82
Universitatea „Dunărea de Jos” din Galaţi Școala doctorală de Inginerie TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT CONTRIBUŢII PRIVIND STUDIUL COMPORTĂRII LA UZURĂ A UNOR COMPOZITE CU MATRICE POLIMERICĂ DESTINATE RECONDIŢIONĂRII PIESELOR METALICE Doctorand, Ing. Virgil Iliuţă Conducător științific, Prof. univ. dr. ing. Gabriel Andrei Seria I6 Nr. 19 GALAŢI 2014

rezumat. fac

Embed Size (px)

DESCRIPTION

...

Citation preview

  • Universitatea Dunrea de Jos din Galai coala doctoral de Inginerie

    TEZ DE DOCTORAT REZUMAT

    CONTRIBUII PRIVIND STUDIUL COMPORTRII LA UZUR A UNOR

    COMPOZITE CU MATRICE POLIMERIC DESTINATE RECONDIIONRII

    PIESELOR METALICE

    Doctorand,

    Ing. Virgil Iliu

    Conductor tiinific, Prof. univ. dr. ing. Gabriel Andrei

    Seria I6 Nr. 19

    GALAI 2014

  • Universitatea Dunrea de Jos din Galai coala doctoral de Inginerie

    TEZ DE DOCTORAT REZUMAT

    CONTRIBUII PRIVIND STUDIUL COMPORTRII LA UZUR A UNOR

    COMPOZITE CU MATRICE POLIMERIC DESTINATE RECONDIIONRII

    PIESELOR METALICE

    Doctorand Ing. Virgil Iliu

    Conductor tiinific, Prof. univ. dr. ing. Gabriel Andrei Refereni stiinifici Prof. univ. dr. ing. Filip Ilie

    Prof. univ. dr. ing. Dan Svescu Prof. univ. dr. ing. Minodora Rp

    Seria I6 Nr. 19

    GALAI 2014

  • SeriiletezelordedoctoratsustinutepublicnUDJGncepndcu1octombrie2013sunt:DomeniulTIINEINGINERETI

    SeriaI1:BiotehnologiiSeriaI2:CalculatoareitehnologiainformaieiSeriaI3.InginerieelectricSeriaI4:InginerieindustrialSeriaI5:IngineriamaterialelorSeriaI6:IngineriemecanicSeriaI7:IngineriaproduseloralimentareSeriaI8:Ingineriasistemelor

    DomeniulTIINEECONOMICESeriaE1:EconomieSeriaE2:ManagementDomeniulTIINEUMANISTESeriaU1:FilologieEnglezSeriaU2:FilologieRomnSeriaU3:Istorie

  • Teza de fa este rezultatul studiilor i cercetrilor desfurate de doctorand n ultimii ani sub conducerea conductorului de doctorat, domnul prof. univ. dr. ing. Gabriel ANDREI, cruia i adresez mulumiri pe aceast cale, pentru sprijinul acordat i nelegerea manifestat pe parcursul elaborrii acestei lucrri.

    mi exprim, cu aceast ocazie, ntreaga mea gratitudine fa de doamna prof. univ. dr. ing. Minodora RP pentru susinerea i sprijinul acordat n toat activitatea de realizare a tezei, pentru sugestiile preioase oferite, amabilitate, promptitudine i generozitate.

    Alese mulumiri i recunotin aduc doamnei dr. ing. Adriana PREDA, cercettor la SC Uzinsider engineering SA Galai, pentru sprijinul material i logistic acordat n desfurarea cercetrilor.

    in s mulumesc membrilor comisiei de ndrumare, pe care i-am simit alturi de mine, pe parcursul stagiului: prof. univ. dr. ing. Iulian-Gabriel BRSAN, conf. dr. ing. Constantin SPNU i conf. dr. ing. Sorin CIORTAN. Sfaturile i sprijinul lor sunt de nepreuit i le voi rmne mereu recunosctor.

    Adresez sincere mulumiri colegilor de departament pentru ncurajri i sprijin moral i, n mod special, colegilor .l. dr. ing. Alexandru NSTASE i .l. dr. ing. Constantin GEORGESCU.

    Le mulumesc, totodat, colegilor: .l. dr. ing. Cornel SUCIU de la Universitatea tefan cel Mare Suceava, .l. dr. Tiberiu LAURIAN de la Universitatea Politehnica Bucureti, .l. dr. ing. Petric ALEXANDRU i dr. fiz. Alina-Mihaela Cantaragiu de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai pentru amabilitatea i sprijinul acordat n realizarea unor experimente.

    Calde mulumiri aduc membrilor comisiei pentru evaluarea i susinerea public a tezei: prof. univ. dr. ing. Filip ILIE de la Universitatea Politehnica Bucureti, prof. univ. dr. ing. Dan SVESCU de la Universitatea Transilvania Braov, prof. univ. dr. ing. Minodora RP de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai. Le sunt recunosctor pentru amabilitatea i bunvoina de-a face parte din aceast comisie, pentru efortul fcut cu aceast ocazie.

    Nu n ultimul rnd, doresc s mulumesc familiei mele, prinilor mei, rudelor i prietenilor crora, pe parcursul elaborrii acestei teze, le-am oferit mai puin din timpul meu. Dragostea i cldura lor, susinerea necondiionat i, mai ales, rbdarea lor au constituit un imbold s duc aceast lucrare la bun sfrit.

    Mulumesc, de asemenea, tuturor celor care i-au fcut timp s arunce o privire asupra coninutului acestei lucrri i s fac observaii critice n scopul mbuntirii ei.

    Galai, Ing. Virgil Iliu

    Octombrie 2014

  • Cuprins

    III

    CUPRINS Tez Rezumat Cuvnt nainte ........................................................................................................I ......... I Cuprins ..................................................................................................................III ........ III Introducere ............................................................................................................VII ....... V Introduction ............................................................................................................IX Notaii i abrevieri ..................................................................................................1 List figuri ..............................................................................................................3 List tabele ............................................................................................................10 Capitolul 1 - Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea

    tribologic a materialelor compozite polimerice ........................11 ....... 1 1.1. Materiale compozite generaliti.............................................................11 ....... 1

    1.1.1. Definirea materialelor compozite....................................................11 ....... 1 1.1.2. Clasificarea materialelor compozite ..............................................11 ....... 1 1.1.3. Materiale de ranforsare sub form de fibre ....................................13 ....... 2 1.1.4. Materiale de ranforsare pulverulente ............................................14 ....... 2 1.1.5. Materiale de adaos (fileri) ..............................................................15 ....... 3 1.1.6. Tendine actuale n realizarea i utilizarea compozitelor

    polimerice.......................................................................................16 ....... 3 1.2. Mecanisme de uzur specifice materialelor polimerice i

    compozitelor cu matrice organic..............................................................17 ....... 4 1.2.1. Tipuri de uzur specifice materialelor plastice i compozitelor

    cu matrice polimeric .....................................................................17 ....... 4 1.2.2. Studii i cercetri privind uzura compozitelor polimerice ...............20 ....... 5 1.2.3. Cercetri privind testarea materialelor n micare alternativ

    rectiline n configuraia bil-pe-plan ...............................................24 ....... 8 1.2.4. Cercetri privind caracterizarea materialelor prin zgriere ............28 ....... 9 1.2.5. Cercetri privind utilizarea reelelor neuronale n modelarea

    proceselor tribologice ale compozitelor polimerice. .......................33 ....... 11 1.3. Standardizarea ncercrilor la uzur n configuaria bil-pe-plan i tift-pe-

    disc.............................................................................................................36 1.4. Proiectarea testelor de laborator ...............................................................37 1.5. Tipuri de tribomodele i metodologia de testare a tribosistemelor de

    alunecare.......................................................................................................38 1.6. Obiectivele tezei .......................................................................................39 ....... 13 1.7. Strategia cercetrii ...................................................................................39 ....... 13

    Capitolul 2 Metodologia de cercetare i echipamentele utilizate ................41 ....... 14 2.1. Materialele supuse investigaiilor .............................................................41 ....... 14

    2.1.1. Caracterizarea materialelor compozite ..........................................43 ....... 15 2.1.2. Caracterizarea materialelor metalice supuse recondiionrii..........45 ....... 17

    2.2. Probele testate i tehnologia de realizare a acestora ..............................47 ....... 17 2.3. Programele de testare tribologic n regim uscat .....................................48 ....... 18 2.4. Echipamentele de cercetare utilizate ........................................................49 ....... 19

    2.4.1. Aparatur de testare tribologic n regim uscat..............................49 ....... 19 2.4.2. Echipament pentru analiza morfologic ........................................51 ....... 20

    2.5. Concluzii....................................................................................................54 ....... 22

  • Virgil Iliu - Cercetri privind comportarea tribologic a unor materiale compozite pentru

    recondiionarea suprafeelor metalice

    IV

    Capitolul 3 Teste experimentale privind comportarea tribologic n regim uscat ...................................................................................................56 ....... 23 3.1. Rezultate experimentale privind coeficientul de frecare ...........................56 ....... 23

    3.1.1. Calculul presiunii de contact bil-plan ...........................................56 ....... 23 3.1.2. Evoluia coeficientului de frecare n configuraia bil-pe-plan

    n micare rectilinie alternativ .......................................................58 ....... 25 3.1.3. Comparaie privind coeficientul de frecare mediu n funcie de

    metoda de testare .........................................................................64 ....... 29 3.2. Rezultate experimentale privind parametrii de uzur . ..............................67 ....... 30

    3.2.1. Generaliti .....................................................................................67 ....... 30 3.2.2. Rezultate privind parametrii de uzur ............................................68 ....... 31

    3.3. Analiza profilometric ...............................................................................71 ....... 34 3.4. Analiza morfologic ..................................................................................76 ....... 37 3.5. Clasificarea materialelor testate ................................................................87 ....... 41 3.6. Concluzii ...................................................................................................89 ....... 42

    Capitolul 4 Comportarea tribologic la zgriere ............................................92 ....... 44 4.1. Modelul teoretic al contactului con-plan la zgriere .................................92 ....... 44 4.2. Testarea la zgriere ..................................................................................96 ....... 46

    4.2.1. Parametrii de testare .......................................................................96 ....... 47 4.2.2. Coeficientul de frecare la zgriere ..................................................97 ....... 47 4.2.3. Studiul profilometric ........................................................................100 ..... 49 4.2.4. Adncimea medie de penetrare a urmelor de zgriere ...................101 ..... 50

    4.3. Analiza morfologic a urmelor de zgriere ...............................................102 ..... 51 4.4. Concluzii dup testarea prin zgriere .......................................................104 ..... 52

    Capitolul 5 Modelarea cu reele neuronale pentru predicia volumului de material uzat la frecarea uscat bil-pe-plan ........................................105 ..... 54 5.1. Descrierea unei reele neuronale ..............................................................105 ..... 54 5.2. Funcionarea unei reele neuronale de tipul backpropagation ................106 ..... 55 5.3. Utilizarea reelelor neuronale pentru predicia volumului de

    material uzat ................................................................................... 108 .....56 5.4. Validarea reelelor neuronale i predicia volumui de uzur......................117 ..... 60 5.5. Concluzii ........................................................................................ 119 .....61

    Capitolul 6 Concluzii generale, contribuii originale i perspective ............120 ..... 62 6.1. Concluzii generale.....................................................................................120 ..... 62 6.2. Contribuii originale ale tezei ....................................................................121 ..... 63 6.3. Direcii ulterioare de cercetare ..................................................................122 ..... 64

    List lucrri publicate i prezentate ...................................................................124

    Bibliografie ...........................................................................................................125 ..... 65

    Anexe.....................................................................................................................135

  • Introducere

    V

    INTRODUCERE

    Secolul XX a consacrat o nou categorie de materiale: materialele polimerice care au o utilizare foarte mare n aproape toate domeniile vieii economico-sociale. De la aceste materiale la materialele compozite polimerice i, ulterior, la compozitele ceramice i metalice nu a fost dect un pas. Cele mai diverse domenii ale tiinei i tehnologiei sunt beneficiarele acestor materiale.

