DEGRADACE STROJNÍCH SOUČÁSTÍ

Fraktologická sbírka

1  Úvod

Jestliže se k sobě přibližují povrchy dvou součástí, např. působením vnějšího zatížení nebo vlastní hmotnosti, dojde k prvnímu dotyku povrchových ploch teoreticky ve třech bodech. V těchto bodech je skutečný měrný tlak tak veliký, že dochází k plastické deformaci a k odlamování částí povrchu (to vše samozřejmě v mikroskopických rozměrech). V důsledku toho přicházejí do kontaktu další místa povrchu. Na nich probíhají stejné děje a to tak dlouho, než skutečná plocha dotyku dosáhne takové velikosti, že skutečný měrný tlak už nevyvolává další plastické deformace. Je zřejmé, že dosažení tohoto rovnovážného stavu závisí na více činitelích, zejména na vnějším zatížení a vlastnostech povrchových vrstev součástí.

 

Při přibližování povrchů se porušuje celistvost adsorpční vrstvy i oxidové vrstvy a povrchy součástí přicházejí do přímého kovového kontaktu. To má za následek tvorbu mikrospojů. Při jejich následném rozrušování v důsledku relativního pohybu povrchů může docházet k oddělování kovových částic a přemísťování materiálu povrchů. Intenzita tohoto procesu závisí na řadě činitelů, z nichž nejvýznamnější jsou:

.        druh a vlastnosti vzájemně působících povrchů těles

.        přítomnost a vlastnosti média mezi povrchy

.        charakteristiky relativního pohybu povrchů (směr, rychlost, jejich časové změny)

.        zatížení (velikost působících sil, jejich časové změny).

 

Různé kombinace vlastností strojních součástí, jejich provozního namáhání a dalších vlivů a procesů mají za následek vznik a rozvoj různých druhů degradace strojních součástí:

.        opotřebení

.        koroze

.        otlačení

.        deformace

.        trhliny a lomy

.        ostatní poškození.

 

 

2  Opotřebení

 

Opotřebení je trvalá nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů tuhých těles, vyvolaná vzájemným působením funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a média, které opotřebení vyvolává.

Opotřebení se projevuje odstraňováním nebo přemisťováním částic hmoty z povrchu součásti mechanickými účinky působících sil, doprovázenými někdy i jinými vlivy, např. chemickými nebo elektrochemickými.

Opotřebení se podle ČSN 01 50 50 rozděluje na šest základních druhů:

.       adhezívní

.       abrazívní

.       erozívní

.       kavitační

.       únavové

.       vibrační.

 

Uvedené druhy opotřebení představují základní případy. V technické praxi se obvykle jednotlivé druhy kombinují, jeden druh přechází v jiný, uplatňují se další vlivy, takže vzniká řada variant.

 

2.1   Adhezívní opotřebení

 

Tento druh opotřebení je typický pro případy, kdy dochází ke smýkání dvou tuhých těles, přitlačovaných k sobě normálovou silou. Následkem toho dochází k jejich dotyku, k porušování povrchových adsorpčních a oxidových vrstev a ke vzniku adhezívních mikrospojů, které jsou vzápětí rozrušovány.

Na vznik a průběh adhezívního opotřebení mají vliv zejména tyto faktory:

.        hloubka vnikání a poloměr zakřivení povrchových mikronerovností

.        velikost zatížení a rychlost relativního pohybu

.        schopnost materiálu vytvářet adhezní spoje.

V závislosti na úrovni jednotlivých faktorů pak dochází k různě intenzivnímu opotřebení. Intenzitu adhezívního opotřebení navíc velmi výrazně ovlivňuje látka, přítomná mezi funkčními povrchy (mazivo).

V jednom krajním případě adhezívního opotřebení dochází k mírnému opotřebení. To nastává tehdy, když rychlost porušování adsorpční a oxidové vrstvy na povrchu je menší než rychlost jejich obnovování. V takovém případě působí tyto vrstvy jako ochrana povrchů, brání vzniku adhezních spojů, které jsou méně četné a méně dokonalé, takže při jejich následném porušování nedochází k významnějšímu přenosu materiálu mezi povrchy. Takto mírně opotřebovávané povrchy jsou vyhlazené, lesklé, bez rýh a stop po zadírání. Obdobně se na vzhledu adhezívně opotřebeného povrchu projevuje i přítomnost maziva mezi troucími se povrchy.

V druhém krajním případě adhezívního opotřebení dochází ke vzniku četných a relativně dokonalých adhezních mikrospojů, k jejich následnému rozrušování spojenému s přenosem materiálu mezi povrchy a ke vzniku volných (tzv. otěrových) částic. Takto intenzivně opotřebovávané povrchy jsou rýhované, rozbrázděné, v pokročilejším stadiu jsou i pouhým okem viditelné částice materiálu, ulpělé na jednom nebo i obou površích. Velmi silně vzrůstá odpor proti pohybu a obvykle dojde k úplnému zablokování (zadření). Příčiny tohoto stavu jsou různé, velmi často jde o následek selhání mazání. Schematicky je mechanismus adhezívního opotřebení znázorněn na obr. 1.

