simulation of wear and friction

7/28/2019 Simulation of Wear and Friction

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W ES I M U L A T I O N O F

A R A N D F R I C T I O N

2 . 1 I N T R O D U C T I O NT h e a c c u r a t e s i m u l a t i o n o f f r i c t i o n a n d w e a r i s a r e c u r r e n t p r o b l e m i n t r i b o l o g i c a lr e se a r ch . A n i n d u s t r y m a y p r e s e n t a re s e a r c h e r w i t h t h e t a sk o f r e p r o d u c i n g ap a r t i c u l a r w e a r p r o b l e m u n d e r c o n t r o l l e d l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s t o f i n d t h e c a u s e so f w e a r a n d n e c e s s a r y r e m e d i e s . F o r e x a m p l e , s c u f f i n g is a p a r t i c u l a r m o d e o fa d h e s i v e w e a r c o m m o n l y o c c u r r i n g in g e a r s a n d if it is no t a c c u r a t e l y s i m u l a t e di n l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s l i tt le c a n b e l e a r n e d a b o u t h o w t o c o n t r o l i t. F ri c ti o n a n dw e a r m e c h a n i s m s , b e c a u s e o f t h e i r i n h e r e n t c o m p l e x i t y , n e c e s s i t a t e g r e a t c a r e i ne x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n . T h e i n v e s t i g a t o r n e e d s t o k n o w t h e a p p r o p r i a t e l e v e lso f c o n t r o l l in g p a r a m e t e r s f o r t h e s p e ci fi c e x p e r i m e n t t o b e p e r f o r m e d . F o re x a m p l e , w h a t i s a s u i t a b l e l e v e l o f l o a d t o b e u s e d i n th e e x p e r i m e n t s , 1 0 [ N] o r1 0 0 0 [ N ] ? W h a t i s a s u i t a b l e r a n g e o f s l i d i n g s p e e d s ? W h a t l e v e l o f t e m p e r a t u r es h o u l d b e s e l e c t e d ? W h i c h t y p e o f m a t e r i a l o r l u b r i c a n t s h o u l d b e t e s t e d a s b o t hm a t e r i a l s a n d l u b r i c a n t s a r e u s u a l l y i n t e n d e d f o r a l i m i t e d r a n g e o f c o n d i ti o n s ?W h a t t y p e o f m o t i o n i s i n v o l v e d ? T h e s e q u e s t i o n s a n d m a n y o t h e r s o f a s i m i l arn a t u r e c o n f r o n t t h e i n v e s t i g a t o r w h e n p l a n n i n g a l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t . U n l e s ss o m e s e l e c t i o n c r i t e r i a a r e a p p l i e d t o d e t e r m i n e t h e a p p r o p r i a t e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s , a n a r b i t r a r y c h o i ce o f e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s i s a l m o s t c e r ta i n . T h ep u r p o s e o f t h i s c h a p t e r i s t o d e s c r i b e t h e b a s i c p r i n c i p l e s r e l a t i n g t o t h e p l a n n i n go f t r i b o l o g i c a I e x p e r i m e n t s .2 .2 R E A L T R I B O L O G I C A L C O N T A C T S A N D T H E O B J EC T IV E O F T H E I RS T U D YI n a c t u a l t ri b o l o g i c a l c o n t a c t s c o m p l e x p h e n o m e n a t a k e p l a c e su b j e c t t oi n n u m e r a b l e i n f l u en c e s . C o m m o n e x a m p l e s a re an i n te r n a l c o m b u s t i o n e n g i n ea n d a t r a n s m i s s i o n o f a v e h i c l e . W e a r i n t h e p i s t o n r i n g s , c y l i n d e r l i n e r s a n de l s e w h e r e i n t h e e n g i n e a n d t r a n s m i s s i o n i s i n f l u e n c e d b y f a c t o r s s u c h a s r o a dc o n d i t i o n s , d r i v i n g h a b i t s , w e a t h e r , c h a r a c t e r i s t ic s o f l u b r i c a n t s u s e d a n d l e v e l o f


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14 EXPERIMENTALMETH ODS IN TRIBOLOGY

m a i n t e n a n c e . A n a l o g o u s p a t t e r n s o f b e h a v i o u r w i t h s im i l a r c o m p l e x i t y c a n b ef o u n d i n a n y i n d u s t r i a l m a c h i n e r y . B i o t r ib o l o g y p r o v i d e s e x a m p l e s o f e v e n m o r ec o m p l e x f o r m s o f w e a r a s t h o se f o u n d , f o r e x a m p l e , b e t w e e n o p p o s i n g s u r f ac e s o fs y n o v i a l j o i n t s a n d b e t w e e n e y e b a l l a n d i t s s o c k e t . I n t h o s e c a s e s , p a t h o l o g i c a lf a c to r s s u c h a s th e r e l e as e o f d e s t r u c t i v e e n z y m e s a n d o x i d i z i n g a g e n t s b y c e ll sc lose t o t he s l i d ing in t e r f ace can r ad i ca l ly ch ang e the co ur se o f we a r [ e.g. 1 ,2 ] .I n m o s t c a se s , t h e p u r p o s e o f a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n is n o t toc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e f r i c t i o n a n d w e a r o c c u r r i n g b u t t o i s o l a t e t h e e f f e c t s o fc e r t a i n c o n t r o l l i n g f a c t o r s t h a t a r e o f i n t e r e s t . M o s t f o r m s o f f r i c t i o n a n d w e a r a r es ti ll to o c o m p l e x t o b e r i g o r o u s l y a n a l y z e d a n d s o m e d e g r e e o f e m p i r i c i s m isn e a r l y a l w a y s n e c e s s a r y . T h e a r t o f t r ib o l o g i ca l e x p e r i m e n t a t i o n i s t o d e v i s e a ne x p e r i m e n t w h i c h i s n o t t o o e m p i r i c a l s o t h a t it s d a t a is c o m p r o m i s e d b y n o n -c a u s a l f a c t o r s s u c h a s e . g . w e a t h e r f l u c t u a t i o n s , b u t a t t h e s a m e t i m e m a i n t a i n sr e l e v a n c e t o r e a l p r o b l e m s . I n t e r m s o f p r a c t i c a l e x p e r i m e n t a t i o n , t h e o b j e c ti v e o fa n y t r i b o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o n i s t o s i m u l a t e t h e e f f e c t s o f a l l t h e c o m p l e x f a c t o r st h a t a r e a s s o c i a t e d w i t h f r ic t io n a n d w e a r b y a l i m i te d n u m b e r o f c o n t r o l la b l ee x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s t h a t h o p e f u l l y a r e c a u s a l l y r e l a t e d t o f r i c t i o n a n d w e a r .R e f e r r i n g t o t h e e x a m p l e o f t h e e n g i n e a n d t r a n s m i s s i o n , t h e c i r c u m s t a n t i a lf a c to r s su c h a s d r i v i n g h a b i t a n d w e a t h e r w o u l d b e i n t e r p r e t e d in t e r m s o f b a s icp a r a m e t e r s s u c h a s l o a d , s p e e d , t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y .I t i s n o t u s u a l l y d i f f i c u l t to d e t e r m i n e t h e b a s ic c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s , e .g .c o n t a c t s t r e s s, a m p l i t u d e o f s l i d in g , v e l o c it y , et c. , f o r a w e a r i n g c o n t a c t . O n c e t h ei n i ti a l s t a g e o f d e c i d i n g o n b a s i c p a r a m e t e r s c o n t r o l l i n g t h e f ri c ti o n a n d w e a r h a sb e e n c o m p l e t e d , t h e n e x t s t a g e i s t o e s t i m a t e s u i t a b l e v a l u e s o f t h e s e p a r a m e t e r st o b e u s e d i n th e e x p e r i m e n t s . I n s o m e s i t u a t io n s , h o w e v e r , it is im p o s s i b l e t om e a s u r e o r s et v a l u e s o f c o n t r o l l in g p a r a m e t e r s . T h i s p r o b l e m is u s u a l l y f o u n di n e x p e r i m e n t s s i m u l a t i n g w e a r a n d f r ic t io n o c c u r r i n g in ac t u a l i n d u s t r i a le q u i p m e n t , e . g . o p e n g e a r s , c o m b u s t i o n e n g i n e s , e t c . C a r e f u l s e l e c t i o n a n d u s e o ft r i b o m e t e r s ( f r i c t i o n a n d w e a r m e a s u r i n g d e v i c e s ) c a n a s s u r e t h e a c c u r a c y o f t h eo b t a i n e d d a t a a n d p r e v e n t m e a s u r e m e n t a n d c o n t ro l d i ff ic u lt ie s . A g e n e ra l g u i d et o d e t e r m i n i n g a p p r o p r i a t e v a l u e s o f c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s i s o u t l i n e d i n t h enex t s ec t ions .