    Prezenta lucrare a pornit de la ideea identificrii unor materiale compozite pentru recondiionarea unor piese de dimensiuni mari din alam sau bronz. Aceste materiale trebuie s fie compatibile, din punct de vedere mecanic i tribologic, cu piesele pe care le recondiioneaz, s permit o tehnologie simpl pentru recondiionare i s fie economice.

    Din multitudinea de materiale comerciale disponibile pe pia, s-au ales trei materiale comercializate de firma Diamant Metallplastic GmbH din Mnchen, Germania, firm cu rezultate remarcabile obinute n domeniul ntreinerii i recondiionrii pieselor metalice din industrie. Acestea sunt compozite polimerice ranforsate cu particule metalice i anorganice pe baz de Cu, Zn, Sn, MoS i diferite forme alotropice ale dioxidului de siliciu (SiO2).

    Cercetrile din aceast lucrare s-au concentrat pe studiul tribologic al acestor compozite polimerice. Au fost efectuate teste de frecare fr lubrifiere n configuraia bil-pe-plan, n micare rectilinie alternativ i teste de zgriere pentru carcacterizarea mecanic a acestor materiale. n paralel, n aceleai condiii de testare, au fost investigate i materialele metalice: alama i bronzul

    n primul capitol al tezei se face o prezentare general a materialelor compozite, a tendinelor n realizarea i utilizarea acestora, a tipurilor de uzur specifice precum i a cercetrilor teoretice i experimentale efectuate pe materiale i compozite polimerice. n finalul capitolului, sunt identificate obiectivele acestei teze i direciile de cercetare.

    n cel de-al doilea capitol se prezint metodologia de cercetare i echipamnetele utilizate n acest scop. Sunt prezentate i caracterizate materialele compozite i cele metalice, tehnologia de realizare a probelor, programele de testare i echipamentele utilizate pentru efectuarea investigaiilor.

    Capitolul al treilea este dedicat n totalitate testelor tribologice. Au fost evaluate proprietile tribologice prin coeficientul de frecare i parametrii de uzur. Procesele de frecare de pe suprafaa materialelor au fost analizate prin metode imagistice i profilometrice. n ncheierea capitolului este fcut o clasificare a materialelor, compozite i metale, dup diverse criterii: fore de ncrcare, parametrii de uzur, tribomodelul utilizat, etc.

    n urmtorul capitol al tezei, sunt prezentate rezultatele cercetrilor experimentale efectuate pentru caracterizarea materialelor la zgriere. Este prezentat succint modelul teoretic al contactului con-plan la zgriere, parametrii de testare i rezultatele acestui test reflectate prin coeficientul de frecare la zgriere i parametrii profilometrici.

    Urmtorul capitol trateaz modelarea proceselor de uzur prin metode neuronale. Sunt descrise reelele neuronale i este artat funcionarea unei reele de tipul backpropagation. Apoi este aplicat modelul neuronal pentru predicia volumului de material uzat n procesul de frecare utiliznd configuraia bil-pe-plan n micare rectilinie alternativ.

    Ultimul capitol din tez sintetizeaz cele mai importante realizri, contribuiile personale ale autorului i perspectivele de continuare a cercetrilor.

    Galai, Ing. Virgil Iliu

    Septembrie 2014

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    1

    Capitolul 1

    STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND COMPORTAREA TRIBOLOGIC A MATERIALELOR

    COMPOZITE POLIMERICE 1.1. Materiale compozite generaliti 1.1.1. Definirea materialelor compozite

    Materialele compozite sunt definite ca materiale formate din amestecuri din dou sau mai multe faze compatibile la scar macroscopic, alese i orientate astfel nct materialul obinut s aib proprieti superioare componentelor luate separat [1, 2, 3, 4, 5, 6].

    Una dintre fazele constituente este discontinu, rigid, numit "ranforsant" i este dispersat n faza continu, cu rigiditate mai sczut numit matrice. Uneori, datorit interaciunilor chimice ale altor efecte de prelucrare, apare o faz suplimentar - interfaza - la interfaa dintre ranforsant i matrice.

    1.1.2. Clasificarea materialelor compozite

    Clasificarea materialelor compozite are n vedere mai multe criterii: natura materialului matricii, forma geometric a ranforsantului, orientarea particulelor sau fibrelor, continuitatea acestora din urm, numrul de straturi cu aceleai proprieti i orientare a fibrelor, etc. O clasificare dup criteriile de mai sus este artat n fig. 1.1 [1, 8, 9].

    O prim clasificare, frecvent utilizat pentru materialele compozite, este n funcie de natura materialului matricei.

    Fig. 1.1 Clasificarea materialelor compozite n funcie de forma materialului de ranforsare i orientarea lui n

    matrice [1, 8, 9]

    Dup natura lor, matricile pot fi: organice, metalice, ceramice sau din carbon. Astfel, dup natura matricei, materialele compozite se mpart n:

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    2

    a) Materiale compozite cu matrice organic (polimeric) cu dou clase [1, 5, 9, 10, 11, 12]: 1. compozite cu matrice polimeric termorigid (termoreactiv); i 2. compozite cu matrice polimeric termoplastic.

    b) Materiale compozite cu matrice metalic. Materialele metalice sunt folosite ca matrici din necesitatea de-a utiliza materialul compozit la temperaturi superioare celor la care se utilizeaz compozitele cu matrice polimeric. n plus, materialele metalice prezint nite caracteristici proprii: proprieti mecanice bune, conductivitate termic i electric foarte bune, stabilitate dimensional i prelucrabilitate ridicat, etc.

    c) Materiale compozite cu matrice ceramic. Matricele ceramice sunt folosite tot mai mult datorit unor proprieti deosebite precum: rezisten mecanic foarte bun la temperaturi ridicate, duritate mare i relativ constant cu creterea temperaturii, modulul de elasticitate mai mare dect cel al oelurilor, etc.

    d) Materiale compozite cu matrice din carbon. Aceste matrici sunt ranforsate doar cu fibre i esturi din grafit. Se mai folosesc uneori i fibre de bor, sticl, carbur de siliciu sau alumin. Au proprieti mecanice foarte bune la temperaturi de pn la 3000 C. Cel mai mare incovenient al acestor compozite este c sunt foarte scumpe.

    Alt clasificare a materialelor compozite ia n considerare forma geometric a ranforsantului. Din acest punct de vedere sunt materiale compozite armate cu fibre i materiale compozite armate cu materiale pulverulente (particule sau pulberi) (fig. 1.1).

    1.1.3. Materiale de ranforsare sub form de fibre

    Fibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, avnd rolul de a prelua o mare parte din solicitrile la care este supus materialul care formeaz matricea.

    Caracteristicile fibrelor care prezint interes tehnologic sunt: rigiditatea, densitatea sczut, duritatea mare, coeficientul de dilatare termic redus, rezistena specific la rupere ridicat, flexibilitatea (proprietate a mpletiturilor) i coeficientul de form. 1.1.4. Materiale de ranforsare pulverulente

    Materialul de ranforsare sub form de particule are rolul de mbuntire a unor caracteristici electrice, mecanice, termice, etc.

    Clasificarea acestor compozite are la baz natura materialului de baz (matricea) i caracterul metalic/nemetalic al materialului de ranforsare. Rezult urmtoarele combinaii:

    1. Particule nemetalice dispersate ntr-o mas de natur tot nemetalic. Ambele tipuri de materiale pot fi anorganice (cazul betonului) sau matrice polimeric armat cu particule de tip elastomer (material similar cauciucului).

    Particulele de armare sunt, de obicei, sferice sau apropiate de aceast form; pot s fie pline sau goale la interior. Materiale utilizate: sticla, carbonul sau anumii polimeri. Exemplu: compozit cu matrice din poliamid ranforsat cu sfere din sticl [13], material compozit cu matrice polimeric ranforsat cu fibre de sticl i particule de ferit [14].

    2. Particule metalice dispersate ntr-o mas de natur nemetalic (de obicei polimeric). Exemple tipice: compozite cu matrice de rin epoxidic i armate cu particule bidimensionale din argint ori din cupru, sau cauciucul poliuretanic armat cu particule de aluminiu (utilizat n construcia rachetelor).

    Proprieti ale acestor compozite: conductibilitate termic bun (uneori i electric), coeficieni de dilatare termic mici, rezisten ridicat la uzur.

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    3

    3. Particule metalice dispersate ntr-o mas de natur tot metalic. n aceast categorie de compozite distingem dou subgrupe:

    a) cu matrice dur i particule de wolfram, crom sau molibden rezultnd materiale compozite fragile, dar cu o mare stabilitate termic

    b) cu matrice moale ex.: particule de plumb n matrice din aliaje de fier sau cupru; au prelucrabilitate mecanic foarte bun n comparaie cu aliajele respective n stare nearmat.

    4. Particule nemetalice dispersate ntr-o matrice de natur metalic. Se fabric numai la temperaturi ridicate (particulele trebuie s fie de natur ceramic: carburi, oxizi). Datorit influenei limbii franceze aceste compozite se mai numesc cermet-uri.

    Particulele se folosesc, n cele mai multe cazuri, la producerea materialelor compozite cu matrice metalic. Compozitele metalice cu particule s-au diversificat foarte mult i reprezint, n momentul de fa, o categorie de materiale de care nu se poate face abstracie, fiind relativ ieftine i uor de produs.

    Pulberile folosite la realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice sau fizice, fiind preferate metodele care asigur grad mare de finee i puritate ale particulelor.

    1.1.5. Materiale de adaos (fileri)

    Un plus n mbuntirea proprietilor se poate obine i prin utilizarea aditivilor (materiale de adaos, fileri).

    Aditivii sunt materiale care se introduc n matrice ntr-un procent de 1520% din greutatea total a compozitului cu scopul mbuntirii unor proprieti specifice unei anumite utilizri. Aditivii includ plastifiani, antioxidani, ageni antistatici, ageni de cuplare, etc. Acetia se prezint sub forma de: pulberi, fulgi, fibre scurte sau bile de dimensiuni micro- i nanometrice i pot fi de natura organic (pulbere de celuloz, fin de lemn, amidon, pudr de cauciuc, negru de fum, etc.) sau anorganic (silicea, talcul, mica, carbonatul de calciu natural, sulfatul de bariu natural, microsfere de sticl, fulgi i fibre metalice scurte pn la 10-50 m, etc.). 1.1.6. Tendine actuale n realizarea i utilizarea compozitelor polimerice

    O caracteristic general important a materialelor compozite este dat de posibilitatea proiectrii caracteristicelor materialelor plecnd de la forma i dimensiunile piesei finite spre deosebire de materialele metalice cnd se proiecteaz i se dimensioneaz piesa plecnd de la caracteristicile mecanice ale materialului.