Obr. 1  Schema mechanismu adhezívního opotřebení

 

 

V případě mírného průběhu opotřebení (vhodná kombinace materiálů součástí, přítomnost dostatečného množství kvalitního maziva, příznivá kombinace faktorů ovlivňujících průběh opotřebení) dochází k porušování adhezívních mikrospojů v místě původního rozhraní mezi povrchy, takže dochází především pouze k jejich mikrodeformaci a tím k jejich vyhlazení.

V případě intenzivního průběhu opotřebení dochází k porušování adhezívních mikrospojů mimo původní rozhraní mezi povrchy, takže dochází k přenosu materiálu, případně ke vzniku volných otěrových částic. Obojí napomáhá stálému růstu intenzity opotřebení a vede až k těžkému poškození povrchů nebo zadření. Tomu napomáhá také nevhodná volba troucích se materiálů, nedostatečné nebo žádné mazání i nepříznivá kombinace faktorů ovlivňujících průběh opotřebení.

V technické praxi se častěji vyskytuje adhezívní opotřebení spojené s přenosem materiálu. To lze vysvětlit tím, že při velkých plastických deformacích v místě adhezívního mikrospoje dochází v důsledku těchto deformací ke zpevňování materiálu, které napomáhá tomu, že k následnému rozrušení mikrospoje dojde mimo původní rozhraní povrchů. Významnou roli zde hraje také to, že vznik a rozrušování mikrospojů je doprovázeno vysokým lokálním vzrůstem teploty, což zvyšuje plasticitu materiálu a podporuje tvorbu adhezívních mikrospojů.

Velmi častý je také případ, kdy opotřebení součástí začne jako adhezívní, v důsledku postupujícího opotřebení se zvyšují vůle a případně se tím zhoršují podmínky mazání. V důsledku opotřebení vznikají volné otěrové částice, které působí jako abrazivo, tj. postupně přechází opotřebení čistě adhezívní v kombinaci opotřebení adhezívního a abrazívního až přejde v téměř čisté opotřebení abrazívní. Proces může dále pokračovat tak, že v důsledku zvětšených vůlí začnou vznikat ve styku součástí rázy, které vedou k otlačení povrchů a mohou způsobit lom. Při následné analýze poškození pak je velmi obtížné určit skutečnou počáteční příčinu selhání.

 

2.2   Abrazívní opotřebení

 

Tento druh opotřebení je typický pro případy, kdy se stýkají dva povrchy a při tom jeden nebo oba jsou drsné a tvrdé, nebo kdy jsou mezi dvěma povrchy přítomny volné tvrdé částice, nebo kdy jde o zpracovávání materiálu který obsahuje tvrdé částice.

 

Potom dochází k oddělování částic materiálů z opotřebovávaného povrchu rýhováním a seřezáváním. Typický je rýhovaný vzhled povrchu, v případě intenzivního opotřebení jsou rýhy velmi hluboké, viditelné pouhým okem, v případě mírnějšího opotřebení jsou povrchy, alespoň v počátečním stadiu, vyleštěné a rýhy jsou patrné jen při zvětšení.

Typickým příkladem výskytu abrazívního opotřebení jsou pracovní orgány strojů pro zpracování půdy a hornin, např. plužní ostří, odhrnovačky pluhů, radličky pleček a kultivátorů, zuby a lžíce bagrů, radlice buldozerů apod.

První případ, kdy jde o vzájemné působení tvrdých drsných povrchů, je typický pro broušení součástí, vyskytuje se však i v pohyblivých uloženích součástí. Může dojít také k tomu, že tvrdé volné částice se zamačkají do měkčího z povrchů a potom rýhují tvrdší povrch. To se stává např. u hřídelových těsnění, ucpávek a prachovek.

Druhý případ, kdy jde o působení volných abrazívních částic mezi dvěma povrchy, je velmi silně ovlivňován konkrétními poměry, především množstvím, tvarem, velikostí, pevností a tvrdostí částic.

Třetí případ, kdy jde o zpracovávání abrazívního materiálu, je velmi blízký případu druhému. Intenzita opotřebení závisí i na počtu částic tvrdších než povrch součásti.

Schematicky je mechanismus abrazívního opotřebení znázorněn na obr. 2.

 

Obr. 2  Schema mechanismu abrazívního opotřebení

 

 

 

Vliv množství abrazívních částic mezi opotřebovávanými povrchy je zřejmý. Je-li částic hodně, dochází k jejich shlukování či vrstvení a tím k abrazívnímu opotřebení i v případě, že většina částic má menší velikost než je vůle mezi povrchy. Je také větší pravděpodobnost, že se bude vyskytovat větší množství částic takového tvaru, který je z hlediska abrazívního opotřebení nepříznivý (tj. ostrohranných) a že jich bude větší množství v takové poloze, kdy mohou intenzivněji opotřebovávat povrch součástí.

Vliv tvaru abrazívních částic je velmi výrazný. Ostrohranné částice budou působit mnohem intenzivněji než částice zaoblené.

