrostruktura niskolegiranog krom alatnog elika, nagrieno (poveanje 1000 puta)
5.2.Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) i EDS
Skenirajua elektronska mikroskopija (SEM) jedna je od najee koritenih metoda u
karakterizaciji povrine materijala. SEM ureaji rade na poveanjima od 10 do preko 500 000, pa
osim morfologije mogu posluiti i za saznavanje informacija o kemijskom sastavu materijala
blizu njegove povrine. U standardnom SEM ispitivanju generira se snop primarnih elektrona
fokusiran u spot promjera oko 5 nm, sa energijama elektrona koje variraju od 100 eV do 50 keV.
U sluaju neelastinog rasipanja primarni elektroni predaju dio svoje energije elektronima u
materijalu, ime se stvaraju uvjeti za njihovu emisiju u vidu sekundarnih elektrona koji obino
imaju energiju manju od 50 eV. Dio neelastino predate energije primarnih elektrona dovodi i do
pobuivanja elektrona iz elektronskih ljuski atoma, a tako pobueni atomi vraaju se u osnovno
stanje (snopom fotona X zraenja). Dio elastino rasutih primarnih elektrona vraa se iz
materijala kroz povrinu (sa vjerojatnou proporcionalnoj atomskom broju) [22].
SEM sustav formira sliku detektiranjem svih spomenutih tipova zraenja koji se javljaju kao
rezultat interakcije primarnog elektronskog snopa sa materijalom. Detektori sekundarnih
elektrona su standardna oprema svih SEM-ova, a rijetko su prisutni detektori za sve signale.
Kod tipinog SEM elektroni se uz pomo toplinske emisije izbacuju iz elektronskog topa koji
sadri katodu od volframa. Volfram je pogodan jer je jeftin i ima najviu toku topljenja od svih
metala, te se moe zagrijati tako da emitira elektrone.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 36
Slika 49. Elektroni kod SEM-a [22]
Elektronska zraka energije 0.2 keV-40 keV se fokusira uz pomo kondenzatora na spot promjera
0.4 -5 nm. Zraka prolazi kroz parove skenirajuih namotaja koji su obino u zadnjoj lei
(otklanjaju zrake u x i y osi tako da mogu skenirati du kvadratnog podruja uzorka).
Slika 50. Princip rada SEM [22]
Skeniranje povrine se ostvaruje prelaenjem uskog snopa primarnih elektrona preko povrine
uzorka. U svakoj toki uzorka u interakciji atoma primarnog snopa i atoma uzorka dolazi do
stvaranja signala koji se detektira. Signal se mapira na ekranu, a svaka toka interakcije odgovara
posebnoj slici na ekranu. Otrina slike ovisi o jaini signala sa uzorka (energija sekundarnih
elektrona). Upadni elektroni se vraaju bilo kao primarno raspreni prema natrag (backscattered
electrons) ili kao sekundarno raspreni koji se najvie koriste za istraivanje povrine. Sekundarni elektroni su niskih energija tako da samo oni stvoreni nekoliko nanometara ispod
povrine uzorka mogu izai i biti detektirani. Podatak prema natrag rasprenih elektrona ovisi o
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 37
rednom broju atoma, tako da to dodatno moe posluiti za kemijsku analizu. Najlake se
detektiraju sekundarni elektroni jer su vrlo brojni i malih energija.
Rade pod vakuumom 10-2
do 10-8
Pa. Razluivanje i dubina prodiranja ovise o naponu,
materijalu uzorka i veliini spota.
EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) je analitika metoda koja se koristi za analizu
kemijskih elemenata prisutnih u nekom uzorku ili kemijsku karakterizaciju uzorka. Princip rada
osniva se na injenici da svaki element ima jedinstvenu atomsku strukturu koja daje jedinstvenu
kombinaciju vrhova za njegov rendgenski spektar. Kako bi se potaknula emisija karakteristinih
rendgenskih zraka iz uzorka, rendgenska zraka visoke energije se upuuje na uzorak.
SEM analiza uzorka obavljena je s Tescan Vega TS5136 modelom skenirajueg elektronskog
mikroskopa.
Slika 51. Tescan Vega TS5136 [23]
U nastavku su priloene fotografije dobivene tijekom SEM analize uzorka (klipnjaa).
