Degradačné vplyvy na technické materiály PDF

= trvalá nežiaduca zmena povrchu alebo rozmerov pevných telies spôsobená vzájomným pôsobením funkčných povrchov, alebo funkčného povrchu a média, ktoré opotrebenie vyvoláva - prejavuje sa mechanickým odstraňovaním alebo premiestňovaním častíc z opotrebovávaného povrchu,...

= trvalá nežiaduca zmena povrchu alebo rozmerov pevných telies spôsobená vzájomným pôsobením funkčných povrchov, alebo funkčného povrchu a média, ktoré opotrebenie vyvoláva - prejavuje sa mechanickým odstraňovaním alebo premiestňovaním častíc z opotrebovávaného povrchu, prípadne za spolupôsobenia iných vplyvov (chemických, elektrochemických a pod.) Mierou opotrebenia je nielen úbytok materiálu, ale aj celková zmena kvality, prípadne tvaru funkčného povrchu súčiastky Opotrebenie zhorší funkciu súčiastky a môže viesť k jej predčasnému vyradeniu alebo k úplnému porušeniu O priebehu opotrebovania spolurozhoduje: 1. materiál súčiastky 2. kvalita funkčných povrchov 3. vlastnosti prostredia medzi funkčnými povrchmi 4. relatívny pohyb funkčných povrchov 5. zaťaženie 6. množstvo a vlastnosti čiastočiek vznikajúcich pri opotrebovávaní kovov - základné druhy opotrebenia podľa STN 01 5050: 1. adhézne opotrebenie, 2. abrazívne opotrebenie, 3. erózne opotrebenie, 4. kavitačné opotrebenie, 5. vibračné opotrebenie (fretting), 6. kontaktná únava - kontaktné opotrebenie funkčných povrchov, ktoré sú vo vzájomnom relatívnom pohybe - medzi povrchmi vznikajú väzby medzi atómami (mikrospoje), ktoré sa pôsobením vzájomného pohybu trúcich sa povrchov následne porušujú – vytrhávajú sa čiastočky z niektorého povrchu - v praxi sa trúce povrchy oddeľujú povlakom maziva, chemickými filmami,... Pri porušení povlaku (zvýšená teplota, tlak, rýchlosť pohybu,...) vzniká tzv. adhézny oter - podľa spôsobu mazania sa delí na: 1. adhézne opotrebenie bez maziva 2. adhézne opotrebenie s nesúvislou vrstvou medzi povrchmi súčiastok - správna voľba dvojice materiálov – kovové dvojice nesmú vytvárať navzájom tuhé roztoky - povrchová úprava (difúzne sulfonizovanie, nitridovanie, karbonitridovanie,...) - vo všeobecnosti je treba použiť rôzne materiály a zvýšiť povrchovú tvrdosť danej dvojice súčiastok 50 µm - vzniká oddeľovaním čiastočiek z materiálu súčiastky ryhovaním alebo rezaním voľnými tvrdými časticami, alebo tvrdým a nerovným povrchom druhej súčiastky - odstránená časť materiálu pri vzájomnom pohybe súčiastok sa nazýva objemový oter - môže vzniknúť aj z iných druhov opotrebenia, ak sa pritom tvoria voľné, dostatočne tvrdé častice (oxidy, deformačne spevnené čiastočky kovu) - nedá sa mu zabrániť, pretože medzi pohyblivými funkčnými plochami sa vždy nachádzajú nejaké čiastočky - môže minimalizovať použitím materiálov s porovnateľnou tvrdosťou s abrazívnymi čiastočkami - povrchové rozrušovanie materiálu tuhými čiastočkami unášanými prúdom kvapaliny alebo plynu, pričom erozívne pôsobí aj samotná kvapalina alebo para - vzniká nerovnomerné poškodenie povrchu = erozívne zvlnenie - závisí od: a) podmienok nárazu prúdiaceho média (uhol dopadu; rýchlosť, distribúcia a množstvo čiastočiek v prúde média) b) vlastností média a tuhých čiastočiek (veľkosť, tvar, druh a tvrdosť čiastočiek, druh a teplota média a jeho prípadný chemický účinok na povrchové vrstvy materiálu c) fyzikálnych, mechanických a štruktúrnych vlastností materiálu - môžu pôsobiť aj mäkšie čiastočky ako je materiál súčiastky, pretože sa vyznačujú vysokou kinetickou energiou pri dopade na povrch - veľkosť opotrebenia rastie so zvyšujúcou sa rýchlosťou, ale predovšetkým závisí od veľkosti, tvaru a tvrdosti erodovaného materiálu Požiadavky na materiál: 1. vysoká pevnosť základnej zložky 2. vysoký obsah malých tvrdých štruktúrnych zložiek (karbidy M7C3 a M4C3) 3. vhodný typ tepelného spracovania - erózna odolnosť pri malých uhloch dopadu čiastočiek = tvrdé kovové a nekovové materiály (tvrdé liatiny = biela liatina, kalené ocele = martenzitické vysokouhlíkové ocele, spekané karbidy = WC; TiC; TaC