Je zřejmé, že hloubka vnikání částice do povrchu součásti bude záležet kromě tvaru také na síle, působící na částice v normálovém směru. Působit bude zcela určitě také případné převracení částice, které bude ovlivněno v případě abraze mazaných povrchů také poměry proudění v mazací vrstvě.

 

Vliv velikosti abrazívních částic je zřejmý. V případě, kdy jsou abrazívní částice volné mezi dvěma povrchy, dochází k abrazívnímu opotřebení jen těmi částicemi, které jsou větší než vůle mezi oběma povrchy, popř. než tloušťka mazacího filmu. U těchto částic nadkritické velikosti pak přítomnost mazacího filmu nemá prakticky žádný vliv na výskyt abrazívního opotřebení. Z toho vyplývá například požadavek na filtrační schopnost filtrů v mazacím či hydraulickém okruhu.

Vliv pevnosti abrazívních částic spočívá v tom, že při nízké pevnosti částic dochází k jejich drcení (snižují se rozměry, případně až pod kritické) a k otupování částic olamováním hran. Zároveň se však při drcení vytvářejí nové částice s ostrými hranami. Tyto jevy (zmenšování rozměrů a otupování na jedné straně a vznik nových ostrohranných částic na druhé) působí protikladně. Výsledkem je známý fakt, že s rostoucím zatížením povrchů, působícím na abrazívní částice, nedochází prakticky ke změně jejich abrazivity.

Vliv tvrdosti abrazívních částic je rovněž zřejmý. Čím jsou abrazívní částice tvrdší než opotřebovávaný povrch, tím snáze do něj vnikají a tím je intenzita opotřebení větší. A naopak. Tím lze také odůvodnit a vysvětlit běžnou snahu konstruktérů a technologů dosáhnout co možno nejtvrdších povrchových vrstev u těch součástí, kde lze očekávat abrazívní opotřebení.

 

2.3   Erozívní opotřebení

 

Tento druh opotřebení je charakterizován oddělováním materiálu účinkem:

.        částic, nesených proudem kapaliny nebo plynu (vyskytuje se např. u čerpadel na znečištěné kapaliny, ventilátorů, cyklonů, tryskačů, potrubí pneumatické, hydraulické či spádové dopravy aj.)

.        částic samotné kapaliny, páry nebo plynu (vyskytuje se např. u parních armatur, koncových stupňů parních turbín pracujících v oblasti mokré páry, plynových turbín, náběžných hran křídel a ostatních ploch letadel, ventilů spalovacích motorů aj.).

 

Mechanismus erozívního opotřebení je podobný jako u opotřebení abrazívního, tj. dochází k rýhování a seřezávání materiálu. Typické pro erozívní opotřebení je nerovnoměrné porušení povrchu, který je zvlněný a zvrásněný a poškozený i v prohlubeninách.

 

Obr. 3  Schema mechanismu erozívního opotřebení

 

 

Intenzita erozívního opotřebení je ovlivněna řadou faktorů, zejména:

.        relativní rychlostí opotřebovávajících částic

.        teplotou a chemickými vlastnostmi nosného média

.        druhem, velikostí a tvarem částic

.        kinetickou energií a úhlem dopadu částic

.        vlastnostmi opotřebovávaného materiálu.

 

Všechny uvedené vlivy působí současně, ovšem v různé míře, podle konkrétní situace. Jde tedy o komplikované a variabilní děje.

Rychlost částic a jejich měrná hmotnost a velikost určují jejich kinetickou energii. Působení částic na opotřebovávaný povrch ovlivňuje celá řada faktorů. Lehké částice se nemusí vůbec dostat do kontaktu s povrchem; jsou zbrzděny a "odfouknuty" zhušťujícím se mediem. Je tedy zřejmé, že u erozívního opotřebení existuje kritická velikost, ale také kritická rychlost částic.

V okamžiku dopadu částice na povrch dochází ke zmaření kinetické energie částice zbrzděním na určité dráze.

Jestliže dopadají částice na povrch s velkou hodnotou modulu pružnosti, brzdí se na nepatrné dráze (malé pružné deformace) a vznikající síly a teploty jsou značné. K tomu dochází u tvrdších materiálů, např. u kalené oceli. Intenzita opotřebení je potom značná. Závisí silně také na úhlu dopadu.

Jestliže dopadají částice na povrch s malou hodnotou modulu pružnosti, brzdí se na relativně dlouhé dráze a vznikající síly jsou malé. To nastává např. u pryže a některých plastů. Intenzita opotřebení je podstatně nižší než u tvrdých materiálů.

V okamžiku dopadu částice na povrch je částice smýkána a přitlačována na povrch vzniklými silami a působí v podstatě stejný proces jako u abrazívního opotřebení. Děj je závislý na velikosti vzniklých sil. Této představě odpovídají i praktické zkušenosti: při jinak stejných podmínkách jsou měkké, pružné materiály odolnější proti erozívnímu opotřebení než materiály tvrdé.

 

2.4   Kavitační opotřebení

 

Kavitační opotřebení je charakterizováno oddělováním částic z povrchu v oblasti zanikání kavitačních dutin v kapalině.