2.3 C H A R A C T E R I Z A T I O N O F R E AL T R I B O L O G I C A L C O N T A C T ST h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a n y t r i b o l o g i c a l c o n t a c t v a r y a c c o r d i n g t o t h e i m p o s e dc o n d i t i o n s . I f a c lo s e s i m u l a t i o n o f a p r a c t ic a l w e a r s i t u a t i o n i s d e s i r e d t h e n i t i sn e c e s s a r y t o f u l ly c h a r a c t e r i z e t h e t r ib o l o g i c al c o n t a c t . C h a r a c t e r i z a t i o n m e a n st h a t a l l m a j o r c o n t r o l l i n g f a c t o r s a r e i d e n t i f i e d a n d g i v e n a s u i t a b l e v a l u e . T h e r ea r e a l a r g e n u m b e r o f c o n t r o l l i n g f a c to r s , f o r e x a m p l e , t h e l o a d o n a c o n t a c t i s a l s or e l a t e d t o p a r a m e t e r s s u c h a s c o n t a c t s t r e s s a n d t i m e v a r i a t i o n o f l o a d ( if a n y ) .S i m i l a r c o n s i d e r a t i o n s a p p l y t o t e m p e r a t u r e , s l i d i n g s p e e d , e t c . I n o r d e r t oa c h i e v e c l o s e m a t c h b e t w e e n t e s t a n d r e a l t r i b o l o g i c a l c o n t a c t , t h e o p e r a t i o n a l ,m a t e r i a l , e n v i r o n m e n t a l a n d l u b r i c a n t p a r a m e t e r s s h o u l d b e fu l ly c h a r a c t e r i z e d .T h e s u m m a r y o f m a i n p a r a m e t e r s n e c e s s a r y i n t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t r i b o l o g i c a lcon tac t s i s ou t l i ned in Tab le 2 .1 .


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Chapter 2 SIMULATION OF WE AR AND FRICTION 15

T a b l e 2 . 1 C o m m o n l y u s e d p a r a m e t e r s i n t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t r i bo l o g i c a lc o n t a c t s .

Basic param eter Related param etersLoad [NI Contact stress [Pa]Temporal v,'mation in load [dimensionless]Impa ct force [N] Oscillating load [N]Sliding speed [m/ s] Rolling speed [m / s]Average speed [m / s]Sliding / rolling ratio

Spinning spee d [rad / s]Impact speed [m/s]. = . Sliding distance [m] Am plitu de of reciprocating sliding [m],Frequency of reciprocating sliding [Hz],I~ Tem perature [K] Transient tempera ture [K] Bulk temperatu re [K]0 Surface ~ lish CLA [m] RMS value

, Typ e of contact Conformal Non-conformal 1

To t| .Me

~ Th~

~ a

Hardnes s [Pa or VHN] Microhardness [Pa or VHN]Shear strength [Pal Microstructure |Toughness [Paxm~ Limiting strain [dimensionless] Ave rage grain size [m] ,Melting poin t [K] Glass transition tem pera ture [K] Softening poin t [K] 1Thermal conductivity[W/mxKlElectrochemical potential

Grit hardnes s [Pa or V HN]and / or mineral type

Thermal diffusivity [m 2 s]Tem perature variationof conductivity.Exch,'mge current density [A /m 2]Potential [V]Ratio grit / substrate ha rdness

-Fhermal shock resistance [Specific heat [J/kgK ]Zeta potential [V]

,N

Size spe ctrum of grits [m] Shap e characteristics of grits Ktd,'mceFractal dimension Spike parame terAcidity of carrier fluid for slurries [pH}Relative humid ity [ ; ' , , 1 [ Absolute hum idity [ kg/ m 3]Local air pressure [Pa] i Partial pressure of oxyge n [Pa] and other active gasesRadiation level [Beq uere ls/m 2] (relevant to studies in nuclear enviro nm ents)Viscosity [Paxs] [ Pressure-viscositv coefficient [Pa-l]Flow rate [m3 s] [ Sup ply pres sure [Pal Sup ply velocity [m / s]The rmal conductivity ~ Thermal diffusivity [m2 s] Specific heat[W / mxK] Tem perature variation of conductivityAcidity [pill ' Chemical reactM ty [no fundamen tal parameter]Boiling point [K] Dipole mom ent [Debye]Solidification point [K]Heat of oxidation [J kgxmole]Water / oxygen solubility

T h e l is t o f p a r a m e t e r s p r e s e n t e d i n T a b l e 2 .1 i s n o t e x h a u s t i v e a s t h e r e w i l l a l w a y sb e s o m e o t h e r s p e c i a l i s e d p a r a m e t e r s f o r s p e ci f ic e x p e r i m e n t s . T h i s l a r g e n u m b e ro f p a r a m e t e r s i n v o l v e d h a s t w o f o l lo w i n g c o n s e q u e n c e s :


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16 EXPERIMENTALMETH ODS IN TRIBOLOGY

9 t h e p r o b a b i l i t y o f a c h i e v i n g g o o d c o m p a r a b i l i t y w i t h o u t a d e q u a t ec h a r a c t e r i z a t i o n o f m a t e r i a ls , e n v i r o n m e n t a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s isn e g l i g i b l e

9 a c o m p r e h e n s i v e te s t p r o g r a m c o v e r i n g al l v a r i a b l e s w o u l d r e q u i r e a ni m p o s s i b l y l a r g e r e s e a r c h e f f o r t h e n c e t h e d a t a a v a i l a b l e f r o m t h ee x p e r i m e n t s p r o v i d e s o n l y f r a g m e n t a r y i n f o r m a t i o n .