a korund, nauhličené a nitridované vrstvy, tvrdé návary, tvrdé galvanické vrstvy a pod.) pre veľké uhly dopadu čiastočiek = materiály s veľkou elastickosťou (guma) alebo kovy s veľkou húževnatosťou (vyžíhané ocele, húževnaté návary), ktoré dokážu absorbovať kinetickú energiu dopajúcich čiastočiek 112 113 - vzniká v prúdiacich kvapalinách bez tuhých čiastočiek - je zapríčinené hydrodynamickými rázmi pri zanikaní kavitačných dutín v prúdiacej kvapaline - kavitačné dutiny vznikajú pri zmenšení tlaku kvapaliny v určitých miestach, pri ktorom sa pri danej teplote dosiahne jej bod varu. Po vyrovnaní tlakov pri kondenzácii pár nastáva prudká implózia kvapaliny do dutiny. Veľkosť dutín je rádovo 10-2 cm a čas ich existencie je len niekoľko tisícin sekundy. Veľké tlakové rázy môžu spôsobiť miestne plastické deformácie v oblastiach veľkosti dutín, ktoré vedú najskôr k miestnemu poškodeniu a potom k vzniku jamiek – zväčšuje sa hĺbka, čím sa zmenšuje funkčný prierez súčiastky. - materiál má voči kavitačnému opotrebeniu určitú inkubačnú dobu, počas ktorej odoláva, potom sa rýchlosť poškodenia exponenciálne s časom zväčšuje - odolnosť sa zvyšuje vytvorením homogénnej povrchovej vrstvy - nerozhoduje vždy tvrdosť, častejšie je dôležitejšia húževnatosť a pružnosť povrchových vrstiev (veľmi tvrdé povrchy = menšie plastické deformácie) - vzniká pri cyklicky namáhaných súčiastkach (valivé trenie v prevodovkách; valivé ložiská; koľajniciach,...) = piting - pri vzájomnom styku povrchov súčiastok sa povrchové vrstvy elasticky deformujú, po dlhšom cyklickom namáhaní sa vytvárajú jemné trhlinky, ktoré sa šíria rovnobežne s povrchom. Tieto sú východiskom pre oddeľovanie čiastočiek materiálu z povrchu - z veľmi málo plastických materiálov (sklo, keramika, tvrdé povlaky,...) sa čiastočky oddeľujú mechanizmom krehkého lomu - možno ho zmenšiť: FN FT 1. zmenšením dotykového napätia 2. odstránením koncentrátorov napätia ťah tlak trhliny 3. zlepšením čistoty materiálu 4. zvýšením nosnosti povrchovej vrstvy materiálu, t. j. zvýšením povrchovej tvrdosti a pevnosti jadra 5. zlepšením kvality povrchu - vzniká vplyvom vzájomného kmitavého pohybu s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a premenlivom zaťažení súčiastok, ktoré sú v bodovom, čiarovom alebo plošnom dotyku - poškodenie sa prejavuje vytvorením veľmi tenkej vrstvičky oxidov na povrchu, ktoré ďalej spôsobujú abrazívne poškodenie povrchu - zmenšuje sa mazaním, použitím pružného medzičlena (guma, plasty) alebo zamedzením relatívneho pohybu dotýkajúcich sa povrchov Materiály = vibračné opotrebovanie závisí od výberu dvojice materiálov  = postupné znehodnocovanie materiálov, ktoré nastáva v dôsledku chemického, chemicko-fyzikálneho alebo biologického pôsobenia vonkajšieho prostredia Z hľadiska mechanizmu koróznych dejov: 1. – korózia v elektricky nevodivom prostredí 2. – korózia v elektricky vodivom prostredí (korózia v kvapalných elektrolytoch) Chemická korózia podľa druhu korózneho prostredia: 1. korózia v plynoch 2. korózia v neelektrolytoch 3. korózia metalurgická Elektrochemická korózia podľa druhu korózneho prostredia: 1. korózia vo vodných roztokoch 2. korózia v taveninách lúhov (hydroxidov) a solí a v tekutých kovoch 3. korózia vo vodách 4. korózia v pôde 5. atmosférická korózia 6. korózia bludnými prúdmi Podľa druhu korózneho porušenia kovu: 1. – rovnomerný úbytok materiálu po celej ploche 2. – napadnutie iba v určitých miestach a) škvrnitá b) bodová, jamková c) nitková d) podpovrchová e) selektívna f) medzikryštálová g) transkryštalická h) extrakčná i) korózia, prejavujúca sa vznikom trhlín a lomov (korózne praskanie) Nerovnomerné a škvrnité napadnutie - vplyv rozdielnych vlastností kovov, zloženia prostredia, zloženia koróznych splodín, rôzna rýchlosť transportu zložiek prostredia a splodín na rôznych miestach povrchu Jamkové a bodové napadnutie - je vyvolané miestnym zvýšením aktivity povrchu alebo koróznych splodín. Preniká do značnej hĺbky a povrch je zasiahnutý len na