    Datorit aderenei foarte bune, materialele compozite sunt utilizate tot mai mult recondiionarea pieselor metalice din oel, alam, bronz sau font de dimensiuni mari. Pe suprafaa uzat se aplic un material compozit corespunztor din punct de vedere al proprietilor cu materialul piesei de recondiionat sub form de past cu paclu sau cu pensula. Dup un interval de timp (de pn la 24 h) necesar pentru ntrie, suprafaa de recondiionat se poate prelucra prin achiere la fel ca materialul de baz.

    ncepnd cu secolul XXI, o nou tendin se manifest n realizarea materialelor compozite: apariia i dezvoltarea nano-compozitelor. Acestea sunt compozite constituite din mai multe componente, la care cel puin una are dimensiunea sub 100 nm. Prin realizarea acestor materiale se mbuntesc proprietile materialelor precum rezistena la anumii agenti chimici, stabilitatea termic i dimensional, etc. Problematica acestor materiale a fost abordat n lucrri ca [16, 17, 18, 19, 20].

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    4

    1.2. Mecanisme de uzur specifice materialelor polimerice i compozitelor cu matrice

    organic 1.2.1. Tipuri de uzur specifice materialelor plastice i compozitelor cu matrice

    polimeric Ca i n cazul metalelor i aliajelor metalice, la materialele plastice i compozitele

    polimerice apar cele patru tipuri de uzur acceptate de majoritatea tribologilor: abraziune, adeziune, oboseal i coroziune.

    Fig. 1.3

    Procese de uzur specifice materialelor plastice [21] dup [22] Astfel, Evans i Lancaster (citai de [22] n [21]) sunt printre primii care au propus o

    clasificare a proceselor de uzur care au loc n cuplelele tribologice formate cu materiale plastice (fig. 1.3).

    Procesul de uzur poate fi vzut n diferite moduri [23] i cuantificat n termeni de mas sau volum pierdut/ din zona de contact sau de erodare. Sub aciunea forelor de apsare, de frecare sau a forelor de cavitaie se produc deteriorri la cele dou elemente care formeaz cupla tribologic. Urmeaz pierderea coeziunii dintre particule i, n final, desprinderea lor. Uzura chimic este un proces asemntor cu cel descris anterior, numai c reactiile chimice dintre elementele chimice se desfoar mai lent. n cazul materialelor polimerice, procesele de uzur sunt marcate de influena mediului, care poate include i lubrifianii folosii, precum i de fenomenele de nclzire local cauzate de frecare.

    n [23] Briscoe i S.K. Sinha fac o trecere n revist a lucrrilor care trateaz procesele de uzur din materialele polimerice i din compozitele lor. Astfel, ei citeaz lucrarea [24] n care disting urmtoarele procese de uzur pentru materialele polimerice: abraziv, adeziv, transfer de cldur, uzur chimic, uzura de oboseal, fretting, eroziunea i uzura de delaminare. Aceste tipuri de uzur se ntlnesc la urmtoarela clase de materiale compozite: elastomeri, termorigide, polimeri pe baz de sticl i polimeri semi-cristalini. Briscoe i S.K. Sinha concluzioneaz, c pentru materialele compozite polimerice, sunt trei grupe majore de factori care influeneaz frecarea i uzur acestora.

    Astfel o prim grup ar fi reprezentat de condiiile contactului mecanic de alunecare i de geometria suprafeelor n contact; al doilea grup de factori include proprietile mecanice ale polimerului i modul n care acestea se schimb datorit temperaturii i condiiilor de mediu; al treilea grup de factori implic rolul i proprietile celui de-al treilea corp precum i filmul de transfer.

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    5

    a)

    b)

    c)

    Fig. 1.5 Mecanisme de uzur tipice nanocompozitelor:

    a) uzur de adeziune; b) uzur abraziv; c) uzur de oboseal, prelucrat dup [25] Dasari A. i col. [25] prezint ntr-un studiu aspecte fundamentale i cercetri n domeniul

    tribologiei nanocompozitelor polimerice. Sunt prezentate mecanismele de uzur specifice acestor materiale: uzura adeziv, uzura abraziv, uzura de oboseal (fig. 1.5), uzura prin exfoliere (fig. 1.6), uzura de transfer i alte forme de uzur, ca: fretting, eroziunea, coroziune, etc.

    a)

    b)

    c)

    d)

    Fig. 1.6 Reprezentare schematic a procesului de delaminare: a) contact pe asperiti; b) deformare plastic a

    asperitilor; c) fisuri sub suprafa la frecare repetat; d) formarea i detaarea unei lamele de material, preluat i adaptat dup [25]

    1.2.2. Studii i cercetri privind uzura compozitelor polimerice

    Caracterizarea tribologic la uzur a materialelor implic obinerea direct, prin msurri liniare, n plan sau volum, a unor parametri de uzur i determinarea prin calcul a altor parametri, n conformitate cu [26] i acceptai de majoritatea cercettorilor.

    Parametrii de uzur obinui indirect prin calcule sunt: viteza de uzur, prin care parametrii de uzur liniar, planimetric, volumic sau masic sunt raportai la durata testri,

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    6

    i intensitatea de uzur, prin care aceiai parametri de uzur sunt raportai la lungimea de frecare.

    Un parametru, independent de durata testrii i luat adesea n considerarare de tot mai muli cercettori [29, 30, 31], este coeficientul de uzur, k, [3]:

    f

    v

    LFUk (1.1)

    Se mai utilizeaz i intensitatea de uzur (Iv), obinut prin raportarea volumului de material uzat la lungimea de frecare [3, 28]:

    f

    vv L

    UI (1.2)

    n relaiile precedente s-au mai notat: F fora normal de apsare [N]; Lf lungimea de frecare [m].

    Un aspect important, abordat de muli specialiti [32, 33, 34, 35], l reprezint metodologia i precizia de determinare a volumului de material uzat.

    Whitenton i Blau [36], citai n [34], compar trei metode de determinare a volumului de material uzat: metode gravimetrice, metode de analiz 2D i metode de analiz 3D a urmelor de uzur. Metodele gravimetrice sunt simple i rapide, dar imprecise atunci cnd pierderile de material sunt foarte mici ca n cazul materialelor cu rezisten mare la uzur. Metodele de analiz 3D ale urmei de uzur pentru determinarea volumului de uzur sunt mai precise, dar necesit mult timp. Din motivele artate mai sus, cercetrile specialitilor n domeniu s-au orientat ctre metode de analiz 2D ale urmelor de uzur, care necesit un timp mult mai mic comparativ cu metodele de analiz 3D.

    n cazul testelor de uzur n micare rectilinie alternativ cu bil pe suprafa plan, standardul american ASTM G133-05 [37] preluat i n [35] prezint trei situaii posibile ale celor dou triboelemente care formeaz cupla de frecare a tribomodelului (fig. 1.8):

    a) b) c)

    Fig. 1.8 Cazuri posibile de uzur n configuraia bil pe plan: a) uzur numai la bil, b) uzur numai pe

    suprafaa plan, c) uzur pe ambele elemente [35, 37] Un prim caz de uzur este (fig. 1.8-a) cnd se uzeaz numai bila, iar uzura pe

    suprafaa plan este nesemnificativ; n acest caz volumul de material uzat este conform [37] cu trimitere la [38]:

    2

    2

    43

    6hwhUv

    (1.3)

    relaie preluat i utilizat i n [34, 39]:

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    7

    n relaia (1.3) s-au fcut notaiile: d diametrul urmei de uzur de pe bil; R raza bilei; h nlimea din bil cu material pierdut prin uzur, calculat relaia (fig. 1.9):

    4

    22 wRRh (1.4)

    n cazul cnd materialul bilei este foarte rezistent la uzur (uzura acesteia este nesemnificativ), uzura se produce pe proba cu suprafaa plat i are forma prezentat n figura 1.8-b.

    a) b) c)

    Fig. 1.10 Reprezentare schematic a urmei de uzur n configuraia

    bil pe plan n micare rectilinie alternativ, cazul cnd bila nu se uzeaz: a) vedere 3D; b) vedere de sus; c) vedere 3D a sectorului mijlociu al urmei de uzur

    n acest caz, standardul american ASTM G133-05 [37] recomand urmtoarea relaie pentru calculul volumului de uzur desprins de pe proba plan: relaie care ia n considerare doar zona central a urmei de uzur (zona A): cAU wv (1.5) n care:

    Aw aria medie a seciunii transversale a urmei de uzur, perpendicular pe direcia micrii; c lungimea cursei micrii rectilinii alternative.

    Relaia (1.5) ia n considerare doar zona central a urmei de uzur (A) i a fost folosit n lucrarea [30].

    Ali autori [32, 33, 34, 35, 40] includ n volumul de material uzat i zonele (B) de la capetele cursei.

    Al treilea caz de uzur al configuraiei de frecare bil pe plan, prezentat n figura 1.8-c, este caracteristic cuplurilor de materiale care au aproximativ aceeai rezisten la uzur, ambele avnd o uzur pronunat. n [34] autorii calculeaz volumul de uzur produs att pe bil ct i pe proba plat (fig. 1.11). Rezultatele obinute pentru contrapiesa sferic le extind i la alte corpuri, cu seciune axial compus din arce de cerc i linii (ex.: forme eliptice). Metoda este denumit metoda de analiza a volumului de uzur pe o singur urm

    Cazul cnd ambele materiale se uzeaz este studiat i de Sharma S. i col. n [35]. Autorii consider c uzarea bilei se face dup o calot sferic, iar urma de uzur de pe proba plan are fundul aplatizat. n aceast lucrare autorii consider volumul de material uzat format din volumul zonei centrale (cilindrice) i cel de la capetele de curs.

    n ultimul timp, profilometre performante permit determinarea direct a volumului de material uzat prin scanarea urmei de uzur chiar pentru dimensiuni apreciabile (de civa metri) ale acestora [41]

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    8

    1.2.3. Cercetri privind testarea materialelor n micare alternativ rectiline n configuraia bil-pe-plan

    O sintez a cercetrilor din domeniu compozitelor, mai ales a compozitelor polimerice, n care au fost efectuate testri n configuraia bil-pe-plan este prezentat n lucrarea [42].

    Materialele supuse investigaiilor tribologice n micare rectilinie alternativ sunt din cele mai diverse: de la materiale polimerice i pn la materiale compozite ceramice, de la materiale i aliaje metalice pn la filme i acoperiri obinute prin depunere fizic (PVD) sau chimic (CVD) de vapori pe supori metalici sau din materiale compozite. Au fost efectuate teste n configuraia bil-pe-plan pe materiale moi precum politetrafluoretilen (PTFE) [22], poliamid PA6 [43, 44], polietilen nalt densificat (UHMWPE) [45], polifluorur de viniliden (PVDF) [46, 47], toate ranforsate cu fibre de carbon n diverse proporii, polietersulfon (PES) [48] .a., dar i pe materiale mai dure precum: compozite ceramice [29, 31, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57], composite metalice [58], metale i aliaje metalice [39, 52, 59, 61], filme sau acoperiri metalice [29, 49, 53, 59, 62, 63, 64, 65].