Mnoho součástí pracuje v různých kapalinách, velmi často ve vodě. Voda je silně agresivní prostředí, které působí provozní potíže a poruchy v důsledku koroze, eroze a kavitace. Zejména kavitační opotřebení bývá často nesprávně považováno za důsledky koroze. Ke kavitačnímu opotřebení může docházet pouze tam, kde se vyskytuje kavitace. tj. dochází ke vzniku kavitačních dutin, jejichž zánik vyvolává hydrodynamické rázy. Rázy působí na povrch materiálu zcela analogicky jako kontaktní tlaky u opotřebení povrchovou únavou. Kavitační opotřebení se vyskytuje např. ve vodních turbínách, čerpadlech, u součástí hydraulických systémů, ve vodovodech, v redukčních ventilech, v chladicích systémech pracujících s kapalinou, v pračkách, v tlakově mazaných ložiskách apod.

Kavitační dutiny vznikají v místech, kde se z nějakých důvodů (proudění zúženým průtočným průřezem, působení tahových napětí na kapalinu aj.) sníží tlak pod hodnotu tlaku nasycených par kapaliny při dané teplotě. V tom případě se v kapalině začnou tvořit dutiny (kaverny), vyplněné parami kapaliny. Objem, který zaujímá kavitační dutina, může kolísat ve velkém rozsahu, řádově od krychlových milimetrů do krychlových metrů. V oblasti vyššího tlaku pak tyto dutiny implozivně zanikají, to působí hydrodynamické rázy, které poškozují povrchy materiálu. Typický kavitačně poškozený povrch je drsný, jakoby vytrhaný.

 

Obr. 4  Schema mechanismu kavitačního opotřebení

 

 

 

Hlavní faktory, které ovlivňují intenzitu kavitačního opotřebení jsou:

.        obsah plynů v kapalině,

.        teplota a tlakové poměry,

.        povrchové napětí a viskozita kapaliny.

 

V kapalinách, které při normálním tlaku obsahují viditelné bubliny vzduchu (plynu), se kavitační dutiny tvoří při snížení tlaku expanzí těchto bublin, vylučováním vzduchu z kapaliny nebo spojováním menších bublin. V kapalinách, ve kterých při normálním tlaku nejsou bubliny viditelné, vznikají kavitační dutiny až při poklesu místního tlaku přibližně na hodnotu tlaku syté páry při dané teplotě. Tyto dutiny jsou vyplněny převážně sytou párou kapaliny.

Se vzrůstající teplotou kapaliny se zvětšuje počet vznikajících kavitačních dutin. Současně se však zvyšuje tlak nasycených par, takže vznikající dutiny mají menší objem. Tyto jevy působí na intenzitu kavitačního opotřebení protichůdně. Průběh kavitačního poškození v závislosti na teplotě má lokální maximum při určité teplotě, u vody je to v rozmezí asi 45 až 50 oC, asi při 80 oC je již intenzita poškození prakticky nulová.

Důležitým faktorem je také rozdíl mezi vnějším tlakem a tlakem nasycených par. Čím je tento rozdíl větší, tím intenzivnější je kavitační opotřebení.

Povrchové napětí kapaliny má výrazný vliv na velikost kavitačních dutin. Čím je větší povrchové napětí, tím větší dutiny vznikají za jinak stejných podmínek. Větší dutiny znamenají větší intenzitu kavitačního opotřebení.

Viskozita kapaliny má vliv na rychlost růstu kavitačních dutin. Podle současných představ však se vliv viskozity uplatňuje především těsně před zánikem kavitační dutiny a to tak, že snižuje rychlost, s jakou kapalina vniká do dutiny při její implozi.

Mechanismus kavitačního působení není zcela přesně znám. Existuje několik hypotéz, experimentálně nejlépe potvrzená je tato představa: při zániku kavitačních dutin dochází k jejich nesférické implozi, při které dochází nejprve ke zploštění dutiny, do které v závěrečné fázi vniká mikroproud kapaliny o vysoké rychlosti (nad 300 m.s-1). To vyvolává tlakové vlny a rázy, které dosahují hodnot 103 MPa i vyšších. Je nutno si uvědomit, že kavitační poškození není výsledkem působení rázů vyvolaných zánikem jednotlivých dutin, nýbrž že jde vždy o velká množství (mraky) dutin.

 

Při implozi kavitačních dutin nastává různě intenzivní působení na povrch materiálu:

.        Mírné působení, při kterém nedochází k poškozování materiálu, ale je rozrušována mezní vrstva kapaliny na povrchu materiálu. To může iniciovat korozní poškození.

.        Slabé působení, při kterém jsou narušovány nedostatečně přilnavé povrchové vrstvy (nátěry, oxidační vrstvy, produkty koroze), vlastní materiál je poškozován jen nepatrně.

.        Středně silné působení, při kterém napětí v materiálu vyvolaná hydrodynamickými rázy jsou menší než mez kluzu materiálu. K poškození povrchu dochází následkem únavových dějů, které lze považovat za vysokocyklovou únavu.

