MAE 493N 593T Lec11

23
“Tribology in Mechanical Engineering” MAE 493N/593T Dr. Konstantinos A. Sierros West Virginia University Mechanical & Aerospace Engineering ESB Annex 263 [email protected]

Transcript of MAE 493N 593T Lec11

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 1/23

“Tribology in Mechanical Engineering”MAE 493N/593T

Dr. Konstantinos

 A.

 Sierros

West Virginia University

Mechanical & Aerospace Engineering

ESB Annex

 263

[email protected]

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 2/23

Wear

• Introduction‐Definition and measurement of  wear

‐Classification of  wear

• Mechanisms of  wear

‐Seizure

‐ Melt wear

‐ Oxidation‐dominated wear

‐ Mechanical wear processes

‐Fatigue

 wear

 in

 rolling

 contacts

‐ Fretting and corrosion wear

‐ Erosive wear

• Third bodies and wear

‐Wear

 by

 abrasive

 contaminants

‐ Interfacial ‘third’

 bodies

‐ Debris analysis

• Further reading

http://www.engineering.leeds.ac.uk/ietsi/Research_Projects/Lubricant‐surface.shtml

DLC coating wear track in oil lubricated conditions

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 3/23

Abrasive wear

 During abrasive wear harder asperities/harder particles trapped

 at the interface 

damage the

 other

 surface

 If  both surfaces are soft, the hard particles can be contaminants from the outside 

environment

• The hard particles can be formed in‐situ by oxidation

• Chemical or

 mechanical

 processes

 can

 produce

 hard

 particles

 Abrasion takes place because the counterface is both rough and intrinsically 

harder than the wearing component

 If 

 particles

 are

 entrapped

 within

 the

 contact

 boundaries

 the

 situation

 is

 known

 as

 

three‐body  abrasion 

Wear mechanisms

Three‐body abrasionTwo‐body abrasion

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 4/23

Wear mechanismsAbrasive wear

 The surface topography during abrasive wear consists of  long parallel grooves 

running in

 the

 sliding

 direction

http://maxxtorque.com/dieselcommunity/winter‐2009/oil‐bypass‐filtration‐system‐for‐lmm‐dmax

• Volume and

 size

 of 

 grooves

 varies

 from

 light

 scratching

 up

 to

 severe

 scratching

• Abrasive wear accounts for up to 50% of  wear problems

 The rate of  damage to a surface in three‐body abrasion is relatively insensitive to 

the hardness of  the particles if  they are at least 20% harder than the surface itself  

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 5/23

Wear mechanismsAbrasive wear

 The most common contamination in industry comes from quartz or silica 

minerals (60%

 of 

 Earth’s

 crust)

 These particles have hardness around 8 GPa

 and they can damage hardened 

steel components (7‐8 GPa

 hardness) 

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 6/23

Abrasive wear

 During abrasive wear (using an equation of  the same form as Archard’s) the 

volumetric loss of  a material is proportional to the distance slid and the intensity 

of  loading 

If: Abrasive wear resistance = (wear volume)‐1

Then, Abrasive wear resistance is proportional to Hardness 

Wear mechanisms

This has been confirmed experimentally in the early 1950s

(Kruschov

 1957)

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 7/23

Wear mechanisms

Kruschov

 1957

Abrasive wear resistance is proportional to Hardness

Two‐body abrasion

(a)Pure metals

(b)Steels with varying 

compositions and heat 

treatments

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 8/23

Wear mechanismsKruschov

 1957

Abrasive wear resistance is proportional to Hardness

 In such experiments specimens of  each material in the form of  cylindrical pins 

are rubbed against abrasive paper/cloth carrying SiC or quartz particles

 Relative wear resistance is equal to wear volume of  

the sample divided by that of  some standard material 

tested under the same conditions

 Relative wear resistance of  a range of  pure metals is 

proportional to hardness

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 9/23

Wear mechanisms• For alloys the situation is more complicated

•  Steels 

of  

different 

compositions 

and 

heat 

treatments 

(i.e. 

different 

hardnesses) 

exhibit linear relationships but of  different slopes from that of  pure metals

• This is attributed to details in the microstructures of  such alloys

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 10/23

Wear mechanisms

 Models of  abrasive wear always assume that the deformations of  the harder 

surface are

 negligible

 compared

 to

 those

 of 

 the

 softer

 surface

 They are also based on a single hard asperity moving across a softer previously 

unreformed surface

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 11/23

Wear mechanisms

 A conical asperity of  semi‐angle 90o

  –

 θ

 carrying a normal

 load

 W indents

 a soft

 

surface to depth h

 θ

 represents the ‘average’

 roughness of  

the abrading surface

 If 

 the

 asperity

 starts

 sliding,

 the

 wear

 rate

 

will be given by;