    Avnd n vedere utilizarea unor materiale compozite n realizarea unor proteze umane, unele cercetri s-au axat pe studiul comportrii tribologice a unor esuturi umane [61, 66] sau de bovine [67, 68].

    n majoritatea cazurilor, contrapiesa, cu care au fcut cuple probele din materialele prezentate mai sus, a fost din oel [31, 43, 44, 47, 48, 51, 54, 56, 57, 59, 60, 62, 64, 69, 70] cu diametrul de 210 mm, cu rugozitatea Ra=0,1 m i duritatea HRC 62-64. n unele cercetri [45, 49, 50, 52, 55, 65], bila a fost executat din materiale ceramice, avnd diametrul de 45 mm. n lucrarea [29] s-a folosit o bil de safir cu diametrul de 1,6 mm. De asemenea, s-au mai utilizat contrapiese tifturi cu vrful plat din cartilaj uman [61] sau din cartilaj de bovine [66].

    Referitor la echipamentele de testare tribologic, se constat o larg utilizare a tribometrelor universale UMT-2, CETR (actual Bruker, Germania), [29, 31, 39, 43, 44, 47, 51, 52, 56, 57, 58, 59, 61, 62, 64, 65, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74] pentru sarcini normale de pn la 200 N. Liu et al. [66] folosete un tribometru destinat probelor biomedicale tot din categoria UMT. Ali cercettori [49, 50, 54, 55, 63] au efectuat teste tribologice pe alte tipuri de tribometre: PLINT TE67/R, PLINT TE77 (Phoenix Tribology Ltd., Newbury, UK) sau microtribometrul MUST (Falex Tribology N.V., Belgium) [49].

    Testele de uzur bil-pe-plan, cu micare rectilinie alternativ, au fost efectuate n urmtoarele condiii i cu urmtorii parametri de testare:

    - fora de ncrcare: de la 0,5 N [51, 66] la 60 N [39, 71, 72, 73] sau chiar 600 N [48]; - frecvena a fost cuprins, n cele mai multe cazuri, n intervalul 115 Hz, uneori chiar i

    mai mari ca n [75] cnd a fost i de 50 Hz.; - cursa: 48,46 mm i chiar pn la 17,5 mm n [66]; - durata testelor a fost mai mic de 2 ore, iar n unele cazuri a ajuns pn la 8 ore; - viteza de alunecare medie:

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    9

    (TEM) pentru studierea suprafeelor urmelor uzate sau spetroscopia cu raze X (EDX, XRD) pentru identificarea constituenilor structurali. n unele lucrri au fost folosite metode profilometrice pentru analiza urmelor de uzur i identificarea parametrilor de uzur volumic [71, 76, 77].

    n literatura de specialitate sunt foarte puine lucrri care au studiat materialele compozite ranforsate cu micro- sau nano-particule din materiale metalice. Una din aceste lucrri este [78] n care Olea-Mejia O. i col. au studiat rezistena la uzur i mecanismele de uzare pentru polietilen de joas densitate (LDPE) ranforsat cu micro particule de Al, Ag (ambele sferice, cu mrimea 1,0 i, respectiv, 6,4 m) i Ni (fulgi cu mrimea de 4,2 m), i nanoparticule de Al i Ag (cu mrimea de 127 i, respectiv, 69 nm). Testarea s-a efectuat n configuraia bil pe disc aflat n micare de rotaie. n funcie de mrimea particulelor, autorii au observat cteva mecanisme de uzur precum: deformri, delaminri, abraziune, adeziune i formaiuni roluite. Au mai constatat c particulele de Al reduc semnificativ uzur polimerului, cele de Ag mresc rata de uzur, iar nanoparticulele au un efect mai bun dect microparticulele. 1.2.4. Cercetri privind caracterizarea materialelor prin zgriere

    Zgrierea poate fi definit ca un proces mecanic unde o for sau deplasare controlat este exercitat de un indentor pe suprafaa unui material cu o vitez prescris. n termeni de uzur, K. Friedrich [80] consider zgrierea ca o subdisciplin a tribologiei n care o singur asperitate, cu nalte caracteristici de abraziune, execut o singur urm.

    Testele de zgriere sunt utilizate pe scar larg pentru caracterizarea unui material pentru c sunt rapide i uor de realizat [80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90]. Recomandri privind procedurile de efectuarea testelor de zgriere se gsesc n standardul american G 171 03, Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus [91], standardul internaional ISO 19252 [92] i norma european EN 1071 [93].

    Testele de zgriere cu sarcin progresiv i constant au fost folosite n lucrrile [81, 82] pentru caracterizarea straturilor de pulbere de poliester (6080 m) depuse prin pulverizare n cmp electrostatic i uscate la temperaturi de 100200 C timp de 5, 10 i 20 minute. Au fost efectuate teste variind parametri ca: viteza de zgriere, temperatura i durata de coacere a stratului de poliester dup depunere.

    Barleta M. si col. [83] studiaz acopririle mono i multistrat prin teste de zgriere. Straturile de acoperiri aplicate sunt din pulberi de metal Al-Mg (4,5%) i un hibrid organic-anorganic de rini (fenil-metil silicon). ntrirea s-a fcut la temperatura de 250 C timp de 45 minute. Autorii au ajuns la concluzia c rezistena la zgriere depinde de numrul de straturi alternative aplicate i de tratamentul prealabil aplicat suportului nainte de acoperire.

    R.L. Browning si col. [85] propun o metodologie de evaluare cantitativ a rezistenei la zgriere a unor acoperiri polimerice acrilice pe suport din oel. Testele, efectuate cu for progresiv, se furnizeaz informaii despre sarcinile critice de deteriorare la exfoliere, fisurare transversal, flambaj. Coordonatele desfurrii testului au fost: lungimea de zgriere de 150 mm, sarcina liniar-cresctoare, de la 1 N la 100 N, i viteza de zgriere de 100 mm/min. Indentorul folosit a fost o bil din oel inox cu diametrul de 1 mm. Au fost efectuate ase teste pentru fiecare prob. Metodologia de evaluare cantitativ a testului, dup autorii lucrrii, presupune cunoaterea forelor de penetrare de la nceputul i sfritul zgrierii, F0 i, respectiv Ff, lungimea de testare, Ls, i distana msurat ntre punctul de apariie al defectului i sfritul zgrierii, x. Cu aceste mrimi se determin fora critic, Fz cu relaia:

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    10

    00 FFFL xLF fssz (1.15)

    Referitor la rezultatele testelor de zgriere, se subliniaz c valorile pentru sarcina critic la exfoliere, fisurri transversale i flambaj precum i limea zonei deteriorate cresc odat cu creterea grosimii stratului de acoperire pn la o valoare critic, dup care valorile se stabilizeaz.

    K. Friedrich i col. [80] abordeaz rezistena la zgriere pentru cteva materiale polimerice de nalt performan: polibenzimidazol (PBI), poliparafenilen (PPP), polietereterceton (PEEK) i poliimid (PI10). Rezistena la zgrire a acestor materiale a sczut n ordinea enumerrii de mai sus. Urmele de zgriere au fost studiate cu ajutorul unui microscop laser confocal i cu microsopul electronic de baleiaj (SEM). Au fost fcute corelaii ntre caracteristicile mecanice ale materialelor (modulul Young), adncimea i duritatea la zgrierie. Aceasta din urm a fost calculat cu relaia: 24 w

    FAFH N

    s

    Ns (1.16)

    unde: FN este fora normal de penetrare, As este aria de contact la alunecare, i w este limea urmei de zgriere masurat la sfrit curse.

    P. Kurkcu i col. [87] au studiat comportamentul la zgriere pentru o serie de materiale comerciale corelat cu carcteristicile mecanice globale intrinseci ale acestora. Pentru calculul duritii la zgriere a fost utilizat relaia de calcul (1.16). Autorii arat c aceast relaie este recomandat n cazul metalelor, iar pentru materialele polimerice prezint o relaie propus de Briscoe n [94] citat n [87]:

    2c

    ns a

    FqH (1.17) unde: Fn este fora normal de penetrare, ac este raza de contact la alunecare, i q este factor de material, cu valori ntre 1 i 2.

    ntr-o alt lucrare [98], S.K. Sinha i col. studiaz efectul aditivrii cu nano-argil (0, 2,5, 5, 7,5 i 10%) asupra caracteristicilor la zgriere ale compozitelor polimerice cu matrice din poliamid PA6. Testele de zgriere au fost efectuate cu un indentor din oel de scule conic (unghi la vrf de 30 i raza de racordare de 3,03 m), cu for constant asigurat de masele de 100, 150, 250, 500, 900, 950 i 1000 g. Viteza de zgriere a fost de 0,2 mm/s. Dup testare, suprafaa urmelor a fost investigat cu un profilometru laser i cu microscopul cu scanare electronic (SEM). Duritatea la zgriere a fost calculat cu relatia (1.17) n care q=1,5. Autorii concluzioneaz c: duritatea la zgriere scade odat cu creterea concentraiei de nano-argil; 2. limea urmei crete i adncimea scade cu creterea concentraie de nano-argil.

    N.L. Surampadi i col. [99] arat c deformarea la zgriere a compozitului polimeric cu matrice de nylon 66 ranforsat cu fibra de sticl (33%) este puternic dependent de sarcina normal aplicat. Sarcina aplicat a luat valori de la 2 la 6 kgf. Suprafaele de uzur au fost studiate cu ajutorul microscopiei de for atomic (AFM) i microscopiei cu scanare electronic (SEM). Alte idei desprinse din lucrare subliniaz faptul c la sarcini mici, interfaa matrice-ranforsant rmne intact, pe cnd la sarcini mari aceasta se deterioreaz favoriznd ruperea fragil i dezlipirea de pe fibrele de sticl.

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    11

    1.2.5. Cercetri privind utilizarea reelelor neuronale n modelarea proceselor tribologice ale compozitele polimerice

    Reelele neuronale, adoptate dup modelul neurologic al neuronilor, au aprut nc de la jumtatea secolulul trecut, dar au cptat o larg rspndire mult mai trziu odat cu dezvoltarea tehnicii de calcul care a permis implementarea acestora n multe domenii tiinifice. Primele lucrri n care se pun bazele modelelor teoretice pentru utilizarea retelelor neuronale apar n ultimul deceniu al secolului XX [101, 102] citai n [103].

    n domeniul tribologiei, primele lucrri care utilizeaz reelele neuronale au aprut nc de la nceputul acestui secol [104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112]. Astfel, Zhang i Friedrich fac o trecere n revist unor aplicaii a reelelor neuronale la polimeri, compozitele polimerice, metale i la alte materiale. Hany El Kadi n [110] face o introducere n reelele neuronale (descriere, clasificare) urmat de o trecere n revist a lucrrilor care utilizeaz reelele neuronale n cazul compozitelor polimerice ranforsate cu fibre.