I t is w i t h i n t h i s s t r u c t u r e ( c o m p r i s i n g t h e p a r a m e t e r s l i s t e d i n T a b l e 2. 1)c o n t a i n i n g a v e r y la r g e n u m b e r o f d e g r e e s o f f r e e d o m t h a t a n i n v e s ti g a t i o n m u s tb e c a r e f u l l y p l a n n e d i n o r d e r t o o b t a i n t h e m e a n i n g f u l d a t a .

O p e r a t i n g P a r a m e t e r sC r i t e r i a f o r t h e s e l e c ti o n o f v a l u e s o f e a c h o f th e m a j o r o p e r a t i n g p a r a m e t e r s a r ed i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n .

Load and Contact StressL o a d ( n o r m a l l o a d ) is a p a r a m e t e r t h a t is f u n d a m e n t a l t o w e a r a n d f ri c ti o n. I tsm a g n i t u d e c a n r a n g e f r o m 1 [ ~ lN ] i n m i c r o s c o p ic c o n t a c t s a n d 1 [ m N ] f o rc o m p u t e r h e a d / d i s k i n t e r f a c e s t o 10 [M N ] f o r l a r g e b e a r i n g s w h i c h i s a 10 z3v a r i a t i o n i n s c a l e . I t i s e s s e n t i a l t o a c c u r a t e l y s e l e c t a v a l u e o f l o a d a s f r i c t i o n a n dw e a r m e c h a n i s m s a r e v e r y s e n s i t i v e t o i t . O n e o r m o r e t r a n s i t i o n a l p o i n t s i nw e a r r a t e s a r e o b s e r v e d w h e n t h e n o r m a l l o a d i s i n c r e a s e d [ 3 , 4 ] . I n t h e s i m p l e s tc a s e w h e r e t h e e x p e r i m e n t i n v o l v e s a w e a r i n g c o n t a c t w h i c h i s i d e n t i c a l i n s i z et o t h e o r i g i n a l w e a r i n g c o n t a c t, t h e s a m e v a l u e o f lo a d c a n b e u s e d . A n e x a m p l eo f t h i s p r a c t i c e i s i n a s t u d y o f t h e f r e t t i n g w e a r i n w i r e r o p e s w h e r e t w o w i r e s a r el o a d e d w i t h a f o rc e e q u a l t o t h e e s t i m a t e d c o n t a c t f o rc e b e t w e e n f l e xi n g w i r e r o p e s[ e . g . 5 - 7 ] . W h e n t h e c o n t a c t s i z e i s l a r g e r o r s m a l l e r t h a n t h e o r i g i n a l c o n t a c t t h e ni t i s n e c e s s a r y t o c o n s i d e r a p a r a m e t e r r e l a t e d t o t h e l o a d w h i c h i s t h e c o n t a c ts t r e s s ( p r e s s u r e ) . In m a n y e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d in t h e l a b o r a t o r y , t h e s i z e o f t h ec o n t a c t i s m u c h s m a l l e r t h a n i s f o u n d i n t h e p r a c t i c a l s i t u a t i o n s s o t h a t t h eo r i g i n a l v a l u e o f lo a d c a n n o t b e u s e d . A s a g e n e r a l r u l e t h e c o n t a c t s t r e s s i n t h ee x p e r i m e n t a l c o n t a c t s h o u l d c l o se l y a p p r o x i m a t e t o th e c o n t ac t s tr e s s f o u n d i np r a c t i c e . T h e v a l u e s o f t y p i c a l c o n t a c t s t r e s s e s r a n g e f r o m 1 0 0 [ k P a] f o r a e r o s t a t i cb e a r i n g s t h r o u g h 10 [ M P a] f o r s l id i n g u n l u b r i c a t e d w e a r c o m m o n l y f o u n d in t h ei n d u s t r i a l m a c h i n e r y t o 1 N 5 [ G P a] f o r r o l l in g c o n t a c t b e a r i n g s o r g e a r s. I t s h o u l db e n o t e d , h o w e v e r , t h a t s i m i l a r i t y i n c o n t a c t s t r e s s i s a n e c e s s a r y b u t n o t s u f f i c i e n tc o n d i t i o n f o r e x p e r i m e n t a l c o m p a r a b i l i t y a s e f fe c t s a s s o c i a t e d w i t h t h e g r o s sv a l u e o f l o a d c a n n o t e n t i r e ly b e e l i m i n a t e d . A f u n d a m e n t a l q u e s t i o n i s w h e t h e rt h e a m o u n t o f f r ic t io n a l p o w e r d i s s i p a t i o n i s a l so c o m p a r a b l e a n d t h is i s r e l a t e dd i r e c t l y t o l o a d n o t c o n t a c t s t r e s s .M a n y t e st s i n v o l v e o b s e r v a t i o n s o f w e a r c h a n g e s a s a r e s u l t o f l o a d v a r i a t i o no v e r a p e r i o d o f t im e . F o r e x a m p l e , a v e h i c l e o n a h il l y r o a d w i ll e x p e r i e n c ec o n t i n u o u s l y v a r y i n g e n g i n e l o a d . A l t h o u g h i t i s o f t e n i m p o r t a n t t h a t t h e l o a dv a r i a t i o n i n a n e x p e r i m e n t c l o s e l y f o l l o w s t h e p r a c t i c a l p r o b l e m s o m e d e g r e e o fs i m p l i f i c a t i o n i n t h e p a t t e r n o f l o a d v a r i a t i o n i n th e t e s t i s u s u a l l y a c c e p t a b l e ,e s p e c i a l l y i n c a s e s w h e r e t h e l o a d v a r i a t i o n i s c o m p l e x o r c h a o t i c .


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Chapter 2 SIMULATION OF W EA R AND FRICTION 17

T e s t s i n v o l v i n g i m p a c t a n d o s c i l l a t i n g f o r c e s c o n f o r m t o t h e s a m e r e q u i r e m e n t o fc l o s e a p p r o x i m a t i o n t o t h e f o r c e s f o u n d i n p r a c t i c e . W h e r e m i n i a t u r i z a t i o n o re n l a r g e m e n t o f t h e t e st c o n t a c t a re a c o m p a r e d t o th e o r i g i n a l c o n t a c t is r e q u i r e d ,c o m p a r a b i l i t y o f c o n t a c t s t r es s n e e d s t o b e a p p l i e d . I m p a c t f o r c e s a re a s s o c i a t e dw i t h a n i m p a c t e n e r g y w h i c h a l s o n e e d s t o b e s i m u l a t e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t 9T h e i m p a c t e n e r g y / u n i t c o n t a c t a r e a c a n u s u a l l y b e u s e d t o e n s u r e c o m p a r a b i l i t yi f m i n i a t u r i z a t i o n o r e n l a r g e m e n t is i n v o lv e d .

