سایش چیست ؟ انواع سایش و مکانیزم های آن

یکی از اساسی ترین مشکلاتی که در صنعت با آن مواجه بوده و رفع آن داشتن اطلاعات کاربردی دقیقی را طلب میکند پدیده سایش می باشد. سایش به طورکلی بصورت از بین رفتن مواد به علت تماس و درگیری سطح با عامل خارجی تعریف می‌شود. معمولا معیار اندازه گیری سایش، مقدار کاهش وزن در برابر انجام پدیده سایش است. مقاومت در برابر سایش یک ویژگی ذاتی مواد نیست بلکه به ساختار ماده و شرایط کارکرد آن وابسته است. لغزش یک ماده یا یک سطح روی سطحی دیگر که در واقع یک کار مکانیکی محسوب می شود باعث کنده شدن ذرات موجود در سطح گشته و سایش سطحی را بوجود می آورد. اغلب فرآیندهای سایشی در اثر برش یا تراش بوجود می آیند مثلاً در اثر عملیات ماشینکاری، یک وسیله ساینده در سطح فلز فرورفته و باعث کنده شدن ذرات سطح می گردد.براده هایی که از محل سایش بدست می آیند حاوی ذرات بسیار ریزی هستند که از قلم تراش درحین عملیات ماشین کاری جدا می شوند. در این مقاله از سخت آرا به معرفی این که سایش چیست  و مکانیزم های آن می پردازیم

 جهت انجام پدیده سایش لازم است سختی فلز ساینده از فلز تحت سایش بیشتر باشد در غیر اینصورت پدیده سایش شبیه خوردگی و اکسیداسیون بوده و سایش ناچیزی بوجود خواهد آمد.عوامل مؤثر برسایش به دو دسته متالورژیکی و کاربردی تقسیم می شوند که ،سختی ،چقرمگی ساختار میکروسکوپی و ترکیب شیمیایی را از عوامل متالورژیکی و نوع ساینده و مشخصات آن سرعت روش و نوع بارگذاری را از عوامل کاربردی می توان نام برد.

سایش چیست ؟ انواع سازوکارهای سایش

سایش به فرآیندی گفته می­ شود که در آن ماده­ ای از یک یا دو سطح جامد که با یکدیگر در تماس هستند، جدا شود. پدیده سایش زمانی اتفاق می­افتد که سطح جامد در مواجه حرکت با لغزش یا نورد با یکدیگر قرار گیرند. بنابراین سایش به فرآیندی اطلاق می­ شود که در اثر تماس دو سطح به‌صورت مالشی جامد به یکدیگر موجب جدا شدن موادی از آن می­ شود [۱]. در شکل ۱ عوامل موثر در پدیده سایش را به تصویر کشیده است.

در تعریف دیگر، سایش به تخریب تدریجی شامل کاهش مواد که روی سطوح، اطلاق می­شود که در اثر حرکت اجزای کار به وجود می‌آید. لذا پدیده سایش به موارد ذیل وابسته است:
• هندسه سطح
• نیروی اعمالی
• سرعت حرکت و سایش
• شرایط محیطی
• خواص شیمیایی، حرارتی و مکانیکی
• خواص شیمیایی، حرارتی و فیزیکی روان­ کننده­ ها

شکل ۲ پارامترهای مهم تریبولوژیکی در مناطق مختلف پوشش را به خوبی نشان می­ دهد.

 

چهار منطقه سایش و خصوصیاتی از آن که بایستی در نظر گرفت، عبارتند از:
منطقه ۱ (سطح خارجی پوشش): زبری، پایداری شیمیایی و استحکام برشی
منطقه ۲ (خود پوشش): سختی، الاستیسیته، چقرمگی، پایداری حرارتی و هدایت حرارتی
منطقه ۳ (فصل مشترک پوشش و زیرلایه): چسبندگی و استحکام برشی
منطقه ۴ (زیرلایه): انبساط حرارتی، الاستیسیته، چقرمگی، سختی و هدایت حرارتی

انواع حالت مختلف تماسی در شرایط سایش در شکل ۳ آمده است که به ترتیب عبارتنداز تنش­های تماسی، لغزشی، خستگی سطح، نوسانی، خراشان، ضربه­ ای و خوردگی است. لذا سایش از تنوع بالایی برخوردار است که در کاربردهای صنعتی یک یا چند مورد از آن ها اتفاق می­ افتد