    Z. Jiang i col. [113] au studiat, din punct de vedere tribologic, un compozit hibrid cu matrice de PPS (polyphenylene sulphide) ranforsat cu fibre scurte de carbon (15%) i particule de TiO2 (7%) utiliznd modele de studiu bazate pe reele neuronale. Instruirea reelei neuronale pentru studiul tribologic s-a fcut cu un set de 101 date experimentale. Cu ajutorul reelelor neuronale s-a gasit compoziia optim pentru compozit ca fiind cu 15% fibre scurte de carbon i 6% particule de TiO2. Tot cu reelele neuronale au ntocmit diagrame 3D pentru coeficientul de frecare i rata specific de uzur ca funcii de viteza de alunecare i presiunea aplicat (fig. 1.16).

    a) b)

    Fig. 1.16 Diagrame 3D obinute cu reele neuronale:

    a) pentru rata specific de uzur; b) pentru coeficientul de frecare [113] Albidewi [114] clasific, cu ajutorul reelelor neuronale, particulele de uzur

    microscopice dup aspectul lor vizual i morfologic. n funcie de aceast clasificare a fost utilizat o reea cu un singur strat ascuns. Clasificarea este considerat util pentru anticiparea deteriorrii, prin uzur, a motoarelor i a altor maini.

    Aleksendric i Duboka [111] folosesc tehnica reelelor neuronale pentru a anticipa performanele materialelor compozite utilizate la frecare. Rezultatele au fost apreciate prin intermediul unei mrimi de ieire (coeficientul de frecare) obinut n baza unor mrimi de intrare grupate astfel: caracteristicile materialului (18 parametri), condiii de fabricare (5 parametri) i condiii de testare (3 parametri). Au fost produse i testate cinci tipuri de materiale compozite. Rezulatele prediciei au fost comparate cu rezultatele reale obinute n urma testelor. Au fost utilizate 15 arhitecturi neuronale i cinci algoritmi de antrenare a reelelor. Utilizarea tehnicilor bazate pe reele neuronale a permis modelarea unui sistem

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    12

    neliniar cu 26 parametri de intrare i cu o ieire. De asemenea, autorii au subliniat c urmtorii factori influeneaz capacitatea de predicie a reele neuronale: a) baza de date; b) gama i distribuia datelor de intrare; c) datele de preprocesare; d) structura retelei neuronale; e) algoritmul de formare; f) formarea reelei neuronale; g) testarea reelei neuronale.

    Kemal Ciliz i Tomizuka [108] folosesc o reea neuronal de tipul MPL (Multilayer Perceptron) pentru modelarea fenomenelor de frecare din cuplele tribologice ale unui servomecanism. Modelul de reea utilizat conine un strat de intrare, un strat de ieire i un strat ascuns cu nou noduri. Rezultatele, comparate i cu un model parametric adaptiv propus de literatura de specilalitate, au fost validate de rezultatele unor teste experimentale. Modelul neuronal s-a dovedit a fi mai precis dect modelul parametric n cazul servomecanismului.

    n lucrrile [104,105], autorii subliniaz potenialul reelelor neuronale n modelarea unor fenomene tribologice complexe, neliniare precum i n procesul de producie. Din studierea lucrrilor din domeniul reelelor neuronale, reiese c acestea au fost utilizate n dou direcii: predicie pentru un sistem mecanic, i clasificri, utile n scopul recunoaterii condiiilor de funcionare i de recunoaterii defectelor. De asemenea, cele mai utilizate tipuri de reele neuronale sunt: MLP pentru predicie i clasificri, Kohonen i ART (Adaptive Resonance Theory) pentru clasificri.

    n lucrarea [115] se face o trecere n revist a utilizrii reelelor neuronale i a metodei Taguchi n cercetarea materialelor compozite cu matrice polimeric. Autorii subliniaz utilitatea acestor instrumente i eficiena lor n estimarea proprietilor materialelor compozite polimerice, n condiiile n care utilizarea altor metode este dificil sau costisitoare.

    De asemenea, cercettorii Zhang i Friedrich [109] fac un review al lucrrilor care utilizeaz reelele neuronale n predicia duratei de via la uzura de oboseal, a caracteristicilor de performan la uzur a materialelor compozite polimerice. Se subliniaz c modelele neuronale sunt cele mai potrivite pentru prezicerea comportamentului mecanic i tribologic al compozitelor polimerice. Acelai lucru l face El Kadi H. n [110] i cu aceleai concluzii.

    Zhang Z. i col. [117] aplic tehnica reelelor neuronale pe trei materiale compozite polimerice: polietilen (PE), poliuretan (PUR) i un poliuretan tratat higrotermic (HD-PUR) testate la eroziune. Datele de intrare au fost proprieti ale materialelor (coninutul de rini epoxidice) precum i unghiul de impact al particulelor de eroziune. Ieirea a fost rata de uzur la eroziune. Concluziile desprinse din lucrare sunt: 1. s-a obinut o clasificare a importanei proprietilor materialelor n uzura de eroziune; 2. modelarea cu reelele neuronale este un instrument matematic util n analiz i predicie n studiul compozitelor polimerice, pe baza unui numr limitat de rezultate experimentale.

    Nasir T. i col. [112] aplic tehnica reelelor neuronale pentru predicia coeficientului de frecare cu bune rezultate la materiale compozite polimerice multistrat, ranforsate cu fibre de sticl, avnd trei orientri ale acestora. Matricea compozitelor este un poliester nesaturat. Testele de frecare s-au efectuat n configuraia prism-pe-rol, n condiii fr lubrifiere, la diferite fore de apsare (30, 50, 70, 100N), turaiile fiind de 300, 500, 700 rot/min i durata de testare fiind 0600s. S-au cules peste 7000 de date experimentale care au fost introduse ca intrri n reeaua neuronal. Ieirea din reea a fost coeficientul de frecare. Au fost testate mai multe modele de reele neuronale, iar concluzia a fost c cel mai bun model pentru predicia coeficientului de frecare este cel cu un singur strat ascuns.

  • Capitolul 1 Stadiul actual al cercetrilor privind comportarea tribologic a materialelor compozite polimerice

    13

    1.6. Obiectivele tezei

    n aceast lucrare, autorul i-a propus urmtoarele obiective: 1. Evaluarea comportrii la uzur a unor materiale compozite folosite pe larg n

    lucrrile de recondiionare a pieselor metalice din alam i bronz, prin teste tribologice, n configuraia bil pe plan cu micare rectilinie alternativ, cu frecare uscat;

    2. Explicarea i interpretarea mecanismelor de uzur; 3. Studierea influenei forei de ncrcare asupra comportrii tribologice a

    materialelor studiate (compozite i materiale metalice); 4. Compararea rezultatelor obinute pentru materialele compozite cu cele similare

    obinute pentru materiale metalice supuse recondiionrii, alam i bronz; 5. Identificarea proceselor de uzur care au loc n stratul superficial al suprafeelor

    uzate prin diverse metode specifice de investigare: microscopie, difractometrie, profilometrie, etc.;

    6. Analiza suprafeelor uzate microtopografia - cu ajutorul profilometriei 3D; 7. Clasificarea materialelor dup comportamentul la diverse ncercri; 8. Compararea rezultatelor tribologice obinute pentru materialele studiate dup

    configuraia de testare folosit. 9. Modelarea unor procese tribologice prin metode neuronale;

    1.7. Strategia cercetrii

    n aceast lucrare, autorul i-a propus urmtoarele etape pentru atingerea obiectivelor propuse: 1. Identificarea i procurarea unor materiale compozite utilizabile pentru recondiionarea

    unor piese metalice din alam i bronz; 2. Realizarea unei tehnologii proprii pentru realizarea probelor de testare i, respectiv,

    pentru recondiionarea pieselor metalice; 3. Alctuirea unei baze de date prin studierea literaturii de specialitate din domeniul

    tribologic specific materialelor compozite i, n special, al compozitelor polimerice ct i al metodelor de testare tribologic n configuraia bil pe plan n micare rectilinie alternativ;

    4. Alctuirea unei baze de date documentare referitoare la testarea materialelor prin zgriere;

    5. ntocmirea unei sinteze a cercetrilor tribologice efectuate cu reele neuronale ; 6. Stabilirea unui program de testare i de analiz a probelor testate; 7. Efectuarea unor studii comparative din punct de vedere al comportrii tribologice a

    materialelor dup diverse criterii; 8. Interpretarea i discutarea rezultatelor obinute; 9. Identificarea proceselor de uzur care au loc n stratul superficial al materialelor studiate

    prin microscopie optic i electronic; 10. Studierea microtopografiei suprafeelor uzate prin profilometrie 2D i 3D, i identificarea

    proceselor de uzur i corelarea acestora cu parametrii de testare; 11. Clasificarea materialelor studiate din punct de vedere al parametrilor tribologici pentru

    configuraiile de testare utilizate;

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    14

    Capitolul 2

    METODOLOGIA DE CERCETARE I ECHIPAMENTELE UTILIZATE

    2.1. Materialele supuse investigaiilor Materialele probelor care au fost supuse investigaiilor tribologice sunt materiale

    compozite cu matrice organic cu diverse particule de ranforsare, compatibile din punct de vedere al utilizrii cu unele materiale metalice ca: alama de nalt rezisten marca SAE 430B (SR CR 12776:2002) i bronzul cu Al marca CuAl9Fe3T, STAS 198/2-92.

    Materialele supuse investigaiilor sunt produse de firma Diamant Metallplastic GmbH din Mnchen, Germania, firm cu rezultate remarcabile obinute n domeniul ntreinerii i recondiionrii pieselor metalice din industrie. Aceste produse sunt din categoriile [129]:

    - Multimetall Messing, material denumit n continuare Compozit pentru alam (cod SAC). Acesta este un compozit utilizat pentru recondiionarea pieselor din alam;

    - Multimetall Bronze, material denumit n continuare Compozit pentru bronz (cod SBC); este recomandat de firma productoare pentru recondiionarea pieselor din bronz;

    - Moglice un material compozit utilizat pentru recondiionarea att a pieselor din oel ct i a celor din alam sau bronz (cod SMC) [130].

    Materialele compozite menionate mai sus se prezint sub forma a dou componente, livrate de separat, notate A i B. Componenta A este o rin epoxidic n care sunt nglobate particule metalice sau particule de compui chimici anorganici, iar componenta B este un ntritor chimic. Prin amestecarea celor dou componente, n limitele unor proporii recomandate de firma productoare, se poate obine, n funcie de tehnologia de aplicare pe materialul metalic clasic, fie un fluid, fie o past. Dup aplicare pe suprafaa metalic, se ateapt un timp (4...30 ore) pentru ntrirea compozitului, interval dup care piesele pot fi supuse unor solicitri maxime. Materialele compozite pot fi depuse pe suprafeele de recondiionat cu pensula sau cu paclu. n majoritatea cazurilor, aceste compozite pot fi prelucrate mecanic prin achiere n acelai mod i aceleai condiii ca materialul de baz al piesei supuse recondiionrii. n alte cazuri, calitatea i precizia suprafeelor obinute sunt suficient de bune nct s nu mai fie necesar prelucrarea ulterioar a acestora prin achiere.