9 S l iding, Rol l ing and Spinl l i l lg SpeedsS l i d i n g s p e e d s c a n v a r y e n o r m o u s l y f r o m a r a n g e o f 10 4 [ m / s ] f o r fr e t ti n g t e s t s to1 0 3 [ m / s ] f o r e x p e r i m e n t s o n s h e l l s i n g u n b a r r e l s . A s i m p l e r u l e i s t o u s e t h es a m e v a l u e o f s l i d i n g s p e e d i n t h e e x p e r i m e n t s a s o c c u r s i n pr a c ti c e .M i n i a t u r i z a t i o n o r e n l a r g e m e n t o f t h e c o n t a c t d o e s n o t a f f e c t t h i s v a l u e o f s l i d i n gs p e e d a n d i f a d i f f e re n t s l i d i n g s p e e d o r l u b r i c a t i o n r e g i m e i s u s e d , w e a r w i l l b ea f f ec t e d b y t h e r e s u l t i n g c h a n g e i n f r ic t io n a l t e m p e r a t u r e r is e [ 3 ] . A n e x c e p t i o n t ot h i s r u l e a p p e a r s t o b e i n f r e t t i n g s t u d i e s u n d e r c o n d i t i o n s o f g r o s s s l i p , w h e r es l i d i n g s p e e d s a n d s u b s e q u e n t t e m p e r a t u r e r i se s ar e so sm a l l t h a t a h i g h e r s l i d i n gs p e e d c a n b e u s e d t o a c c e l e r a t e t e s t i n g . T h e h i g h e r s l i d i n g s p e e d i n f r e t t i n ge x p e r i m e n t s i s a c h i e v e d b y i n c r e a s i n g t h e f r e q u e n t3 , o f f re t t ing osc i l la t ions .In s o me c a s e s a lo we r s p e e d , th a n th a t a c tu a l ly o c c u r r in g in r e a l s y s te m, i s u s e d int h e e x p e r i m e n t s . F o r e x a m p l e , i n r e s e a r c h o n c r it i ca l t e m p e r a t u r e s o f l u b r i c a n ta d d i t i v e s u s e d t o c o n t r o l sc u f fi n g a n d i n t h e s tu d i e s o f h i g h t e m p e r a t u r e w e a rr e s i st a n c e o f m a t e r i a l s , l o w e r s l i d i n g s p e e d s a r e u s e d w h i l e s p e c i m e n t e m p e r a t u r ei s d e l ib e ra te ly ra i s e d to c h e c k wh e th e r th e e f fe c t o f s l id in g s p e e d i s p u re ly to r a i s et h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e o r it h a s s o m e o t h e r e f f ec ts . A s i m i l a r p r i n c i p l e o fl o w e r e d s l i d i n g s p e e d a n d e x t e r n a l h e a t i n g is a l s o u s e d t o t e s t t h e h i g ht e m p e r a t u r e w e a r r e s i s t a n c e o f m a t e r i a l s .R o l l i n g s p e e d s a r e i m p o r t a n t i n c o n t a c t f a t i g u e t e s t s o f r o l l i n g e l e m e n t b e a r i n g sa n d i n s t u d i e s o f c o m b i n e d r o l l i n g a n d s l i d i n g . P u r e r o l l i n g h a s a m u c h w e a k e re f fe c t o n we a r a n d f r i c t io n th a n s l id in g s o th a t i t i s q u i t e a c c e p ta b le to s e le c t ar o l l i n g s p e e d a c c o r d i n g t o e x p e r i m e n t a l c o n v e n i e n c e p r o v i d e d t h a t b a s i c c r i t e r i a ,s u c h a s t h e m a i n t e n a n c e o f e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a ti o n , a r e s a ti s fi e d . W h e n ac o m b i n a t i o n o f r o l l i n g a n d s l i d i n g is i n v o l v e d , t h e r o l l i n g s p e e d s h o u l d m a t c ht h e r o l l i n g s p e e d f o u n d i n p r a c t i c e c l o s e l y a s f r i c t i o n , w e a r a n d l u b r i c a t i o n a r ed e p e n d e n t o n t he m a g n i t u d e s o f b o t h r o l l i ng a n d s l i di n g . T h e s p i n n i n g s p e e d o fo n e c o n ta c t in g s u r fa c e re la t iv e to a n o th e r c a n a l s o a f fe c t f r i c t io n a n d we a r [8 ] s ot h a t t h e v a l u e o f t h i s p a r a m e t e r i n p r a c t ic e s h o u l d b e a s s e s s e d f i rs t a n d s i m u l a t e di n t h e e x p e r i m e n t .

9 S l iding D istance, A mpl i tu de of Sl iding a~ld Out-of-Co~ltact TimeSl id in g d i s t a n c e s c a n v a ry f ro m 1 [m] in f re t t in g p ro b le ms to 1 0 0 [k m] fo r t e s t s o nw e a r r e s i s t a n t p o l y m e r s a n d i n t h e o r y t h e r e i s n o u p p e r l i m i t o n t h e s li d i n gd i s t a n c e . Th e c h o ic e o f th e c o r re c t s l id in g d i s t a n c e i s c r i t i c a l to th e s u c c e s s o f a n yt r i b o l o g i c a l e x p e r i m e n t . I n m a n y c a s e s i t i s a s s u m e d t h a t o n c e t h e w e a r a n df r i c ti o n s t a b il i z e a f t er a n i n i ti a l p e r i o d o f r a p i d c h a n g e ( r u n n i n g - i n ) , t h e n s t a b lea n d u n c h a n g i n g w e a r a n d f r i c t i o n c o e f f i c i e n t s w i l l r e s u l t . T h e r e q u i r e d s l i d i n gd i s t a n c e a c c o r d i n g t o t h i s r e a s o n i n g i s m e r e l y t h e d i s t a n c e s u f f i c i e n t t o a l l o w


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18 EXPERIMENTALME THO DS IN TRIBOLOGY