در تماس­ های تریبولوژیکی، سایش به­ دلیل تعامل بین دو سطح در تماس با یکدیگر ایجاد می­ شود و به معنی حذف تدریجی مواد سطح یا از بین رفتن مواد است. سازوکارهای مهم و اصلی در پدیده سایش می­ توانند خراشان۱، چسبان۲، خستگی۳، تریبوشیمیایی۴، نوسانی۵ و فرسایشی۶ باشند. به­ طور معمول ترکیبی از سازوکارها سایش در تماس دو جسم بوجود می­ آید. بین اصطکاک و سایش رابطه متقابل برقرار است. اغلب اصطکاک کم باعث ساییدگی کم می­شود. با این حال، این یک قاعده کلی نیست و پژوهش­ هایی نیز وجود دارد که علی­رغم اصطکاک کم، میزان سایش زیاد را گزارش داده است. بنابراین در ادامه انواع فرآیندها و سازوکار‌های سایش و علل آن­ ها آورده شده است

۱- سایش چسبان

سایش چسبان به معنای آسیب ناشی از سطح است که دو جسم بدون حضور عمدی ماده ساینده در کنار هم قرار بگیرند. غالباً سطح پوشش­ هایی که توسط فرآیندهای لایه­ نشانی تولید می­ شوند، کاملاً صاف نبوده و دارای یکسری برجستگی­ هایی است. بنابراین ممکن است درگیری قطعات با یکدیگر در نقاط خاصی صورت گیرد که تنش­ های زیادی در آن قسمت­ها ایجاد می­ کند. لذا موجب تغییر شکل پلاستیکی و ایجاد اتصالات موضعی می­شود. در نتیجه، این سایش زمانی رخ می­دهد که لغزش موضعی بین دو سطح درگیر موجب گسیختگی اتصال و نهایتاً انتقال ماده از یک سطح به سطح دیگر شود (طرح­واره در شکل ۴ الف). گسیختگی اتصالات در فصل مشترک و یا در حالت حادتر در عمقی از محل اتصال به­ طور مداوم صورت می­ گیرد. لذا منطقه تماس واقعی شامل تمام مناطق جوش داده شده در سطح و در هنگام لغزش، باعث حذف مواد در ساییدگی می­ شود که می­تواند به­ عنوان کاهش حجم یا کاهش وزن اندازه گیری شود. با این حال، سایش چسبان از سازوکارهای رایج در آزمون­ های سایش می­ باشد [۲].

۲- سایش خراشان

سایش خراشان (یا ساینده) هنگامی رخ می­ دهد که مواد سخت در برابر مواد نرمی قرار گیرد و تغییر شکل پلاستیکی قابل­ توجهی را در مواد سطح ایجاد می­ کند. این سازوکار به سایش دوسطحی معروف است. همچنین ذرات سخت­ تر وارد تریبوسیستم شود، سایش نیز رخ می­ دهد. هنگامی که ذره به هیچ سطح متصل نشده باشد، تحت عنوان سایش سه­سطحی شناخته می­شود. اما اگر ذرات وارد شده به یکی از سطوح متصل شود، به­ عنوان سایش دوسطحی درنظر گرفته خواهد شد. برجستگی­ های خرد شده سخت و تیز و ذرات سخت در سطح نرم فرورفته و منجر به ایجاد جریان پلاستیک بر سطح سخت­ تر می­شود. در نتیجه، امکان ساییده شدن ماده سخت­تر در تماس این دو سطح وجود دارد. به­ هر حال سطحی که سخت­تر است، مانند عمل شخم­ زدن سطح مقابل را تحت خراش قرار داده و یکسری شیارهایی را از خود باقی می­ گذارد (شکل ۴ ب) [۲].