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 38
Slika 52. Dio klipnjae na kojem je obavljena SEM analiza
Slika 53. EDS analiza - osnovni materijal klipnjae
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 39
Tablica 2. Maseni i atomski udio pojedinog elementa u osnovnom materijalu
Cementiranje elika je postupak toplinske obrade koji se sastoji od pougljienja, kaljenja i
niskotemperaturnog poputanja. Cilj je ostvarivanje tvrdoe na povrinskim slojevima (otpornost
na troenje) i zadravanje ilavosti u jezgri (otpornost na udarna optereenja). Izvori ugljika
mogu biti vrsti, solne kupelji, plinovi, ionizirani plinovi itd.
Slika 54. Cementirani sloj klipnjae
Kao to je vidljivo s fotografije (Slika 56.), SEM analizom utvreno je postojanje cementiranog
sloja na povrini klipnjae.
U nastavku slijedi analiza na podrujima troenja na klipnjai.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 40
Slika 55. EDS analiza podruje gdje je dolo do troenja
Tablica 3. Maseni i atomski udio pojedinog elementa na podruju troenja
Na prethodnoj fotografiji (Slika 57.) i iz tablice udjela pojedinih elemenata na podruju troenja
(Tablica 3.) je vidljivo da su breuljkaste nakupine na klipnjai zapravo estice valjia.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 41
Slika 56. SEM analiza mikrostruktura valjia
Na slici 56. se jasno vidi i potvruje da se u poputenoj matrici martenzita nalaze rasprene
kuglice karbida, kao to je ve prethodno navedeno kod slike mikrostrukture dobivene optikim
mikroskopom za materijal od kojeg su izraeni valjii (niskolegirani krom alatni elik).
5.3.Ispitivanje tvrdoe
Tvrdoa po Vickersu je mjera otpora to ga neki materijal prua prodiranju dijamantne
etverostrane piramide s vrnim kutom od 136, optereene nekom silom F (u ovom sluaju
optereenje je bio uteg od 200 g).
Udubljenje piramide daje kvadrat na povrini uzorka, ali zbog netonosti rada, nesavrenosti
uzorka i slinog (esto puta je kvadrat iskrivljen), mjere se obje dijagonale kvadrata (d1 i d2) i
uzima se srednja vrijednost dijagonale d.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 42
Slika 57. Tvrdoa po Vickersu (indentor i otisak) [24]
Slika 58. Izgled otiska indentora kod Vickers metode [25]
Mjerenje je za svaki dio (klipnjaa i valji) provedeno 5 puta i softverskim proraunom su
dobivene sljedee vrijednosti.
523HV0,2 - klipnjaa (osnovni materijal)
630HV0,2 - klipnjaa (cementirani sloj)
498HV0,2 - valji
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 43
6.ZAKLJUAK
Nakon to su uzorci (klipnjaa i valjii) detaljno analizirani (SEM, optika emisijska
spektometrija) i nakon to su obavljena ispitivanja tvrdoe, doneseni su sljedei zakljuci:
Uslijed loeg podmazivanja dolo je do pretjeranog troenja (valjia leaja izmeu
klipnjae i osovine) i problema u radu motora.
S fotografija dobivenih SEM analizom je vidljivo da na povrini klipnjae postoje
nalijepljene nakupine materijala.
Mehanizmi troenja koji su se javili u ovom sluaju su adhezija i abrazija.
Budui da je adhezijsko troenje prijelaz materijala s jedne tarne plohe na drugu pri relativnom
gibanju, zbog procesa zavarivanja krutih faza, moe se zakljuiti da je upravo ovaj mehanizam
troenja dominantan u promatranom problemu. Nalijepljene nakupine materijala potjeu s
drugog lana tribopara (valjii leaja) za koje je ispitivanjem tvrdoe materijala od kojeg su
nainjeni (niskolegirani krom alatni elik) utvreno da imaju nie vrijednosti od tvrdoe
materijala klipnjae (konstrukcijski elik za rad pri povienim i visokim temperaturama).
Takoer uz adheziju, prisutna je i abrazija. Kao to je ve navedeno abrazija je troenje
istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdim izboinama. Abrazijsko
troenje je nastupilo nakon adhezijskog jer su nalijepljenje nakupine materijala valjia na
klipnjai djelovale kao abraziv u daljnjem procesu troenja.