m e a s u r e m e n t o f a s t a b le w e a r r a t e. L o n g - t e r m s l i d i n g e x p e r i m e n t s [9 ] r e v e a l t h a ta n a p p a r e n t l y s t e a d y w e a r r a t e c a n s u d d e n l y c h a n g e a f t e r a l o n g s l i d i n g d i s t a n c e o fm a n y k m . T e s t s of s i li c on n i t r i d e c e r a m i c s a t h i g h t e m p e r a t u r e r e v e a l e d t h a tf r i c t io n c o e f f i ci e n t s v a r i e d in a s y s te m a t ic m a n n e r o v e r s l id in g d i s t a n c e s o f 50 0 to1 00 0 [m ] [ 10 ]. T h e s e c h a n g e s a r e b e l i e v e d t o b e a s s o c i a t e d w i t h t h e g r a d u a lf o r m a t i o n o f w e a r d e b r i s l a y e r s [ 10 ]. T o o b t a i n g o o d c o m p a r a b i l i t y b e t w e e n t e s ta n d p r o b l e m , t h e s a m e s l i d i n g d i s t a n c e s h o u l d b e u s e d u n l e s s i t c a n b e c o n f i r m e db y c o n t r o l e x p e r i m e n t s t h a t a s h o r t e r s l i d i n g d i s t a n c e i s a c c e p t a b l e . T h e n e c e s s i t yo f l o n g s l i d i n g d i s t a n c e s i s t h e p r i n c i p a l r e a s o n w h y d e t a i l e d w e a r e x p e r i m e n t sa r e o f t e n v e r y s l o w o r r e q u i r e a l a r g e n u m b e r o f s i m u l t a n e o u s w e a r t e s t s .Th e a m p l i tu d e o f s l id in g i s h ig h ly s ig n i f i c a n t to f r e t t in g w e a r . I t i s fo u n d th a t th es e v e r i t y a n d m e c h a n i s m s o f f r e t t i n g c h a n g e a s t h e a m p l i t u d e o f m o v e m e n t i si n c r e a s e d f r o m 1 [ ~ m ] t o 10 0 [ ~ m ] [ 1 1 ,1 2 ]. T h e f r e t t i n g w e a r i n c r e a s e w i t hi n c r e a s i n g s l i d i n g a m p l i t u d e i s a t t r i b u t e d t o a c h a n g e f r o m p a r t i a l s l i p t o g r o s ss l i d i n g r e g i m e s . S l i d in g a m p l i t u d e i s c l o se l y r e l a t e d t o t h e M u t u a l O v e r l a pCo e f f i c i e n t (MOC) [1 3 ,1 4 ] wh ic h i s a p a ra me te r d e f in in g th e c h a n g e s in c o n d i t io n so f w e a r a s t h e a m p l i t u d e o f s l i d i n g v a r i e s f r o m m u c h s m a l l e r t h a n t h e s i z e o f t h ec o n t a c t l e n g t h t o m u c h l a r g e r t h a n t h e c o n t a c t l e n g t h . S i n c e M O C i s d e f i n e d a st h e r a t i o o f t h e c o n t a c t a r e a o f t h e s m a l l e r o f t h e s l i d i n g m e m b e r s t o t h a t o f t h ew e a r t r a c k [ 1 3 ] t h e d i ff e r en c e s b e t w e e n f r e tt i n g w e a r a n d s l id i n g w e a r c a n b ei n t e r p r e t e d i n t e r m s o f t h i s p a r a m e t e r . T h e v a l u e o f M O C v a r i e s f r o m j u s t l es st h a n u n i t y i n s m a l l a m p l i t u d e f r e t t i n g t o n e a r z e r o v a l u e s i n l a r g e a m p l i t u d es l id in g .T h e o u t - o f - c o n t a c t t i m e i s t h e q u o t i e n t o f t h e a m p l i t u d e o f s l i d i n g o r t h ec i r c u m f e r e n c e o f a c i r c u l a r w e a r t r a c k d i v i d e d b y t h e s l id i n g s p e e d . T h i sp a r a m e t e r e x p r e s s e s t h e a m o u n t o f t i m e a v a i l a b l e f o r p r o t e c t i v e f i l m s t o f o r m o na w o r n s u r f a c e b e t w e e n s u c c e s s i v e e p i s o d e s o f f i l m d e s t r u c t i o n w i t h i n t h ewe a r in g c o n ta c t . Ou t -o f -c o n ta c t t ime s ra n g e f ro m 1 [ms ] to 1 0 I s ] fo r mo s t o b s e rv e dc o n t a c t s , a r e p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t o t h e f u n c t i o n i n g o f l u b r i c a n t a d d i t i v e s a n dn e e d t o b e c a re f u ll y r e p r o d u c e d d u r i n g t he e x p e r im e n t s . A m i n i m u m o u t- o f-c o n ta c t t ime i s r e q u i re d fo r th e lu b r ic a t io n o f l a rg e o p e n g e a rs (5 [m] in d ia me te ro r mo re ) . Th e v o la t i l e c a r r i e r f lu id re q u i re s t ime to e v a p o ra te a n d l e a v e a l a y e r o fn o n - v o l a t i l e s o l i d o r s e m i - s o l i d l u b r i c a n t l a y e r .

9 Tem p er a t u r eT e m p e r a t u r e e x e r t s a p r o f o u n d i n f l u en c e o n f r i c ti o n a n d w e a r s o th a t i t c a nn e v e r b e n e g l e c t e d i n a n y t r i b o l o g i c a l e x p e r i m e n t [ 3 ] . T h e r e a r e t w o t y p e s o ft e m p e r a t u r e , i . e . : t h e b u l k t e m p e r a t u r e a n d t h e f r i c t i o n a l t e m p e r a t u r e r i s e . T h eb u l k t e m p e r a t u r e i s u s u a l l y t he t e m p e r a t u r e i m p o s e d o n th e sp e c i m e n b ye x t e r n a l h e a t i n g o r r e f r i g e r a t i o n a n d t h i s t e m p e r a t u r e s h o u l d c l o s e l y f o l l o w t h et e m p e r a t u r e s f o u n d i n t h e p r a ct ic a l p r o b l e m . T h e r a n g e o f t e m p e r a t u r e s s t u d i e de x t e n d s f r o m c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e s o f a f ew d e g r e e s K t o 15 0 0 K o r m o r e i n h i g ht e m p e r a t u r e t e s t s o n c e r a m i c m a t e r i a l s . E x p e r i m e n t a l t e m p e r a t u r e c a n b e a l l o w e dt o d e v i a t e f r o m t h e p r a c t ic a l c a s e w h e n t h e e a r l ie r m e n t i o n e d e f fe c t o f s l i d i n gs p e e d i s s tu d ie d . F r i c t io n a l t e mp e ra tu re r i s e s a re s ig n i f i c a n t fo r a lmo s t a l l k in d s o ft r i b o l o g i c a l t e s t s a p a r t f r o m s m a l l a m p l i t u d e f r e t t i n g . T h e s e t e m p e r a t u r e r i s e s c a nr a n g e f r o m N 1 K to s ev e r a l h u n d r e d K w h e r e t h e t e m p e r a t u r e is li m i t e d b y t he


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C h a p t e r 2 SIMULATION OF WE AR AND FRICTION 19

m e l t i n g p o i n t of t h e w o r n m a t e r i a l . I n g e n e r a l , f r i c ti o n a l t e m p e r a t u r e r i s e sd u r i n g t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s s h o u l d b e m a i n t a i n e d a t t h e s a m e l e v e l a st h o s e f o u n d i n p r a c t i c a l p r o b l e m s .

9 S u r f a c e F i n i s hT h e s u r f a c e f i n i s h h a s a s t r o n g i n f l u e n c e o n f r i c t i o n a n d w e a r a n d a s i m p l e r u l e i st o u s e t h e s a m e v a l u e o f s u r f a c e f i n i s h , i .e . R a o r R M S , i n t h e e x p e r i m e n t s a so c c u r s i n p r a c t i c e .

9 T y p e o f C o n t a c tT h e c o n t a c t s c a n b e c o n f o r m a l , e . g. b e t w e e n r o l li n g e l e m e n t a n d o u t e r r i n g i nr o l l i n g c o n t a c t b e a r i n g , o r n o n - c o n f o r m a l , i . e . b e t w e e n r o l l i n g e l e m e n t a n d i n n e rr in g 9 T h e t y p e o f c o n t a c t a f f e ct s t h e c o n t a c t a r e a a n d h e n c e t h e c o n t a c t p r e s s u r e s .T h e p a r a m e t e r c h a r a c t e r i z i n g t h e c o n t a c t g e o m e t r y , i . e . r e d u c e d r a d i u s , c a n e a s i l yb e c a l c u l a t e d u s i n g s t a n d a r d f o r m u l a e [ e . g . 1 4 ] .

M a t er i a l P ar a m e t er sC r i t e r i a f o r t h e s e l e c ti o n o f v a l u e s o f e a c h o f t h e m a j o r m a t e r i a l p a r a m e t e r s a r ed i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n .

