Development and evaluation of a novel dynamic impact and sliding wear test (DIST)

Abstract

Στη διατριβή αυτή, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας μιας νέας μεθόδου τριβολογικών δοκιμών για αξιολόγηση επικαλυμένων και μη επιφανειών υπό συνθήκες σύνθετης/ συνδιασμένης φόρτισης. Το κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου είναι ότι οι προς εξέταση επιφάνειες υποβάλλονται σε συνθήκες ταυτόχρονης κρούσης και ολίσθησης. Τέτοιου είδους φόρτωση συναντάται σε πλήθως κρίσιμων εφαρμογών, από την βιοϊατρική (π.χ., τα εμφυτεύματα ισχίου / γόνατος, καρδιακές βαλβίδες) σε εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία (π.χ., μπεκ ψεκασμού καυσίμου, στις βαλβίδες εισαγωγής/ εξαγωγής και στους εκκεντροφόρους άξονες σε κινητήρες εσωτερικής καυσης ), σε κοπτικά εργαλεία κ.λπ. Όργανα και τεχνικές δοκιμών υπο συνθήκες συνδυασμένης φόρτωσης (όπως η προτεινόμενη DIST) είναι ένας εφικτός τρόπος για γρήγορη, οικονομική και αξιόπιστη αξιολόγηση πολύπλοκων τριβολογικών συστημάτων υψηλού πρακτικού και βιομηχανικού ενδιαφέροντος. Στα αναμενόμενα οφέλη περιλαμβάνεται η μείωση του χρόνου και του κόστους αλλά και η αύξηση της αποτελεσματικότητας της αξιολόγηση. Επίσης μπορεί να συνεισφέρει στην καλύτερη κατανόηση των ιδιαιτεροτήτων που παρουσιαζουν οι επιφάνειες σε συνθήκες σύνθετης φόρτισης. Μερικά από τα μοναδικά χαρακτηριστικά της τεχνικής DIST είναι: καινοτόμα μέθοδος για συνδυασμένη κρούση και ολίσθηση, η ζώνη φθοράς είναι σημειακή, έχει δυνατότητα προεπιλογής του επιθυμητού μέγιστου βάθου φθοράς με υπομικρομετρική ανάλυση και ακρίβεια, δυνατότητα προγραματισμού του τρόπου εκτέλεσης της δοκιμής, η τριβολογική συμπεριφορά/ αποκριση του υλικού μετρώνται και καταγράφονται σε πραγματικό χρόνο σε συνδιασμό με τα νέα κριτήρια χαρακτηρισμού της τριβολογικής απόδοσης που προτείνονται μπορουν να μας δώσουν νέες ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες. Για να διερευνηθεί κατα πόσο το πρωτότυπο όργανο υποστηρίζει επαρκώς την αρχή λειτουργίας στην οποια βασίστηκε ο σχεδιασμός του, αλλά και η γενική δυναμική/ προοπτική της νέας αυτής τεχνικής, αλλά η πραγματική απόκριση του πρωτοτύπου οργάνου όσον αφορά την ακρίβεια και την επαναληψιμότητα, πραγματοποιήθηκε μια σειρά από αρχικές δοκιμές. Τα αποτελέσματα από αυτές τις προκαταρκτικές δοκιμές παρουσιάζονται και αναλύονται.

In this study, a novel operation principle of a new testing method (Dynamic Impact and Sliding Test – DIST) used for the tribological evaluation of bulk material and treatment surfaces under complex loading conditions is presented. The main characteristic of the method is that the tested coated surfaces are simultaneously subjected to sliding and impact loading. Such loading modes exist in many critical applications, from biomedical (e.g., hip/knee implants, heart valves) to automotive applications (e.g., diesel injectors, inlet/ outlet valves, cam shafts in internal combustion engines), in cutting tools etc. Instruments and techniques for combined loading situations (such as the proposed DIST) are a feasible way for fast, economical and reliable evaluation of complex tribo-systems with high practical and industrial interest. Expected benefits include the time and cost effective evaluation of various surfaces and the better understanding of their peculiarities under such multi-mode loading conditions. Some of the unique characteristics of the DIST are: novel method to combined impact and sliding testing; wear area in a single point; ability to pre-setting of desired maximum wear depth with submicron resolution and accuracy; programmable testing plan; material’s tribological response measured and recorded in real time and in combination with the new tribological performance criterions that propose can give as valuable qualitative and quantitative information’s. In order to confirm if the prototype sufficiently supports the operation principle that the design of the prototype is based on, the general potential of this new technique and also the prototype’s true response as estimated in terms of accuracy and repeatability, a series of initial tests were performed. The results from these preliminary trials are presented and discussed.