ϑ cot2×= hw

The depth h can be related to hardness H and the normal load W can be expressed in 

terms of  h and H as follows;

 H hW  ××=2)cot(

2

ϑ π 

And finally;

 H 

w ×=π 

ϑ tan2

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 12/23

Wear mechanisms

 H 

w ×=π 

ϑ tan2

This is like Archard’s equation 

K (Wear coefficient)

The above suggests that rougher surfaces (larger θ) will exhibit larger K and thus 

more wear damage

• However, the simple equation overestimates the wear observed in

 reality

• If  we set θ=1o  , the predicted value of  K is around 0.01

In reality, measured values of  K in two‐body abrasion of  metals are observed to lie 

in the

 range

 of 

 5x10‐

3

  –

 50x10‐

3

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 13/23

Wear mechanisms

 The discrepancy between predicted and measured values of  K is due to our 

assumption that

 all

 material

 from

 the

 groove

 is

 lost

 from

 the

 surface

 In an actual fact, experimental observation showed that some

 material is 

actually detached (due to microcutting) while the remainder is piled up at the 

wear track edges (due to ploughing) 

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 14/23

Wear mechanisms

•If  we attempt to model the asperity as a symmetrical pyramid then we can have 

only some

 material

 lost

 from

 the

 surface

 The extent of  subsurface deformation can be  judged form the extent of  the 

wedge/prow of  material in front of  the leading edge

h

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 15/23

Wear mechanisms

•The material in the ridges does not contribute greatly to wear because it is not 

detached 

from 

the 

surface•

 The relative volumes appearing in the ridges and the produced chips depend 

on the geometry of  the hard asperity

 In the symmetrical pyramid case the geometry is described by angles ψ

 and φ

 as 

shown 

in 

figure 

5.8b

Angle between leading edge and direction of  

motion is called attack angle

 ψ

Angle at the base of  pyramidal asperity (2φ) is 

called dihedral angle

If  the

 attack

 angle

 exceeds

 some

 critical

 value

 ψc 

, there is a significant contribution to wear 

by micromachining

If  the angle is less than the critical value, the 

process is

 dominated

 by

 ploughing

 or

 rubbing

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 16/23

W h i

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 17/23

Ploughing: The surface topography is much modified but a small proportion 

of  the displaced material is actually detached from the surface

Micromachining: 

much 

higher 

proportion 

of  

the 

plastically 

deforming 

material is lost as wear debris

Wear mechanisms

Wear mechanisms

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 18/23

Wear mechanismsTransition from ploughing to micromachining

•The dihedral angle can also influence the wear mode

• If  2φ

 is small, the asperity is like a knife cutting through the surface

• As φ

 increases

 the

 asperity

 gets

 ‘bluffer’

 When 2φ=180o  the asperity will be moving with one of  its flat faces forward 

rather than with one of  its edges 

 The 

effect 

of  

both 

angles 

is 

illustrated 

on 

the 

wear‐

mode 

diagram 

above

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 19/23

Wear mechanismsSli li fi ld

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 20/23

ea 

ec a s sSlip‐line field

• Fig 5.10a shows a slip‐line field for this deformation mode

 If  friction between the hard asperity and the deforming surface

 is high, the 

plastic wave

 may

 shear

 off 

 from

 the

 surface

 along

 the

 path

 AB

 (Fig

 5.10b)

 When one prow has been removed as a wear fragment the indenter digs once 

more and the process restarts

 Larger values of  attack angle ψ

 favour cutting. h is depth of  presentation of  the 

asperity into

 the

 softer

 surface

 (Fig

 5.10c)

Wear mechanismsUpper bound approach

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 21/23

 Upper bound approach

• The 3D aspect of  the problem is maintained in this case

• Forces and geometry are related

• Indenter is assumed to be rigid and the abraded material to be perfectly plastic

• The material flows at a constant shear stress h

 This approach is also challenging but it has been shown that reasonable 

agreement 

between 

theory 

and 

experiment 

can 

be 

achieved‐Mainly for the transition from ploughing to micromachining

‐ And the magnitude of  the tangential force

Wear mechanisms

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 22/23

 

In reality…

• A wear  surface is  formed  as a result  of  many  wear  events

• These wear  events  follow  one another  during the lifetime of  the

 component 

• The interaction of  individual  wear  events is not  well  understood  to date

 There

 is

 no

  fully 

 satisfactory 

 way 

 of 

  predicting

 abrasive

 wear 

 rates

 (component 

 

lives) in terms of  their  initial  surface geometry/topography  and 

 material   properties

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec11

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec11 23/23

Summary

• Wear mechanisms

 Abrasive wear