    Caracteristicile fizico-mecanice ale acestor materiale, publicate de productor, sunt prezentate n continuare. Acestea se remarc prin proprieti fizice i mecanice deosebite.

    a) materialul compozit SAC [129]: - material compozit cu matrice epoxidic ranforsat cu particule din cupru, zinc i

    SiO2, folosit pentru repararea, ntreinerea i recondiionarea pieselor din alam; - confer excelente proprieti (aspect identic cu metalul de baz,

    prelucrabilitate prin achiere, aderen, contracie mic, rezisten la uzur abraziv i eroziune, rezisten la oc mecanic, stabilitate termic de la -32C la +160C);

    - principalele caracteristici fizico-mecanice: duritate Shore 8486 (conform DIN 53505); modul de elasticitate 5800 N/mm2; rezisten la traciune 63 N/mm2; rezisten la strivire 5,4 N/mm2; rezisten la forfecare 17 N/mm2; rezisten la ncovoiere 80 N/mm2; rezisten la compresiune 155 N/mm2;

    - se utilizeaz pentru: repararea defectelor de turnare (porozitate, crpturi, fisuri), refacerea suprafeelor uzate, a erorilor de prelucrare mecanic, etanarea de

  • Capitolul 2 Metodologia de cercetare i echipamentele utilizate

    15

    macroporoziti, corectarea cordoanelor de sudur, pentru completarea i astuparea gurilor n diferite piese, etc.

    b) materialul compozit SBC [129]: - material compozit cu matrice epoxidic ranforsat cu particule din cupru, staniu i SiO2, folosit pentru repararea, ntreinerea i recondiionarea pieselor din bronz;

    - confer excelente proprieti (aspect identic cu metalul de baz, prelucrabilitate prin achiere, aderen, contracie mic, rezisten la uzur abraziv i eroziune, stabilitate termic de durat: de la -32C la +160C, pn la 350C pentru perioade scurte);

    - principalele caracteristici fizico-mecanice: duritate Shore 86, (conform DIN 53505); modul de elasticitate 5800 N/mm2; rezisten la traciune 62 N/mm2; rezisten la strivire 5,4 N/mm2; rezisten la forfecare 16,5 N/mm2; rezisten la ncovoiere 79,5 N/mm2; rezisten la compresiune 155 N/mm2;

    - se utilizeaz pentru: repararea defectelor de turnare (porozitate, crpturi, fisuri), refacerea suprafeelor uzate, a greelilor de prelucrare mecanic, etanarea de macroporoziti, corectarea cordoanelor de sudur, pentru completarea i astuparea gurilor n diferite piese, etc.

    c) materialul compozit SMC[129, 130]: - material compozit cu matrice organic format din rini epoxidice i ranforsat cu

    MoS2 i SiO2, folosit pentru repararea, ntreinerea i recondiionarea pieselor din diverse materiale;

    - confer excelente proprieti de antifriciune, aderen, amortizare la vibraii, prelucrabilitate prin achiere cu posibilitatea realizrii pieselor la cote finale n tolerane foarte strnse i suprafee cu rugozitate foarte mic; stabilitate dimensional, contracie mic, stabilitate termic de durat de la -20C la 60C, de la -40C pn la 125C pentru perioade scurte;

    - principalele caracteristici fizico-mecanice: duritate Shore 88, (conform DIN 53505); modul de elasticitate 10400 N/mm2; rezisten la traciune 42 N/mm2; rezisten la presiune static a suprafeelor 12,5 N/mm2; rezisten la ncovoiere 66 N/mm2; rezisten la compresiune 120 N/mm2;

    - se utilizeaz pentru: realizarea suprafeelor de alunecare i reparaii la ghidaje de maini-unelte, lagre de alunecare, organe de conducere a micrii, etc.

    Caracteristicile fizico-mecanice i tribologice ale materialelor compozite sunt comparate cu caracteristicile similare ale materialelor metalice pe care le recondiioneaz/substituie. Aceste materiale sunt: alam de nalt rezisten, marca SAE 430B (SR CR 12776) i bronz cu aluminiu marca CuAl9Fe3T (STAS 198/2- 1992) 2.1.1. Caracterizarea materialelor compozite

    Iniial, cercetrile n scopul caracterizrii materialelor compozite, au fost efectuate n cadrul unui proiect de cercetare [131] realizat de SC Uzinsider Engineering Galai n parteneriat cu Departamentul de Inginerie mecanic al Universitii "Dunrea de Jos" din Galai.

    n urma cercetrilor efectuate n cadrul acestui proiect, a rezultat c materialele compozite au un ansamblu de caracteristici fizico-mecanice care le fac atractive pentru aplicaiile inginereti. Se remarc, n primul rnd, densitatea foarte mic comparativ cu cea a materialelor metalice care sunt recondiionate.

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    16

    Analiza morfologic a materialelor compozite a fost studiat prin microscopie optic, cu microscopul optic Olympus Bx60m din dotarea SC Uzinsider engineering SA Galai. Imaginile captate arat (fig. 2.2) c toate materialele compozite analizate au o structur eterogen, format dintr-o matrice organic, n care sunt dispersate foarte fin particule de ranforsant.

    a) b) c)

    Fig. 2.1. Imagini SEM tipice ale materialelor compozite obinute la microscopul electronic Philips XL 30 ESEM

    [131]: a) compozit SAC; b) compozit SBC; c) compozit SMC

    a) b) c)

    Fig. 2.2 Microstructura materialelor compozite efectuat cu microscopul optic OLYMPUS Bx60m, mrire 100x:

    a) compozit SAC; b) compozit SBC; c) compozit SMC

    Investigatiile difractometrice cu raze X efectuate au evideniat constituenii structurali ai compozitelor polimerice studiate (tab. 2.1), iar prin analiza spectrometric EDX a materialelor compozite au fost identificate elementele chimice ale particulelor ranforsantului. Se constat urmtoarele [131].

    - compozitul SAC are n componen faza CuZn, constituient structural foarte plastic specific alamelor, staniu, metal cu plasticitate foarte ridicat, i SiO2 aflat sub diferite stri alotropice;

    - compozitul SBC are n matrice compusul intermetalic Cu6Sn5, specific bronzurilor, faza plastic CuZn i constituientul SiO2 aflat sub diferite stri alotropice;

    - compozitul SMC are structura cea mai dur fiind format din matricea organic ce conine o alt form alotropic a oxidului de siliciu (cristobalitul, un component dur) i, ca ranforsant, conine bisulfura de molibden, constituient cu remarcabile proprieti de rezisten la uzur abraziv i lubrifiere.

  • Capitolul 2 Metodologia de cercetare i echipamentele utilizate

    17

    Tabelul 2.1 Constituenii materialelor compozite identificai cu difractometrul

    Dron 3.0 [131]

    Cod prob Faze identificate

    Sistem cristalografic

    cuar SiO2 H Keatit SiO2 T

    Cristobalit SiO2 T Sn T

    SAC

    CuZn CFC cuar SiO2 H Keatit SiO2 T

    Cristobalit SiO2 T Cu6Sn5 H

    SBC

    CuZn CFC Cristobalit SiO2 T SMC

    MoS2 H

    Notaii folosite n tabelul 2.1: T tetragonal; H hexagonal; CFC cub cu fee centrate. Investigaiile spectrometrice EDX, efectuate asupa particulelor de ranforsant, au

    eviseniat prezena unor elemente comune compozitelor SAC i SBC precum: Cu, i, Zn, O, Sn, S. La compozitul SMC au fost detectate elementele: Si, S, O i Mo. 2.1.2. Caracterizarea materialelor metalice supuse recondiionrii

    Materialele metalice, alama (SA) i bronzul (cod SB), au fost supuse, de asemenea, investigaiilor chimice i mecanice. Rezultatele obinute pentru compoziia chimic i pentru caracteristicile mecanice [131] se ncadreaz n prevederile normativelor n vigoare [132, 133]

    Analiza chimic s-a efectuat la spectrometrul de emisie optic BAIRD DV-6, n programul SPETROCOMP, cu achizitie si prelucrare automata a datelor (pentru probe solide).

    Analiza morfologic a materialelor metalice [131], realizat n urma studierii imaginilor obinute cu microscopul optic OLYMPUS, evideniaz componentele structurale ale acestora:

    Alama microstructur bifazic +cu o proporie de faz =16,05% (fig. 2.3-a), ceea ce confer materialului bune proprieti de rezisten i tenacitate .

    Bronzul cu Al - (fig. 2.3-b), microstructur bifazic format din gruni fini de soluie solid i eutectoidul (+2).

    Structura materialelor metalice este alctuit din dou sau mai multe componente cu gruni fini, distribuii uniform i proporionat, fapt ce confirm valorile caracteristicilor mecanice.

    2.2. Probele testate i tehnologia de realizare a acestora

    Materialele supuse investigaiilor tribologice au fost executate sub forma de discuri cu dimensiunile 76 (96)x6 avnd rugozitatea Ra1,6.

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    18

    Discurile, acoperite pe o fa cu compozit, au fost executate dup urmtoarele operaii astfel [131]:

    - executare discuri din alam i bronz conform desen de execuie (fig. 2.4.); pe o fa a acestora s-au realizat rizuri de aderen de tip filet cu pasul de 2 mm i adnci de 1-1,5 mm;

    - curare i degresare discuri cu degresant Reiniger (degresant pe baz de solvent organic);

    - preparare manual a compozitului conform reetei productorului (amestecarea i omogenizarea celor dou componente) urmat imediat de: aplicarea manual cu paclu, ntrire i prelucrarea mecanic de finisare (rectificare) a suprafeei cu compozit la cotele finale. 2.3. Programele de testare tribologic n regim uscat

    Pentru caracterizarea tribologic la frecare de alunecare n regim uscat a cuplurilor de materiale a fost luat n considerare tribomodelul bil-pe-plan n micare rectilinie alternativ, n care triboelementele au fost reprezentate de discuri metalice (alam i bronz) cu materiale compozite pe de o parte, i o bil de rulment tipul RB-6/G20W fabricaie SKF cu diametrul de 6 mm i duritatea 60 HRC, pe de alt parte. n aceast configuraie au fost derulate dou programe de testare:

    a) n programul iniial (tabelul 2.5) au fost variai urmtorii parametri din tab. 2.5: Tabelul 2.5

    Programul iniial de testare bil-pe-plan Material Cod material

    Cursa [mm]

    (Viteza medie) [mm/s]

    Fora [N] Nr. cicli

    Compozit pentru alam SAC Alam SAE 430B SA Compozit pentru bronz SBC Bronz CuAl9Fe3T SB Moglice SMC

    2,85 3,33

    4 5

    (2,65) (2,90) (3,15) (3,50)

    20 30 40 50

    4000 5000 6000

    Din combinarea parametrilor: c, F i Nc, au rezultat minim 443=48 teste pentru fiecare material, 240 teste n total pentru toate cele cinci materiale testate. Lungimile de frecare au fost cuprinse n intervalul 621m. S-a constatat, n urma efecturii testelor dup programul de mai sus, c, la anumite materiale i pentru anumii parametri de testare, coeficientul de frecare nu s-a stabilizat prezentnd, spre sfritul perioadei de testare, salturi semnificative. O parte din rezultatele acestor teste au fost utilizate pentru modelare cu reele neuronale a procesului de frecare din cap. 5

    b) n cel de-al doilea program de testare, tot n configuraia bil-pe-plan, au fost stabilii ali parametri de lucru n conformitate cu recomandrile standardului ASTM G133-05 [37]: cursa de 5 mm, lungimea de testare de 100 m, durata testului de 475 min. Forele de ncrcare au fost de 20, 30, 40 i 50 N.