.        Silné působení, při němž jsou vznikající napětí větší než mez kluzu. Dochází k plastické deformaci povrchových vrstev, to vede k jejich zpevňování, ale zároveň také k únavovému poškozování, které lze považovat za nízkocyklovou únavu.

.        Napětí vyvolaná hydrodynamickými rázy jsou větší než mez pevnosti materiálu. Pak dochází k poškození které lze srovnávat s křehkým  lomem, velmi ovšem závisí na vlastnostech materiálu povrchu.

 

 

2.5   Únavové opotřebení

 

Únavové opotřebení je charakterizováno postupnou kumulací poruch v povrchové vrstvě při opakovaných kontaktních napětích. Dosahují-li tato napětí hodnot nad mezí kluzu, jde o nízkocyklovou únavu, jsou-li pod mezí kluzu, jde o vysokocyklovou únavu.

Nejčastější případy povrchové únavy jsou známy u valivých ložisek, ozubených kol, železničních kol, zdvihátek ventilů spalovacích motorů, pneumatických kladiv aj.

Vznik, průběh i intenzita poškození únavovým opotřebením jsou velmi závislé na provozních podmínkách.

 

 

Obr. 5  Schema mechanismu únavového opotřebení

Kontaktní únavové opotřebení vzniká při silovém, cyklicky opakovaném styku dvou těles, při kterém se vyskytují vysoké lokální tlaky. K tomu dochází zejména při styku těles se zakřivenými styčnými plochami, typicky na bocích zubů ozubených kol. Kromě vysokých kontaktních tlaků zde ještě spolupůsobí skluz a tření, které přidávají ještě tahové a smykové namáhání a tím dále přispívají k porušování povrchu. Při tom se podmínky kontaktního namáhání značně mění podél boku zubů, protože se kromě čistého valení vyskytuje ještě různě velký skluz, který současně vytváří předpoklady pro vznik adhezívního opotřebení a projevuje se i různý vliv maziva.

První únavové trhliny vznikají v tenké povrchové vrstvě materiálu. Ty se rozvíjejí a spojují až nastane vylamování částí povrchu.

Častým typem únavového poškození je tvoření důlků (pitting), obvykle okrouhlého tvaru, ovšem u povrchů s vysokou tvrdostí (valivá ložiska nebo cementované součásti) mohou mít důlky i hranatý nebo protáhlý tvar. Na jejich vzniku se význačně podílí mazivo. Účinkem kontaktních tlaků vniká mazivo do povrchových trhlin, v důsledku dalšího pohybu součástí je v nich uzavíráno a jeho tlak se účinkem kontaktního namáhání zvyšuje. To přispívá k dalším šíření trhlinek a vede až ke vzniku zmíněných důlků. Původně se označení "pitting" užívalo právě pro tento případ poškození, později se však jeho používání rozšířilo i na ostatní případy kontaktního únavového poškození.

 

Zvláštním případem kontaktního únavového poškození je odlupování povrchové vrstvy materiálu (spalling). Dochází k němu zejména u povrchově tvrzených součástí, při malých tloušťkách tvrzené vrstvy. Vysoké, opakující se kontaktní tlaky vyvolávají podpovrchová smyková napětí, která působí vznik podpovrchových trhlin. Později dochází k prolamování povrchové vrstvy a k jejímu odlupování.

 

Na vznik únavového opotřebení mají, kromě provozních podmínek které mají rozhodující význam, vliv také:

.        tvrdost povrchové vrstvy

.        nečistoty a vměstky

.        drsnost povrchu.

 

Experimentálně bylo prokázáno, že odolnost proti poškození únavovým opotřebením se zvyšuje s tvrdostí povrchu. Tato závislost je lineární a projevuje se i v oblasti vysokých tvrdostí (55 až 68 HRC).

Vměstky působí nepříznivě, neboť se projevuje jejich vrubový účinek a proto na nich nejdříve vznikají únavové mikrotrhliny. Nepříznivé působení vměstků se zvětšuje s jejich velikostí.

Drsnost povrchu má rovněž výrazný vliv na odolnost proti únavovému opotřebení. Vysvětlit to lze opět vrubovými účinky drsnějších povrchů. Zejména u povrchově tvrzených materiálů je vliv drsnosti povrchu na jejich odolnost výrazný.

 

Zjištění prvních stop povrchové únavy (pitting) by mělo být vždy důvodem pro výměnu postižených součástí. Jakmile poškození dospěje do tohoto stadia, zpravidla se dál rozvíjí velmi progresivně a vede k rychlé havárii součásti. To je dáno tím, že v této fázi se k již popsanému průběhu únavových dějů přidávají další vlivy, především rázy vzniklé v důsledku objevení se důlků v povrchu a zvětšujících se vůlí. Může se objevit také abraze, působená uvolněnými částicemi materiálu.

 

2.6   Vibrační opotřebení

 

Vibrační opotřebení je charakterizováno oddělováním částic materiálu v místech kmitavých tangenciálních posuvů funkčních ploch při jejich současném zatížení normálními silami.