9 H a r d n e s s a n d M i c r o h a r d n e s sH a r d n e s s a n d m i c r o h a r d n e s s a r e s o m e o f t he m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r sd e s c r i b i n g t h e t ri b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a m a t e r i a l . F r i c t i o n a n d w e a r t e s t si n v o l v e a lm o s t a ll k n o w n m a t e r i a ls r a n g i n g f ro m t h e h a r d e s t d i a m o n d toe x t r e m e l y s o f t m a t e r i a l s s u c h a s h u m a n c a r t i l a g e . F o r e x a m p l e , h a r d n e s s i s o fc r i t i c a l s i g n i f i c a n c e t o a b r a s i v e a n d e r o s i v e w e a r a n d t h e h a r d n e s s o fe x p e r i m e n t a l s p e c i m e n s s h o u l d b e s im i l a r o r i d e n t i c a l to th e h a r d n e s s o f p r a c t ic a lc o m p o n e n t s f or re l ia b le m e a s u r e m e n t s o f a b r a s iv e w e a r r e s is t an c e . O t h e r w e a rm e c h a n i s m s a r e al s o s t r o n g l y a f f e c t e d b y h a r d n e s s s o th a t , in g e n e r a l , if t h eh a r d n e s s o f t h e te s t s p e c i m e n s d i v e r g e s f r o m e i t h e r p r a ct ic a l v a l u e s o r a ni n t e n d e d l e v e l f o r s t u d y , t h e n m i s l e a d i n g r e s u l t s w i l l m o s t p r o b a b l y b e o b t a i n e d .

9 T o u g h n e s sT o u g h n e s s i s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t f o r c e r a m i c s w h e r e m i c r o f r a c t u r e i s ad o m i n a t i n g w e a r m e c h a n i s m . B r i t t l e n e s s a l s o a f f e c t s m e t a l s b y l i m i t i n g d u c t i l ej u n c t i o n g r o w t h i n a d h e s i v e w e a r a n d p r o m o t i n g c ra c k e x t e n s i o n d u r i n gd e l a m i n a t i o n w e a r . A s a g e n e r a l r u le , t h e c o m p a r a b i l i t y o f m a t e r i a l t o u g h n e s sb e t w e e n e x p e r i m e n t a n d p r a c t i c a l p r o b l e m s h o u l d b e m a i n t a i n e d .

M e l t i n g P o i n t a n d T h e r m a l C o n d u c t i v i t yT h e m e l t i n g p o i n t o f a m a t e r i a l c o n t r o l s w e a r b y l i m i t i n g t h e m a x i m u mt e m p e r a t u r e i n a w e a r i n g c o n t a c t. W h e n t h e c o m b i n e d f ri c ti o n al t e m p e r a t u r e r is ea n d b u l k t e m p e r a t u r e o f a s p e c i m e n r e a ch i ts m e l t i n g p o i n t a r a p i d f o r m o f w e a r,k n o w n a s m e l t i n g w e a r , w i ll e n s ue . T h e r m a l c o n d u c t i v i t y d e t e r m i n e s t h e


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20 EXPERIMENTALME THOD S IN TRIBOLOGY

d i s s i p a t i o n o f f r i c t i o n a l h e a t , e . g . a l o w e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y e n s u r e s a h i g h e rf r ic t i o n a l t e m p e r a t u r e r is e fo r a g i v e n s l i d i n g s p e e d a n d l o a d . If m o r e t h a n as m a l l d i f f e r e n c e i n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o r m e l t i n g p o i n t i s a l l o w e d b e t w e e n t h em a t e r i a l i n t h e p r a c t i c a l p r o b l e m a n d t h e e x p e r i m e n t a l m a t e r i a l , t h e n b o t h t h ef r i c t i o n a l t e m p e r a t u r e a n d t h e r e a c t i o n o f t h e m a t e r i a l t o f r i c t i o n a l t e m p e r a t u r er i se w i l l be sub j ec t t o expe r i m en ta l a r t ef ac t .

. E l e c t r o c h e m i c a l P o t e n t i a lT h e e l e c t r o c h e m i c a l p o t e n t i a l o f m e t a l s i n p a r t i c u l a r d e t e r m i n e s t h e r a te o fc o r r o s i v e i n t e r a c t i o n w i t h a t m o s p h e r i c o x y g e n , l u b r i c a n t s o r r e a c t i v ec o n t a m i n a n t s s u c h a s e. g. c h l or in e . W h e n s t u d y i n g m e c h a n i s m s o f w e a r w h i c ha r e d e p e n d e n t o n c h e m i c a l r e a c t i o n s s u c h a s c o r r o s i v e w e a r , o x i d a t i v e w e a r a n dc o r r o s i v e - a b r a s i v e w e a r t h e e l e c t r o c h e m i c a l p o t e n t i a l o f t h e w o r n m a t e r i a l a n dr e l at e d p a r a m e t e r s s u c h a s e x c h a n g e c u r r e n t a n d z e ta p o t e n t ia l s h o u l d b eana lyzed fo r s imi l a r i t y t o t he p r ac t i ca l p rob l em.

9 M a t e r i a l P a r a m e t e rs f o r A b r a s i v e a n d E r o s i v e W e a r E x p e r i m e n t sT h e m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s i z e o f a b r a s i v e g r i t s s h o u l d b e d e t e r m i n e d f i r s tf o r m e a n i n g f u l i n v e s t i g a t i o n o f a b r a s i v e a n d e r o s i v e w e a r . C r i t i c a l p a r a m e t e r sa r e g r i t h a r d n e s s , e . g . t h e h a r d n e s s o f s i l i c a w h i c h c o n s t i t u t e s s a n d i sapp rox ima te l y 1100 HV , and t he s i ze r ange o f the g r i ts , e. g . wh e the r t he g r i t s i ze i s1 [mm] o r 10 [ l lm] . The ab i l i t y o f a g r i t t o ab rade depends on i t s shape whichv a r i e s f r o m v e r y s h a r p f o r f r e s h l y f r a c t u r e d g r i t s t o r o u n d e d f o r w e a t h e r e d g r i t s .T h i s p a r t i c l e f e a t u r e c a n b e c h a r a c t e r i s e d b y p a r a m e t e r s s u c h a s " t h e s p i k ep a r a m e t e r w h i c h d e s c r i b e s t h e a n g u l a r i t y o f t h e g r i t ' s b o u n d a r y [ 1 5 - 1 7 ] " t h er adance , wh i ch is ob t a i n ed f rom a Four i e r ana l ys i s o f t he shape o f t he g r i t [ 18] ; t hea n g u l a r i t y p a r a m e t e r , w h i c h i n c o r p o r a t e s t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e p a r t i c l ep ro t rus ion w i l l i n t e r ac t w i th t he su r f ace [19] .I n m o s t c a s e s t h e d i f f i c u l t y i n p r e c i s e l y m a t c h i n g m a t e r i a l s p a r a m e t e r s b e t w e e nt h e p r a c t i c a l p r o b l e m a n d e x p e r i m e n t f o r c e s t h e c h o i c e o f m a t e r i a l s t o b e v e r ys i m i l a r , if n o t i d e n t i c a l , to t h e m a t e r i a l s u s e d i n t h e o r i g i n a l c o m p o n e n t s o rs p e c i m e n s . T h e r e a s o n w h y m a t e r i a l s s h o u l d a l w a y s b e s p e c i f i e d p r e c i s e l y i n a n yt r i b o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o n i s t h a t n o s i n g l e p a r a m e t e r s u c h a s h a r d n e s s o r y i e l ds t r e n g t h c a n e v e r p r o v i d e s u f f i c i e n t m a t e r i a l c h a r a c t e r i s a t i o n f o r f u t u r er ep l i ca t i on o f expe r imen t s o r app l i ca t i on o f t he da t a ob t a ined .