    Tabelul 2.6 Programul de testare la zgriere

    Material Cod material Fora normal, [N] Compozit pentru alam SAC Alam SAE 430B SA Compozit pentru bronz SBC Bronz CuAl9Fe3T SB Moglice SMC

    10 30 50

  • Capitolul 2 Metodologia de cercetare i echipamentele utilizate

    19

    Pentru caracterizarea materialelor din punct de vedere mecanic au fost efectuate teste de zgriere dup programul de testare detaliat n tab. 2.6.

    Toate testele experimentale au fost efectutate la temperatura camerei (2026 C) i n condiii de umiditate relativ de 4060%. 2.4. Echipamentele de cercetare utilizate

    2.4.1. Aparatur de testare tribologic n regim uscat Pentru caracterizarea tribologic a cuplurilor de materiale, la frecarea de alunecare n

    regim uscat, s-a utilizat tribometrul universal UMT-2, CETR, (fig. 2.6.), aflat n dotarea Departamentului de Inginerie mecanic din cadrul Universitii "Dunrea de Jos" din Galai [136, 137, 138]. Aparatul este destinat testelor tribologice de tipul: ift-pe-disc, bil-pe-disc, una, dou sau trei bile, prism-pe-inel, disc-on-disc, etc.

    Tribometrul este conectat la o unitate de control (PC) prevzut cu un soft special care permite monitorizarea procesului de testare. Prin unitatea de control se stabilesc parametri de testare precum i parametrii de ieire. Achiziionarea unor parametrilor de ieire, ca: fora normal, fora de frecare, fora pe direcia x, deplasri, coeficientul de frecare se face eantionat cu un increment de timp stabilit la nceputul testrii.

    Fig. 2.6. Tribometru Universal UMT-2 CETR

    [136]

    Pentru efectuarea testului n configuraia bil-pe-plan se monteaz modulul specific acestui test (fig. 2.8-a).

    a) b)

    Fig. 2.8 Configuraia modulului bil-pe-plan n micare alternativ UMT-2 CETR; a) modulul specific acestei

    configuraii; b) tribometrul UMT-2 cu modulul pentru configuraia bil-pe-plan n micare rectilinie alternativ. [136 ]

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    20

    Aparatura de achiziie a datelor utilizat pentru efectuarea testelor este inclus n tribometru i este conectat la un computer care nregistreaz eantionat diveri parametri tribologici (coeficient de frecare, for de ncrcare, fora de frecare, emisia acustic, adncimea de uzur cumulat a celor dou triboelemente, etc.)

    Tribometru universal UMT-2, din doatarea Laboratorului de tribologie al Universitii Politehnica Bucureti, a fost folosit pentru efectuarea testelor de zgriere pe cele cinci materiale studiate n aceast lucrare. Pe acesta a fost montat modulul destinat acestui tip de teste i un indentor din diamant cu forma conic i unghiul la vrf de 120. 2.4.2. Echipament pentru analiza morfologic

    a) Datele privind profilele digitale au fost achiziionale cu profilometrul laser Scan, produs de firma NanoFocus din dotarea Facultii de Inginerie Mecanic, Mecatronic i Management a Universitii tefan cel Mare din Suceava (fig. 2.9). Datele obinute au fost prelucrate cu soft-urile SPIP i Excel.

    a) b)

    Fig. 2.9 a) Profilometrul laser Scan, produs de firma NanoFocus; b) captur de ecran tipic pentru testarea

    bil-pe-plan b) Datele privind profilele digitale au fost achiziionale i cu profilometrul digital

    Surtronic 3+ (fig. 2.10), larg utilizat n studiul tribologic al geometriei suprafeei i au fost prelucrate cu programul Talyprof (echipament i soft Taylor Hobson) [140].

    a) b)

    Fig. 2.10 Sistemul de achiziie a datelor cu profilometrul Surtonic 3

  • Capitolul 2 Metodologia de cercetare i echipamentele utilizate

    21

    Pe parcursul efecturii profilogramelor urmelor de uzur s-au utilizat unele din funciile expert ale programului cum ar fi funcia de calculare a ariei profilogramei al crei efect este ilustrat prin capturile de imagine din fig. 2.11.

    d) Examinarea suprafeei urmelor de uzur a fost efectuat cu microscopul electronic de baleiaj Quanta 200, (fig. 2.12) produs de FEI Company [141].

    a) b)

    Fig. 2.11 Capturi de imagine de pe monitor: a) profilograma urmei de uzur la testarea bil-pe-plan; b)

    profilograma urmei la zgriere

    Fig. 2.12

    Microscopul electronic de baleiaj Quanta FEI 200 din dotarea Universitii Dunrea de Jos din Galai

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    22

    d)

    Fig. 2.14

    Microscopul optic Neophot-2 din dotarea Universitii Dunrea de Jos din Galai

    Fig. 2.15

    Microscopul optic Olympus Bx60m din dotarea SC Uzinsider engineering SA Galai

    e) Cu microscopul metalografic Neophot-2 (putere de mrire 10x....1000x), din dotarea Facultii de Ingineria Materialelor i a Mediului a Universitii "Dunrea de Jos" din Galai, au fost studiate urmele de uzur ale materialelor studiate obinute n configuraia bil-pe-plan.

    f) Analiza morfologic a materialelor studiate a fost efectuat cu microscopul optic Olympus Bx60m [142] din dotarea SC Uzinsider engineering SA Galai (fig. 2.15). 2.5. Concluzii

    a) materialele compozite supuse investigaiilor tribologice sunt materiale de nalt performan utilizate cu succes n lucrrile de recondiionare a pieselor confecionate din materiale metalice solicitate la frecare, alam i bronz;

    b) aceste materiale compozite au caracteristici fizice i mecanice remarcabile: raport ridicat caracteristici mecanice/densitate, absobie de ap zero, etc.;

    c) aderena la interfaa metal-compozit se realizeaz la temperatura mediului ambiant prin reacii polimerice ce asigur o bun rezisten la desprindere;

    d) structura materialelor compozite este foarte fin i compact, format din matrice moale ranforsat cu particule dure, de forme diferite (acicular, sferic, cvasisferic) aflate diverse n proporii;

    e) programele de efectuarea testelor stabilite de autor, prezentate pe larg n paragraful 2.3, urmrete analizarea, din punct de vedere tribologic, a unor materiale compozite larg folosite n aplicaiile inginereti de recondiionare a pieselor executate din materiale metalice precum alama i bronzul, materiale frecvent utilizate n construcia lagrelor de alunecare i a altor piese;

    f) aceleai programe de testare au fost aplicate i materialelor metalice, alama i bronzul, din necesitatea comparrii rezultelor obinute pentru materialele compozite cu cele obinute la testarea materialelor metalice;

    g) aparatura utilizat (tribometrul universal UMT-2, microscopul electronic, microscoape optice, profilometrul cu laser) este de dat recent i este utilizat pe larg de majoritatea cercettorilor din domeniul tribologiei pentru investigaii;

    h) metodologia de testare a avut n vedere conceptul tribomodel ca baz de nceput n restrngerea ariei de cutare a celor mai potrivite materiale i a regimurilor de lucru pentru tribosistemele reale.

  • Capitolul 3 Rezultate experimentale privind comportarea tribologic n regim uscat

    23

    Capitolul 3

    REZULTATE EXPERIMENTALE PRIVIND COMPORTAREA TRIBOLOGIC N REGIM USCAT

    3.1. Rezultate experimentale privind coeficientul de frecare

    n urma efecturii testelor tribologice, s-au calculat i s-au interpretat valorile coeficientului de frecare pentru materialele testate, uzura liniar (Uh), volumul de material uzat (V), intensitatea volumic de uzare (Iv) precum i coeficientul de uzur. Soft-ul tribometrului UMT-2 furnizeaz, cu o frecven de 10 valori achiziionate per secund, o serie de parametri ca: adncimea de ptrundere a bilei n materialul discului, coeficientul de frecare, fora normal de ncrcare, fora de frecare i ali parametri stabilii nainte de efectuarea propriu-zis a testului.

    Uzura liniar (Uh) este calculat ca diferen ntre valoarea curent a adncimii de ptrundere a bilei i cea mai mic valoare nregistrat, de regul, la nceputul testului.

    Coeficientul de frecare a fost calculat, n fiecare punct de msurare, cu relaia [120, 143]:

    FFf (3.1)

    Coeficientul de frecare mediu, pe anumite intervale de testare, a fost calculat ca medie aritmetic a valorilor coeficientului de frecare nregistrate pe intervalul de msurare respectiv:

    N

    iimed N 1

    1 (3.2) 3.1.1. Calculul presiunii de contact bil-plan

    n configuraia de testare tribologic bil-pe-plan, se formeaz o cupl de frecare de clasa I, realizat ntre cele dou elemente ale cuplei tribologice, bila i discul cu suprafaa plan (fig. 3.1). Calculul presiunii maxime din punctul de contact a fost efectuat dup teoria lui Hertz, cnd se presupune c sunt ndeplinite toate ipotezele acestei teorii:

    n aceast figur se definesc urmtoarele elemente:

    Fig. 3.1. Elemente geometrice la contactul

    punctiform [143]

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    24

    - normala comun a celor dou corpuri (N-N), care formeaz cupla tribologic, este perpendicular pe planul tangent comun n punctul de contact;

    - intersecia planelor principale 1 i 2 ale celor dou suprafee (perpendiculare) este normala N-N;

    - razele de curbur ale suprafeei 1 n cele dou plane de msurare sunt: R1,1, R1,2, iar ale suprafeei 2 sunt: R2,1, R2,2 (primul indice se refer la suprafa, iar al doilea la planul principal);

    - razele de curbur echivalente ale suprafeelor ce formeaz cupla tribologic, aferente unui plan, sunt [143]:

    21,221,121

    111RRR

    (3.3) n care semnul (+) se folosete n cazul suprafeelor convexe, iar semnul (-) pentru cele concave;

    Contactul bil-pe-plan este un caz particular al contactului punctiform, cnd raza primului corp, bila, are aceeai valoare n cele dou plane principale (R1), iar pentru al doilea corp, razele n cele dou plane sunt infinite (R2+). n aceast situaie, relaia utilizat pentru calculul presiunii maxime de contact, n condiiile teoriei lui Hertz, obinute prin particularizarea relaiilor din [143], este:

    3 21

    20 5784,0 RFp n (3.4)

    unde Fn este fora normal de apsare, iar este:

    1

    22

    1

    21 11

    EE (3.5)

    n care: - E1 i E2 sunt modulele de elasticitate pentru bila metalic din oel, respectiv, pentru discurile din materialele de testat; - 1, 2 sunt coeficienii Poisson ai materialelor celor dou corpuri n contact. Zona eliptic de contact (n caz general) devine, prin particularizarea contactului

    punctiform, un cerc a crei raz este [143]:

    3 143 RFa n (3.6)

    Apropierea relativ, , dintre suprafeele corpurilor n contact este [143]:

    3

    1

    2

    8255,0RFn (3.7)

    n tabelul 3.1 sunt prezentate valorile parametrilor: presiunea maxim (p0), raza cercului de contact (a) i apropierea relativ () pentru toate materialele testate cu cele patru valori ale forei. Pentru bil au fost utilizai urmtorii parametri: raza bilei R1= 3 mm, E1=210 GPa i 1=0,3.