Vzájemný pohyb má různý původ. Může se jednat o přímočarý vratný pohyb, o pohyb způsobený přenesenými vibracemi nebo o pohyb vzniklý v důsledku pružných deformací v uložení mechanicky namáhaných součástí.

Běžně dosahují amplitudy vibrací řádových hodnot 10-4 až 10-1 mm. Při tak malých pohybech je znemožněno odstraňování otěrových částic, které jsou dále namáhány normálními i tangenciálními silami, oxidují a dodávají opotřebeným místům na ocelových a litinových součástech typické hnědočervené až hnědočerné zbarvení. Jde o tzv. "krvácení materiálu". K tomu nemusí vždy dojít. Obvykle k tomu nedojde, je-li místo opotřebení "chráněno" vrstvou maziva před přístupem vzdušného kyslíku.

Obr. 6  Schema mechanismu vibračního opotřebení

Vibračním opotřebením se poškozují i velmi tvrdé materiály, bez ohledu na přítomnost maziva. Vibrační opotřebení může iniciovat i únavové lomy.

K vibračnímu opotřebení může docházet např. v různých pohyblivých uloženích, na která se přenášejí kmity vlastní nebo vybuzené cizím zdrojem. Často se jedná o valivá ložiska, čepy, hřídele a spojky. Často k němu dochází také u nalisovaných spojení, např. náboje kol, setrvačníky, řemenice aj., není-li hřídel nebo čep dostatečně tuhý, takže dochází k jeho střídavému ohybu v místě nalisování. Typický výskyt tohoto opotřebení je u křížových kloubů a v drážkovém spojení kloubových hřídelů.

Na průběh a intenzitu vibračního opotřebení působí řada faktorů, zejména:

.        amplituda pohybu

.        frekvence pohybu

.        měrný tlak ve styku součástí

.        vlastnosti materiálu.

 

Vibrační opotřebení vzniká především tehdy, je-li amplituda pohybu větší, než může být vyrovnáno pružnými deformacemi povrchů a kdy tedy dochází ke skluzům. S rostoucí amplitudou pohybu se intenzita vibračního opotřebení zvyšuje.

Vliv frekvence pohybu je poněkud paradoxní: při nižších frekvencích je opotřebení intenzivnější. Vysvětluje se to tím, že při nižších frekvencích se výrazněji mohou projevit chemické (korozní) složky procesu. Chemické reakce potřebují pro svůj průběh určitý čas. Se zvětšováním kmitočtu se zkracuje doba působení korozních činitelů na čerstvě obnažený kov i na již oddělené částice.

Vliv měrného tlaku ve styku součástí není zcela jednoznačný. S rostoucím měrným tlakem se zvětšuje tření, tím se zmenšuje amplituda vibrací a tedy i opotřebení. Je-li vzájemný pohyb v důsledku vysokého měrného tlaku zcela vyloučen, k vibračnímu opotřebení nedochází. Tato podmínka však v praxi nebývá často splněna ani u nalisovaných spojení.

Z vlastností materiálu působí na vibrační opotřebení především jeho schopnost tvořit oxidy, bránící kovovému styku součástí. Odolnost materiálu, který snadno a rychle tvoří oxidy je pak závislá především na abrazívních vlastnostech těchto oxidů. Tvrdost povrchu zpravidla zvyšuje odolnost proti vibračnímu opotřebení.

3  Koroze

 

Koroze je nežádoucí trvalá změna povrchu materiálu, způsobená elektrochemickými a chemickými vlivy okolního prostředí.

Podle mechanismu korozních procesů se koroze dělí na chemickou a elektrochemickou.

Chemická koroze se vyskytuje poměrně zřídka. Jsou to případy, kdy dochází k chemickým reakcím v nevodivém prostředí, například tvorba okují při tváření oceli za tepla.

Elektrochemická koroze je nejčastější. Změny působené touto korozí si lze představovat jako procesy probíhající v galvanickém článku. Elektrochemická koroze může probíhat všude tam, kde se stýkají různé kovy a je přítomen elektrolyt; stačí vzdušná nebo kondenzační vlhkost. Korozi velmi podporuje, je-li elektrolyt dobře vodivý, např. v důsledku přítomnosti iontů SO2. Takovéto poměry i u slitin.

 

Podle vzhledu se koroze dělí na rovnoměrnou a nerovnoměrnou. Rovnoměrná koroze probíhá přibližně stejně rychle po celém napadeném povrchu, lze poměrně přesně předvídat její postup.

Nerovnoměrná koroze napadá jen některé části povrchu nebo některé strukturní složky materiálu. Napadená místa při tom navenek nemusí jevit zřetelné známky napadení. Bodová koroze proniká přednostně do hloubky materiálů a vede až k jejich proděravění. Laminární koroze postupuje přednostně po hranicích jednotlivých vrstev, např. u válcovaných nebo vrstvených materiálů, které se pak oddělují v šupinách. Mezikrystalická koroze postupuje po hranicích krystalových zrn do hloubky, často vede k úplné destrukci materiálu. Transkrystalická koroze postupuje do hloubky nejen po hranicích krystalových zrn, ale i napříč zrny.