L u b r i c a n t a n d E n v i r o n m e n t a l P a r a m e ter sL u b r i c a n t s c o m p r i s e a v e r y w i d e v a r i e t y o f f l u i d s r a n g i n g f r o m t h e c o n v e n t i o n a lm i n e r a l o i l s t o s y n t h e t i c s i l i c o n e - b a s e d f l u i d s . T e s t e n v i r o n m e n t s r a n g e f r o ma m b i e n t c o n d i t io n s t o e x t r e m e s o f t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e a n d h i g h l e v e l s o fr a d i a t i o n . L u b r i c a n t a n d e n v i r o n m e n t n e e d t o b e w e l l c h a r a c t e r i z e d i n o r d e r t oa c h i e v e v a l i d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .B a s i c p a r a m e t e r s w h i c h c h a r a c t e r i z e t h e l u b r i c a n t p r o p e r t i e s a r e v i s c o s i t y a n dc o e f f i c i e n t s d e s c r i b i n g t h e d e p e n d e n c e o f v i s c o s i t y o n t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e 9T h e se p a r a m e t e r s d e t e r m i n e t h e f o r m a t io n o f h y d r o d y n a m i c a n de l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n f i l m s . T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e l u b r i c a n t


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Chapter 2 SIMULATION OF WEA R AND FRICTION 21

a f f e ct s t h e d i s s i p a t i o n o f f r i c t io n a l h e a t w i t h i n t h e l u b r i c a n t . T h e s o l u b i l i t y a n dd i f f u s i v i t i e s o f o x y g e n o r o t h e r r e a c t i v e g a s e s i n f l u e n c e s c u f f i n g , c o r r o s i v e w e a ra n d o t h e r p h e n o m e n a i n v o l v i n g f il m f o r m a t i o n b y c h e m i c al r e a ct io n . T h ea c i d i t y o f a l u b r i c a n t a n d w a t e r s o l u b i l i t y a n d c o n c e n t r a t i o n a r e a l s o c r it i ca l toc o r r o s i v e w e a r . T h e p r e s e n c e o f r e a c t i v e s p e c ie s s u c h a s o x y g e n , s u l p h u r a n dh a l o g e n c o m p o u n d s i n t h e l u b r i c a n t n e e d s t o b e d e t e r m i n e d a s t h e s e c a n e it h e ri n d u c e c o r r o si v e w e a r o r e ls e p r o v i d e s o m e d e g r e e o f ' E x t r e m e P r e s s u r e 'l u b r i c a t i o n a n d o b s c u r e t h e r e s u l t s o b t a i n e d . P o l a r o r g a n i c s p e c i e s , e . g . f a t t y a c i d sa n d a l c o h o l s p r e s e n t i n t h e l u b r i c a n t m a y c a u s e a d s o r b e d f i l m s t o f o r m o n t h ew o r n s u r f a ce w h i c h c a n e i th e r r e d u c e f ri c ti o n o r i m p e d e t h e f u n c t i o n i n g o f s o li dl u b r i c a n t s . W h e r e w a t e r i s p r e s e n t i n s i g n i f i c a n t q u a n t i t i e s , e .g . 10 % b y v o l u m e ,t h e e m u l s i f i a b i l i t y o f t h e l u b r i c a n t b e c o m e s v e r y r e l e v a n t .O p e r a t i n g p a r a m e t e r s r e l a t i n g t o t h e l u b r i c a n t s u c h a s f l o w r a t e , s u p p l y p r e s s u r ea n d s u p p l y v e l o c i t y m a y b e o f c r it ic a l s i g n if i c a n c e p a r t i c u l a r l y w h e n t h e r e i s s o m ed e g r e e o f l u b r i c a n t s t a r v a t io n . It is th e r e f o r e v e r y i m p o r t a n t t o k n o w t h e v a l u e so f t h e s e p a r a m e t e r s i n o r d e r t o c o n d u c t t h e a cc u r a t e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s .I n m o s t s t u d i e s , e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s r e l at e to th e p r e s s u r e o f t h e l o ca la t m o s p h e r e o r t o p a r ti a l p r e s s u r e o f o x y g e n a n d h u m i d i t y a s t h e se q u a n t i ti e se x e r t t h e s t r o n g e s t e f f e c t o n f r i c t i o n a n d w e a r . T h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e s h o u l da l so b e m o n i t o r e d a s th i s c a n v a r y s i g n i f ic a n t l y w i t h g e o g r a p h i c a l l o c a t i o n a n dt i m e o f y e a r . In s p e c i a li z e d e x p e r i m e n t s i n v o l v i n g l u b r i c a ti o n i n t h e p r e s e n c e o fs p e c i a l g a s e s , e . g . h a l o n s o r c h l o r i n e g a s , o r n u c l e a r r a d i a t i o n , t h e c o m p o s i t i o na n d p r e s s u r e o f t h e g a s o r th e t y p e a n d i n t e n s it y o f n u c l e a r r a d i a t i o n s h o u l d b ed e t e r m i n e d . N u c l e a r r a d i a t i o n a c c e l e r a t e s c h e m i c a l d e g r a d a t i o n a n d o x i d a t i o n o ft h e l u b r ic a n t w h i c h i n tu r n a ff e ct s b a s ic w e a r a n d l u b r i c a ti o n m e c h a n i s m s .2.4 S E L E C T I O N O F A T R I B O M E T E R F O R W E A R A N D F R I C T I O N

S I M U L A T I O NO n c e t h e p u r p o s e o f a n e x p e r i m e n t i s d e f i n e d a n d t h e n e c e s s a r y i n f o r m a t i o na b o u t c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s i s c o m p i l e d , t h e n e x t s t a g e i s t o d e c i d e o n t h e t y p e o ft r i b o m e t e r . A s i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r 3 , t h e r e i s a l a r g e n u m b e r o f d i f f e r e n tt r i b o m e t e r s a v a i l a b l e t o t h e r e s e a r c h e r a n d i t i s e s s e n t i a l t o a c c u r a t e l y s e l e c t t h em o s t a p p r o p r i a t e t y p e o f tr i b o m e t e r f o r a p a r t ic u l a r t y p e o f e x p e r i m e n t . S e l e c ti o no f a t r i b o m e t e r d e p e n d s o n t h e t y p e o f w e a r i n g c o n t a c t a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n sn e e d e d t o b e s t u d i e d . A s u m m a r y o f t y p ic a l w e a r s t u d i e s a n d s u i ta b l e t y p e s o ft r i b o m e t e r i s s h o w n i n T a b l e 2 . 2 .A l m o s t a l l e x p e r i m e n t s o f p r a c t i c a l s i g n i fi c a n c e c a n b e c l a ss i f ie d a c c o r d i n g t o th ec a t e g o r i e s d e s c r i b e d i n T a b l e 2 . 2 . I f t h e w r o n g c a t e g o r y o f t r i b o m e t e r i s s e l e c t e d f o rt h e e x p e r i m e n t s t h e n i t i s u n l i k e l y t h a t t h e p r e v a i l i n g w e a r m e c h a n i s m s w i l l b es i m u l a t e d . I t i s i m p o r t a n t t o r e a l is e t h a t a g e n e r a l i z e d m a t e r i a l s p r o p e r t y o f ' w e a rr e s i s t a n c e ' d o e s n o t a c t u a l l y e x i s t a n d t h a t s p e c i f i c e x p e r i m e n t s a r e r e q u i r e d t om e a s u r e t h e r e s p o n s e o f m a t e r i a l s t o d i f f e re n t t y p e s o f w e a r . F o r e x a m p l e , a na c c u r a t e i n d i c a t i o n o f r e s i st a n c e t o a b r a s i v e w e a r o f a m e t a l c a n n o t b e o b t a i n e df r o m t e s t s o f d r y s l i d i n g w e a r . T h e c o n v e r s e o f t h i s a l s o a p p l i e s . O n c e t h e b a s i ct y p e o f t r i b o m e t e r i s s e l e c t e d th e n t h e a p p r o p r i a t e t y p e o f a p p a r a t u s c a n b e c h o s e n .T h e d e ta i l e d i n f o r m a t i o n o n c o m m o n l y u s e d t r i b o m e t e r s c a n be f o u n d i nC h a p t e r 3 .