  • Capitolul 3 Rezultate experimentale privind comportarea tribologic n regim uscat

    25

    Tabelul 3.1 Calculul presiunii de contact pentru materialele compozite i metalice

    Cod F [N] E2

    [GPa] a

    [mm]

    [mm] p0

    [MPa] 20 5,8 1,13 0,0110 277,53 30 5,8 1,69 0,0150 307,20 40 5,8 2,26 0,0182 349,66

    SAC

    50 5,8 2,82 0,0211 376,66 20 80 0,53 0,0025 1281,03 30 80 0,79 0,0033 1431,18 40 80 1,05 0,0039 1613,99

    SA

    50 80 1,31 0,0046 1738,62 20 5,8 1,13 0,0115 277,53 30 5,8 1,69 0,0150 317,69 40 5,8 2,26 0,0182 349,66

    SBC

    50 5,8 2,82 0,0211 376,66 20 90 0,51 0,0024 1351,75 30 90 0,77 0,0031 1547,37 40 90 1,02 0,0037 1703,10

    SB

    50 90 1,28 0,0043 1834,61 20 10,4 0,94 0,0079 403,13 30 10,4 1,40 0,0103 461,47 40 10,4 1,87 0,0125 507,91

    SMC

    50 10,4 2,34 0,0145 547,13 3.1.2. Evoluia coeficientului de frecare n configuraia bil-pe-plan n micare

    rectilinie alternativ ncercrile de frecare n mediu uscat, n configuraia bil pe plan, cu micare rectilinie

    alternativ, s-au efectuat pe tribometrul UMT-2. Cupla tribologic bil-pe-plan este format din elementul al crui material se testeaz,

    un disc metalic, respectiv un disc cu compozit turnat i o bil de rulment (SKF), cu diametrul de 6 mm i cu rugozitatea Ra=0,025 m.

    nainte de efectuarea testelor, suprafeele supuse uzurii au fost curate conform procedurii splate cu aceton i uscate cu aer cald.

    Rezultatele testelor efectuate dup primul program de testare (paragraful 2.3-a) au evideniat faptul c, pe lungimea de frecare rezultat (621 m), coeficientul de frecare nu s-a stabilizat, motiv pentru care s-a derulat al doilea program de testare prezentat paragraful 2.3 b), pe distana de frecare de 100 m, conform ASTM G133-05 [37].

    Viteza medie a fost calculat cu relaia:

    tL

    v fm (3.8) Cu datele obinute s-au trasat diagramele de variaie ale coeficientului de frecare n

    funcie de lungimea de frecare, pentru fiecare material studiat i pentru fiecare for de ncrcare i s-au calculat valorile coeficientului de frecare mediu pe ultimii 25 m (med), pentru toate materialele i pentru toate forele de ncrcre cu relaia (3.2).

    O parte a rezultatelor obinute, cele mai reprezentative, dup primul program de testare sunt artate n fig. 3.23.5.

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    26

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 5 10 15 20

    Lf,[m]

    SAC SA SBCSB SMC

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0 5 10 15 20Lf, [m]

    Uh, [mm]

    SAC SA SBCSB SMC

    a) b)

    Fig. 3.2. Rezultatele testelor de frecare n configuraia bil-pe-plan, pe distana de 21 m, cu fora normal de 20 N:

    a) variaia coeficientului de frecare; b) variaia uzurii liniare.

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 5 10 15 20

    Lf, [m]

    SAC SA SBCSB SMC

    a)

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0 5 10 15 20Lf, [m]

    Uh [mm]

    SAC SA SBCSB SMC

    b)

    Fig. 3.3. Rezultatele testelor de frecare n configuraia bil-pe-plan, pe distana de 21 m, cu fora normal de 30 N:

    a) variaia coeficientului de frecare; b) variaia uzurii liniare. Coeficientului de frecare (fig. 3.2-a3.5-a), pentru materialele compozite, nu se stabilizeaz,

    n special pentru fore de ncrcare mici, iar materialele metalice apar oscilaii locale, cu amplitudine mai mare la bronz comparativ cu alama. Uzura liniar se menine la valori sczute pentru forele de frecare de 2040 N, dar la fora de 50 N valorile acesteia cresc repede, cu viteze mari.

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 5 10 15 20

    Lf, [m]

    SAC SA SBCSB SMC

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0 5 10 15 20

    Lf, [m]

    Uh [mm]

    SAC SA SBC

    SB SMC

    a) b)

    Fig.3.4. Rezultatele testelor de frecare n configuraia bil-pe-plan, pe distana de 21 m, cu fora normal de 40 N:

    a) variaia coeficientului de frecare; b) variaia uzurii liniare.

  • Capitolul 3 Rezultate experimentale privind comportarea tribologic n regim uscat

    27

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 5 10 15 20

    Lf, [m]

    SAC SASBC SBSMC

    0.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0 5 10 15 20

    Lf, [m]

    Uh [mm]

    SACSASBCSBSMC

    a) b)

    Fig.3.5. Rezultatele testelor de frecare n configuraia bil-pe-plan, pe distana de 21 m, cu fora normal de 50 N:

    a) variaia coeficientului de frecare; b) variaia uzurii liniare. n fig. 3.63.10 sunt artate variaia coeficientului de frecare (a) i coeficientul de frecare

    mediu (b), n configuratia bil-pe-plan, pe distana de frecare de 100 m, pentru fiecare material n funcie de fora de frecare.

    La compozitul SAC (fig. 3.6) se constat o pant relativ constant a diagramei coeficientului de frecare, pe aproape toat lungimea de frecare. O singur excepie se observ pentru fora de 40 N cnd coeficientul de frecare are o uoar cretere. Valorile coeficientului de frecare mediu sunt sub 0,17 pentru toate forele de testare.

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 20 40 60 80 100

    Lf, [m]

    F=20NF=30NF=40NF=50N

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    20 30 40 50 F, [N]

    med

    a) b)

    Fig. 3.6. Variaia coeficientului de frecare al compozitului SAC, n configuraia bil pe plan, pe distana de 100

    m: a) coeficientul de frecare; b) coeficientul de frecare mediu pe ultimii 25 m de testare

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 20 40 60 80 100

    Lf, [m]

    F=20NF=30NF=40NF=50N

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    20 30 40 50F, [N]

    med

    a) b)

    Fig.3. 7. Variaia coeficientului de frecare al alamei, n configuraia bil pe plan, pe distana de 100 m: a)

    coeficientul de frecare; b) coeficientul de frecare mediu pe ultimii 25m de testare

  • Virgil Iliu - Contribuii privind studiul comportrii la uzur a unor compozite cu matrice polimeric destinate recondiionrii pieselor metalice

    28

    La alam se observ un mic salt n prima etap (de cca. 2m), la nceputul testului i o evoluie grupat a coeficientul de frecare precum i o instabilitatea local a acestuia. Valorile coeficientului de frecare mediu, pentru cele patru fore de ncrcare, sunt comparabile, cu un maxim pentru fora de 40 N.

    Compozitul SBC (fig. 3.8), are trei etape n evoluia coeficientului de frecare: n prima etap, viteza de cretere a coeficientului de frecare este liniar i crete odat cu creterea forei de ncrcare. Lungimea de frecare din aceast etap scade odat cu creterea forei de ncrcare. n etapa a doua, viteza de cretere a coeficientului de frecare are valori mult mai mari. n ultima etap se constat cele mai mici viteze de cretere a coeficientului de frecare precum i cea mai mare instabilitate local a acestuia. De asemenea, se constat o cretere a valorilor coeficientului de frecare din aceast etap de cca. 4 ori fa de valoarea din prima etap. Coeficientul de frecare mediu, calculat pe ultimii 25 m din lungimea de frecare, prezint variaii cresctoare, dar foarte mici la creterea forei de ncrcare.

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 20 40 60 80 100

    Lf, [m]

    F=20NF=30NF=40NF=50N

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50 med

    20 30 40 50 F, [N] a) b)

    Fig. 3.8. Variaia coeficientului de frecare al compozitului SBC, n configuraia bil pe plan, pe distana de

    100 m: a) coeficientul de frecare; b) coeficientul de frecare mediu pe ultimii 25 m de testare

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 20 40 60 80 1

    Lf, [m]

    00

    F=20NF=30NF=40NF=50N

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    20 30 40 50F, [N]

    med

    a) b)

    Fig. 3.9. Variaia coeficientului de frecare al bronzului, n configuraia bil pe plan, pe distana de 100 m: a)

    coeficientul de frecare; b) coeficientul de frecare mediu pe ultimii 25m de testare Concluzii asemnatoare cu cele constatate la alam se desprind din graficul de

    variaie a coeficientului de frecare al bronzului (fig. 3.9-a) precum i din diagrama coeficientului de frecare mediu prezentat n fig. 3.9-b. n privina coeficientul de frecare mediu (fig. 3.9-b) se constat valori aproximativ egale pentru cele patru fore de testare, cu o uoar cretere pentru fora de 30N.

    Diagrama de variaie a coeficientului de frecare pentru compozitul moglice (fig. 3.10-a) este asemntoare cu cea a compozitului pentru bronz. Deosebirea const n lungimea foarte mic a primei etape, maxim 10 m, viteza de cretere a coeficientului de frecare din etapa a II-a mai mic precum i creterea acestuia de numai 3 ori fa de valoarea din prima

  • Capitolul 3 Rezultate experimentale privind comportarea tribologic n regim uscat

    29

    etap. Valorile coeficientului de frecare mediu (tab. 3.2) pentru compozitul moglice sunt foarte apropiate pentru cele patru fore de ncrcare.

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50

    0 20 40 60 80 100

    Lf, [m]

    F=20NF=30NF=40NF=50N

    0.00

    0.10

    0.20

    0.30

    0.40

    0.50 med

    20 30 40 50F, [N]

    a) b)

    Fig. 3.10. Variaia coeficientului de frecare al compozitului SMC, n configuraia bil pe plan, pe distana de

    100 m: a) coeficientul de frecare; b) coeficientul de frecare mediu pe ultimii 25 m de testare

    Tabelul 3.2 Coeficientul mediu la frecare uscat n configuraia bil-pe-plan calculat pentru ultimii 25 m

    Nr. crt. Materialul F=20N F=30N F=40N F=50N

    1. Compozit pentru alam 0,116 0,128 0,167 0,161 2. Alam 0,245 0,253 0,271 0,259 3. Compozit pentru bronz 0,444 0,450 0,466 0,477

    4. Bronz 0,449 0,463 0,455 0,449

    5. Compozitul moglice 0,379 0,404 0,396 0,412

    Din analizarea diagramelor din figurile de mai sus, se desprind urmtoarele concluzii: - n evoluia coeficientului de frecare a compozitului SBC, se observ, n etapa de

    nceput a testrii, pentru cele patru fore de ncrcare, diferene n ceea ce privete viteza de cretere ct i lungimea acestei etape;

    - la compozitul SAC, la fora de ncrcare de 40 N, coeficientul d