Podle prostředí se koroze dělí na korozi atmosférickou, půdní, ve vodě, v plynech apod.

Nejčastěji se vyskytuje koroze atmosférická. Činitelé, kteří ji podporují, jsou zejména:

.        vlhkost,

 

4  Otlačení

 

Otlačení je trvalá nežádoucí změna povrchu, způsobená vnějšími silami. K otlačení dojde tehdy, jestliže skutečný kontaktní tlak překročí mez kluzu materiálu povrchové vrstvy.

O otlačení jako samostatném poškození lze mluvit tehdy, je-li zasažená (deformovaná) oblast makroskopických rozměrů. Z pohledu mikroskopického dochází k otlačení vždy a vlastně se jedná o první fázi opotřebení, ve které dochází k přibližování povrchů.

 

Protože technické kovy lze považovat za objemově nestlačitelné, má při otlačení působení kontaktního tlaku za následek tok materiálu z místa působení tlaku. Objem materiálu se nemění, materiál neubývá, ale přemísťuje se a vytváří valy okolo místa působení tlaku. To má v technické praxi zpravidla za následek změnu vůlí v daném spojení, čímž může být vyvoláno např. zvýšené opotřebení nebo lomy v důsledku rázů.

Otlačení v uvedeném smyslu je možno považovat za místní (povrchovou) deformaci.

 

5  Deformace

 

Deformace je trvalá nežádoucí změna geometrického tvaru součásti.

O deformaci jako samostatném poškození lze mluvit tehdy, jde-li o změnu geometrického tvaru součásti, např. prohnutí hřídele, ovalita prstencové součásti, vyboulení desky apod. Pružné deformace se za poškození nepovažují.

K deformaci součásti dojde tehdy, překročí-li napětí v některém průřezu součásti mez kluzu materiálu. Při tom záleží též na vlastnostech materiálu. U křehkých materiálů k deformaci dochází zřídka, většinou vznikne lom, protože už poměrně malé deformace vedou k překročení meze pevnosti.

 

Napětí, vedoucí k deformaci může být způsobeno vnějšími nebo vnitřními silami. Vnější síly obvykle vyvolávají ohybové nebo torzní momenty. Vnitřní síly (vnitřní napětí) mohou být zbytková, v důsledku použitého výrobního postupu, nebo vnesená zvenčí, např. přehřátím při provozu nebo jako důsledek otlačení. Deformaci ovšem vyvolá také změna rovnováhy vnitřních pnutí např. v důsledku stárnutí materiálu který obsahoval vnitřní pnutí, v důsledku působení zvýšených teplot, nebo v důsledku opotřebení při kterém je odstraněna povrchová vrstva materiálu s koncentrovaným napětím

 

6  Trhliny a lomy

Trhlina je porušení homogenity materiálu v části průřezu. Lom je porušení homogenity materiálu v celém průřezu.

Příčiny vzniku trhlin a lomů jsou stejné jako u otlačení a deformací, tj. působení vnějších nebo vnitřních napětí, které v části průřezu, popř. v celém průřezu překročí mez pevnosti nebo mez únavy materiálu. Je-li materiál křehký, praskne a vznikne trhlina nebo lom. Vlivy, které k tomu vedou, jsou rozmanité. Může se jednat o

 

Trhliny jsou jedním z nejčastějších poškození především u odlitků, u svařenců a u tepelně zpracovávaných součástí. Trhliny snižují pevnost součástí, působí netěsnosti a u dynamicky namáhaných součástí vedou ke vzniku únavových lomů.

 

Lomy lze rozdělit na:

 

Statický lom vznikne tehdy, je-li překročena mez pevnosti materiálu v některém průřezu. Vzhled lomové plochy statického lomu se mění podle vlastností materiálu a způsobu namáhání. Nejčastěji dochází k lomům vyvolaným ohybovým namáháním. Lomová plocha takového statického lomu je přibližně rovinná a kolmá na směr napětí. Její povrch je zrnitý, drsný, hrubší nebo jemnější v závislosti na velikosti zrna materiálu. Vzhled celé lomové plochy je stejný (nedojde-li k druhotnému poškození lomové plochy např. vzniklými rázy).

Statické lomy vyvolané namáháním v krutu mají lomovou plochu typicky šroubovitou u houževnatějších materiálů a jehlicovitě roztříštěnou u tvrdších materiálů. Statické lomy vyvolané kombinovaným namáháním (krut a ohyb) mají i lomovou plochu komplikovanějšího tvaru, který se blíží k tvaru typické lomové plochy převládajícího namáhání.