۳- سایش خستگی سطحی

سایش خستگی عمدتاً در قالب­ ها و ابزارهایی که تحت بار اعمالی متناوب با دامنه کم قرار دارند مانند غلطک نورد، بوجود می­ آید. بارگذاری­ های مکرر باعث ایجاد ترک­ های ریز در زیرسطح و در نقاط ضعیف مانند ناخالصی­ ها و ذرات فاز دوم می­شود. در فرآیند بارگذاری و باربرداری­ های متناوب، میکروترک­ ها رشد کرده و حفرات به­ هم می­ پیوندند. وقتی ترک­ها به اندازه بحرانی برسد، تغییر مسیر داده تا به سطح برسد و ذرات ورقه­ای صاف از سطح جدا می­شود که به سایش ورق ه­ای۱ موسوم است. اگر ذرات جدا شده بزرگ باشد، به­ صورت پوسته­ پوسته­ ای شدن۲ شناخته می­شود. هنگامی­ که بارگذاری نرمال با لغزش ترکیب شود، مکان تنش برشی حداکثر به سمت سطح حرکت کرده و ترک خستگی ممکن است سپس از عیوب سطحی تشکیل شود [۲]. طرح­واره­ای از سازوکار سایش خستگی در شکل ۴ ج آمده است.
برای کاهش سایش خستگی، بایستی از تنش­ ها داخلی و خارجی جلوگیری شود و یک پیوند قوی بین زمینه و ذرات فاز دوم ایجاد نمود. یک عارضه دیگر که در فرآیندهای دما بالا ایجاد می­شود، جایی است که گرمای ناگهانی ایجاد شده و سبب انبساط پوشش و نیز بین پوشش و زیرلایه تنش تولید می­ شود. بعد از تماس، سرد شدن آن، تنش مجددی به سطح اعمال می­ کند. لذا در کنار فشارهای ناشی از بارگذاری، خستگی حرارتی اتفاق می­ افتد که در نتیجه شبکه موزاییکی­ شکلی از ترک در پوشش ایجاد می­ شود [۳].

۴- سایش تریبوشیمیایی

در سایش تریبوشیمیایی، فرآیند سایش تحت تأثیر واکنش­های شیمیایی که در تماس قرار داشته و در نتیجه مواد مصرف می­ شود. در اینجا، شرایط محیطی در ترکیب با سازوکارهای مکانیکی دیگر از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا عامل شیمیایی مانند نفوذ و انحلال، به­ خودی­ خود سازوکار سایش نیست، بلکه همیشه در ترکیب و تعامل با سایر سازوکارهای سایش می­ باشد (شکل ۴ د). بنابراین هر وقت در خصوص سازوکارهای مختلف مکانیکی سایش صحبت می ­شود، بهتر است اثرات شیمیایی که باعث تغییر در خواص مواد سطح در تماس می­ شود، به ­عنوان یک پارامتر موثر اضافی در نظر گرفته شود [۲].

۵- سایش نوسانی

سایش نوسانی هنگامی به وقوع می­ پیوندد که دو سطح در حال تماس تحت بارهای اعمالی حرکت مماسی و نوسانی با دامنه کم نسبت به یکدیگر داشته باشند و لغزش بواسطه تنش­های ارتعاشی یا سیکلی ایجاد شود. دامنه نوسان در عمل بین ۲۰ الی ۴۰۰ میکرون می­باشد در حالی که در سایش خستگی، بخش وسیعی از قطعه درگیر می­شود. این پدیده گاهی با خوردگی و اکسیداسیون همراه می­ باشد [۲].

۶- سایش فرسایشی

در پدیده فرسایش، برخورد عامل خارجی بر سطح جامد است که موجب تخریب سطح می‌شود و به­ عنوان فرسایش مواد و ترکیبات معروف است. در پدیده فرسایش، فشار ایجاد شده به سطح به­ دلیل تغییر سرعت ناگهانی ذرات جامد، مایع و یا هوا است. انواع فرسایش در ذیل آمده است:

۱. فرسایش ذرات جامد: تخریب سطح به­ وسیله برخورد ذرات جامد می­باشد که این ذرات به­ وسیله گاز یا سیال حمل می­شود. مانند سایش بال­های بالگرد با برخورد ذرات گردوخاک (شکل۵ ).
2. فرسایش قطرات مایع: تخریب سطح به­واسطه برخورد قطرات مایع اتفاق می­ افتد، مانند فرسایش داخل لوله­ ها که در مسیر انحنا قرار دارند.
3. فرسایش کویتاسیونی: تخریب سطح در یک جریان مایع به­ وسیله تولید و برخورد حباب­ های هوا به سطح قطعه اتفاق می ­افتد، مانند پروانه پمپ آب [۲].

[۱] I. Hutchings, P. Shipway, Tribology; Friction and Wear of Engineering Materials, Second Edi, Matthew Deans, India, 2016.
[۲] K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology; Properties, Mechanisms, Techniques and Applications in Surface Engineering, Second Edi, Elsevier, 2009.
[۳] C. Mitterer, F. Holler, F. Üstel, D. Heim, Application of hard coatings in aluminium die casting – soldering, erosion and thermal fatigue behaviour, Surf. Coatings Technol. 125 (2000) 233–۲۳۹. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00557-5.

مرجع: کتاب مهندسی نانوپوشش سخت و مقاوم، نوشته دکتر حسن علم خواه، انتشارات دانشگاه بوعلی سینا.