malej časti. - hĺbka jamkového napadnutia je menšia ako priemer jamky, u bodového naopak Nitkové napadnutie - prenikanie korózneho prostredia zriedkavým defektom v povlaku Podpovrchové napadnutie - porušenie vo vnútri kovu rozsiahlejšie ako na povrchu - začína v miestach najmenšej koróznej odolnosti a rozširuje sa pod povrchom za vzniku priestorovej dutiny Selektívne napadnutie - korózne je napádaná jedna štruktúrna zložka z viacfázovej štruktúry (odlišné chemické zloženie) Medzikryštálové napadnutie - vzniká pri rýchlejšej korózii hrany zŕn ako vlastného zrna Transkryštalické napadnutie - môže koróziou vznikať sieť značne rozvetvených trhliniek prechádzajúcich zrnami - vznikajú pôsobením vnútorných napätí, zmien štruktúr alebo subštruktúr Extrakčné napadnutie - korózne je napadnutá iba jedna chemická zložka zliatiny Korózne praskanie - porušovanie kovov pri súčasnom pôsobení statických tlakových napätí a korózneho prostredia - vznikajú trhliny zvyčajne kolmo na smer pôsobiaceho napätia (transkryštalicky alebo interkryštalický charakter) - závisí od chemických vlastností materiálu - je daná zmenou hrúbky vrstvy za určitý čas - priebeh oxidácie možno znázorniť: zmena hmotnosti ∆m parabolický (napr. Fe, Ni, Cu, Al, Co, Si) čas - mení sa s teplotou exponenciálne T3 T1 < T2 < T3 zmena hmotnosti ∆m T2 T1 čas - rastie so zvyšujúcim sa parciálny tlakom kyslíka - dochádza k nej v plynoch a nevodivých kvapalinách a je zvyčajne charakteristická vytváraním oxidickej vrstvy na rozhraní medzi kovom a prostredím - základná zložka v plynných prostrediach = kyslík (vznik homogénnej oxidickej vrstvy – ovplyvňuje rýchlosť ďalšej korózie) - charakteristickou črtou korózie v oxidačne pôsobiacich plynoch je tvorba iónových a valenčných zlúčenín na povrchu kovu - rýchlosť korózie je ovplyvnená kompaktnosťou (celistvosťou) oxidickej vrstvy! - určité druhy koróznych vrstiev zabezpečujú pre materiál koróznu ochranu - z redukujúcich plynných zložiek má najväčší význam - poškodenie vodíkom = rôzne druhy dočasných alebo trvalých zmien vlastností materiálov spôsobených vodíkom rozpúšťajúcim sa v kove: a) – spôsobuje ju atomárny H (znižuje tvárniteľnosť a je odstrániteľná žíhaním; -> nahromadením rekombinovaného H (molekulárny) na poruchách, póroch, trhlinách a pod. => praskanie a krehnutie ocelí) b) – vodík reaguje s uhlíkom za vzniku metánu (sústreďuje sa na hraniciach zrna = napätia) = oduhličovanie povrchu zŕn. Vyskytuje sa v chemickom priemysle (syntézy s vodíkom pri vysokých teplotách a tlakoch). Zabraňuje sa jej legovaním. c) – predovšetkým pri zliatinách Cu a Ni. Vzniká ak obsahujú kyslík v dôsledku reakcie rozpusteného vodíka a kyslíka vzniká vodná para. Dôsledkom je vznik trhliniek a praskanie. - podmienku spĺňa väčšina reakcií vo vodných roztokoch a v taveninách solí - mechanizmus je porovnateľný so zmenami v galvanickom článku - reakcia zahŕňa dva na sebe viazané procesy: 1. anódová reakcia = oxidácia kovu (vlastná korózia) 2. katódová reakcia = súčasná redukcia niektorej oxidujúcej zložky prítomnej v roztoku (= depolarizačná reakcia) Rozmiestnenie reakcií závisí od stavu povrchu (homogenita) a korózneho prostredia (zloženie roztoku, elektrická vodivosť). Nehomogénnosť materiálu a rozdiely v zložení roztokov na rôznych miestach spôsobujú, že rýchlosti reakcií nie sú všade rovnaké. = kov alebo zliatina neodoláva agresívnemu prostrediu = kov alebo zliatina odoláva agresívnemu prostrediu - vyskytuje sa iba pri dostatočne vlhkých atmosférach, v ktorých na povrchu kovov rôznymi mechanizmami vzniká vrstva elektrolytu - atmosféra vždy obsahuje určité množstvo vodných pár (vlhkosť) - prebieha intenzívnejšie v prítomnosti plynných alebo rozpustných tuhých nečistôt (malá prísada = min. 10x nárast koróznej rýchlosti) - korózna agresivita atmosféry pre materiály a povrchové úpravy je určená dobou a intenzitou činiteľov podnebia na 5 stupňov: 1. veľmi málo agresívna 2. málo agresívna 3. stredne agresívna 4. silne agresívna 5. veľmi silne agresívna