 

Únavový lom vznikne tehdy, je-li překročena mez únavy materiálu. V místě povrchu, kde dochází ke koncentraci napětí, vznikne po určitém počtu cyklů zárodek trhliny. Pokračujícím proměnlivým zatížením se střídavě "otevírá" a "zavírá" a šíří se do hloubky materiálu. Tímto otevíráním a zavíráním se povrchy vyhladí až vyleští, dostávají typický lasturovitě vyhlazený vzhled. Jak se tato únavová oblast vznikajícího lomu rozšiřuje, zmenšuje se nosný průřez součásti až napětí vyvolané okamžitým zatížením překročí mez pevnosti a součást se ve zbývajícím průřezu zlomí statickým lomem. Lomová plocha únavového lomu má tedy dvě typické, vzhledově odlišné oblasti:

 

Podle tvaru jednotlivých oblastí únavového lomu a podle poměru jejich velikosti lze zpětně soudit na podmínky namáhání, za kterých ke vzniku únavového lomu došlo. To má velký význam pro posouzení případných opatření s cílem zabránit opakování poruchy, tj. pro rozhodnutí zda je možné a účelné snažit se o zlepšení provozních podmínek nebo zda příčina leží mimo možnosti provozovatele stroje.

Únavový lom vzniká od místa s největší koncentrací napětí, zpravidla tahového. Šíří se popsaným způsobem. Čím pomalejší je rozvoj únavové trhliny (únavové oblasti lomu), tím více se povrch vyhladí až vyleští. Tedy lomy s velmi hladkým povrchem únavové oblasti se rozvíjely dlouho. To svědčí také o malém zatížení, popř. o dostatečném dimenzování až předimenzování součásti. Čím menší část celkové lomové plochy připadá na únavovou oblast, tím větší zřejmě bylo zatížení součásti, popř. tím menší její dimenzování. Přehled typických případů únavových lomů je na obr. 7.

Pro případy namáhání s převažujícím tahem nebo ohybem je typická rovná (rovinná) lomová plocha, kolmá k ose součásti. V případě, že převažujícím namáháním je krut nebo krut s ohybem, vzniká únavový lom zcela analogicky. Lomová plochy však není rovinná, ale má složitý obecný tvar. Při namáhání čistým střídavým nebo míjivým krutem vzniká únavový lom se šroubovou plochou, při namáhání krutem stálého směru nebo jen s malou míjivou složkou vzniká únavový lom s kuželovou plochou, při kombinovaném namáhání krutem a ohybem vzniká plocha blízká uvedeným případům ale posunutá vzhledem k ose součásti. Je-li navíc materiál méně plastický, je povrch statické části lomové plochy roztříštěn.

 


 

Obr. 7    Schematické znázornění typických případů únavových lomů
Statická část lomové plochy je vyšrafována.

V prvním sloupci je znázorněno převládající zatížení.

Ve druhém sloupci je vzhled lomové plochy únavového lomu, který se začal rozvíjet z bodové vady na povrchu součásti, přičemž zatížení součásti bylo velké.

Ve třetím sloupci se únavový lom začal rozvíjet z bodové povrchové vady, přičemž zatížení součásti bylo malé.

Ve čtvrtém sloupci se únavový lom začal rozvíjet z obvodové povrchové vady součásti, přičemž zatížení bylo velké.

V pátém sloupci se únavový lom začal rozvíjet z obvodové povrchové vady součásti, přičemž zatížení bylo malé.

V prvém řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných míjivým tahem nebo tlakem; příklad: oškrty sbíječek.

V druhém řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných míjivým ohybem; příklad: čep nepoháněného kola automobilu.

V třetím řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných střídavým ohybem; příklad: páky nebo ramena, převádějící rotační pohyb na posuvný.

Ve čtvrtém řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných ohybem za rotace; příklad: hřídel na který působí tah řemenu.

V pátém řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných krutem a ohybem, přičemž převládá ohybové namáhání; příklad: hřídel hnacího kola automobilu.

V šestém řádku jsou znázorněny únavové lomy součástí namáhaných krutem a ohybem, přičemž převládá namáhání krutem; příklad: torsní tyče pérování automobilu.

 

7  Ostatní poškození součástí

 

Kromě uvedených, nejčastějších a obvykle poměrně zřetelných poškození součástí dochází i k jiným, někdy méně zřetelným poškozením. Jako příklad lze uvést:

 

* * * * *

 

Jednotlivé zde popsané druhy poškození strojních součástí jsou typické případy, které se v technické praxi vyskytují spíše výjimečně, většinou pouze tehdy, jestliže naprosto dominuje některá z příčin, která má uvedený případ poškození za následek. To je ovšem spíš výjimečný případ, většinou jsou jednotlivé působící vlivy zhruba srovnatelné úrovně, takže se projeví všechny společně. To pak vede k tomu, že poškození buď nemá výrazné znaky jednoho typu, anebo má typické znaky odpovídající různým druhům poškození současně. Často také dochází ke změně mechanismu poškození jedné součásti v čase. Při zkoumání takové poškozené součásti lze spolehlivě rozeznat pouze poslední převládající mechanismus poškození, který ovšem nemusí být skutečnou prvotní příčinou poruchy.

 

Jestliže se však kromě vlastního poškození součásti vezmou v úvahu také provozní podmínky ve kterých součást pracovala a celková doba jejího provozu, případně poznatky z provozu obdobných součástí či zařízení, lze s poměrně velmi dobrou pravděpodobností určit vlastní technickou příčinu selhání součásti a případně předejít jeho opakování.