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2 2 E X P E R IM E N T A L M E T H O D S I N T R I B O L O G Y

T a b l e 2 . 2 P r e v a i l i n g w e a r c o n d i t i o n s a n d t y p e o f t r ib o m e t e r .

M e c h a n i s m o f W e a r o rL u b r i c a t i o n T r i b o m e t e r

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ab rasive App ara tus invo lv ing abrasive paper o r bed of sandErosive we ar Specimen s mo unte d in stream of air or l iquid jet mixedwith abrasive par t ic lesCav i ta t ional we ar Specimens mou nted in s t ream of f luid o r e lse mou ntedon v ibra t ing p la t fo rm imm ersed in f lu idDry or lubr ica ted s l id ing wear Specimens s l id aga inst a moving counterface (whichin amb ient conditions may also be a specim en) either by rotation orrec iproca ting movem ent . Lubr ican t supply system

fit ted for lubricated testsDry. or lubricated we ar und er Specimens and mo ving counterface enclosed in chambe rnon-ambien t condi tions f it ted wi th hea t ing, re f r igera t ion an d / or vacuumpum ping system to main ta in a spec ia li sed env ironment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fre t t in g / f re t t ing fa t igue Specimens s l id aga inst the counter face a t very smal lampl i tude . Appara tus can be f i t ted wi th chamber fo rspec ia l ized env ironments

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Specimen s in form of rollers and spheres an dear under combined roll ingand sliding or pure roll ingI m p ac t wea r

Dif fusion or so lub i l iza t ion we ar

Hy d r o d y n am ic an de la s to h y d r o d y n am ic lu b r i ca t io nBoundary and so l id lubr ica t ion

constrained to move at specif ied speeds. Apparatus canbe f i t ted wi th chamber fo r spec ia l ized env ironmentsAppara tus con ta in ing hammer to impact wear ingspecimen. Can be f i t ted with enclosing chamber fornon-ambien t tes ts

Cut t ing too l as spec imen . C ut t ing per form ed a t h ighsurface speedSpecimens imm ersed in mol ten tes t mater ia l andro ta ted to acce lera te wear

Idealized conformal and non-conformal contactsdev ised wi th purpose o f d isp lay ing mechanisminvolved in the formation of lubricating f i lmsAppara tus invo lv ing s l id ing wear a t low veloc i t iesallowing the fr iction coeff icient during the tests to bemoni to red

2 .5 S U M M A R YA m o n g t h e f ir s t d e c i s i o n s a n i n v e s t i g a t o r i s r e q u i r e d t o m a k e w h e n p l a n n i n g at r i b o l o g i c a l s t u d y is t o d e c i d e w h i c h p a r a m e t e r s a r e l i k e ly to c o n tr o l t h e f r ic t io na n d w e a r p r o c es s . P h y s i c a l a n d c h e m i c a l f a c t o r s s h o u l d a l so b e c o n s i d e r e d e i t h eri n i s o l a t i o n o r i n s y n e r g i s t i c c o m b i n a t i o n . T h e n e x t s t a g e i s t o s e l e c t t h ea p p r o p r i a t e t y p e o f e x p e r i m e n t a s t h e v a r i o u s f r i c ti o n a n d w e a r m e c h a n i s m sd i f f e r i n m a n y f u n d a m e n t a l a s p e c t s . O n c e t h e b a s i c t y p e of e x p e r i m e n t a n dc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s a r e d e t e r m i n e d , p l a n n i n g o f t h e i n v e s t i g a t i o n c a n t h e np r o c e e d t o a m o r e d e t a i l e d s t a ge .


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C h a p t e r 2 S I M U L A T IO N O F W E A R A N D F R I C TI O N 2 3

R E F E R E N C E S1 A . W . B a tc h e lo r a n d G . W . S t a c h o w ia k , A r th r i t i s a n d t h e i n t e r a c t i n g m e c h a n i sm s o f sy n o v ia l

j o in t lu b r i c a t i o n , P a r t i - O p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d th e e n v i r o n m e n t , Journal of OrthopaedicRheumatology, Vol. 9, 1996, pp. 3-10.2 A . W . B a tc h e lo r a n d G .W . S t a c h o w ia k , A r th r i t i s a n d t h e i n t e r a c t i n g m e c h a n i sm s o f sy n o v ia ljo in t lubr ica t ion , Pa r t 11 - Jo in t lub r ica t io n an d i t s r e la t ion to a r thr i t i s , ]ournal of OrthopaedicRheumatology, Vol. 9, 1996, pp. 11-21.3 M. B . P e t e r so n , D e s ig n c o n s id e r a t i o n s fo r e f f e c ti v e w e a r c o n t r o l , W e a r C o n t r o l H a n d b o o k ,ASME, 1980, pp. 413-473.4 N . C . W e l sh , T h e d r y w e a r o f s t e el s , Phil. Trans. R oy. Soc. London, Vol. 257A, 1965, pp. 31-50.5 B .R . P e a r so n , P .A . B r o o k a n d R .B . W a te r h o u se , F r e t t i n g i n a q u e o u s m e d ia , p a r t i c u l a r ly o f

r o p in g s t e e ls i n s e a w a te r , Wear, Vol. 106, 1985, pp. 225-260.6 A . W . B a tc h e lo r , G . W . S t a c h o w ia k , G .B . S t a c h o w ia k , P . W . L e e c h a n d O . R e in h o ld , C o n t r o l o f

f r e t t in g f r i c ti o n a n d w e a r o f r o p in g w i r e b y l a se r su r f a c e a l l o y in g a n d P V D c o a t in g s , Wear, Vol.152, 1992, pp. 127-150.7 G . W . S t a c h o w ia k , G .B . S t a c h o w ia k a n d A . W . B a tc h e lo r , S u p p r e s s io n o f f r e tt i n g w e a r b e tw e e nr o p in g w i r e s b y c o a t in g s a n d l a se r a l l o y e d l a y e r s o f m o ly b d e n u m , Wear, Vol. 178, 1994, pp. 69-77.8 B . B r i sc o e a n d T . S to l a r sk i - I n f o r m a l p r e se n t a t i o n a t t h e L im i t s o f L u b r i c a t i o n C o n f e r e n c e ,

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simulation of wear and friction

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