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 44
7. LITERATURA
[1] Ivui, Vinko; Tribologija; Sveuilite u Zagrebu; Zagreb, 1998.
[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-
_National_Museum_of_Mongolian_History.jpg
[3]http://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s
400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpg
[4] Grilec, Kreimir; Ivui, Vinko; Tribologija, autorizirana predavanja; Sveuilite u Zagrebu;
Zagreb, 2011.
[5] http://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/0180650606010.png
[6] http://business.eagleburgmann.com/lexikon/images/de/f256-1.jpg
[7] http://media.noria.com/sites/archive_images/Backup_200503_OA101-Fig1a.jpg
[8] http://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-
page2_clip_image012.gif
[9] http://failure-analysis.info/wp-content/uploads/2010/07/7-micro-soccer-balls.jpg
[10] http://www.gordonengland.co.uk/img/wear3.gif
[11]http://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Eng
ine.jpg
[12] Marin, Radovan; Tehnologija automobila; Media Print; Zagreb, 2010.
[13]http://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/
s1600/2-stroke.gif
[14] http://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-
convert-4-stroke
[15] http://static.ddmcdn.com/gif/diesel-two-stroke.gif
[16] Halasz, Boris; Uvod u termodinamiku; Predloci za predavanja, Zagreb, 2006.
[17] http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Real_two_stroke_diagram.gif
[18] http://www.cartype.com/pics/7746/full/wartburg-353w_brochure.jpg
[19] http://www.global-trade.com.tw/images/Product/LX09-1E36%281%29.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-_National_Museum_of_Mongolian_History.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Diorama,_cavemen_-_National_Museum_of_Mongolian_History.jpghttp://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpghttp://4.bp.blogspot.com/XnDq_1ArrHU/TgZeIq2o0BI/AAAAAAAAAsM/qrD7JEVyMkU/s400/BuildingThePyramids3%255B1%255D.jpghttp://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/0180650606010.pnghttp://business.eagleburgmann.com/lexikon/images/de/f256-1.jpghttp://media.noria.com/sites/archive_images/Backup_200503_OA101-Fig1a.jpghttp://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-page2_clip_image012.gifhttp://www.tricocorp.com/prescription-news/images/newsletter-12-09-page2_clip_image012.gifhttp://failure-analysis.info/wp-content/uploads/2010/07/7-micro-soccer-balls.jpghttp://www.gordonengland.co.uk/img/wear3.gifhttp://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Engine.jpghttp://www.scientificequipments.co.in/Demonstration%20Two%20Stroke%20Petrol%20Engine.jpghttp://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/s1600/2-stroke.gifhttp://3.bp.blogspot.com/_LapmakrH9kQ/TKIsBKEbcwI/AAAAAAAAAEA/hk1AslcNfSw/s1600/2-stroke.gifhttp://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-convert-4-strokehttp://www.pakwheels.com/forums/bikes-3-wheelers/69034-can-2-stroke-bike-engines-convert-4-strokehttp://static.ddmcdn.com/gif/diesel-two-stroke.gifhttp://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Real_two_stroke_diagram.gifhttp://www.cartype.com/pics/7746/full/wartburg-353w_brochure.jpghttp://www.global-trade.com.tw/images/Product/LX09-1E36%281%29.jpg
Nada uur Zavrni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb 45
[20] Metals Handbook, 8th Edition, Volume 7: Atlas of Microstructures of Industrial Alloys;
American Society for metals
[21] Filetin, Tomislav; Kovaiek, Franjo; Svojstva i primjena materijala; Sveuilite u Zagrebu;
Zagreb, 2009.
[22] http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdf
[23] http://www.eos.ca/TS5136.htm [24] http://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gif
[25] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-
vickers_hardness_test.png
http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdfhttp://www.eos.ca/TS5136.htmhttp://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gifhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.png
[20] Metals Handbook, 8th Edition, Volume 7: Atlas of Microstructures of Industrial Alloys; American Society for metals[21] Filetin, Tomislav; Kovaiek, Franjo; Svojstva i primjena materijala; Sveuilite u Zagrebu; Zagreb, 2009.[22] http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/EMUMF/SEM.pdf[23] http://www.eos.ca/TS5136.htm[24] http://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.gif[25] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Case_hardened_steel-vickers_hardness_test.png
Recommended