Techn. Hochsch., Diss. 2005--Aachen.

Th. doct.-ing.--Sci. des matér.--Toulouse--I.N.P., 1984. N°: 301.

La rhéologie du béton est un facteur d'influence direct sur la relation entre la pression de pompage et le débit. La rhéologie appliquée au béton est souvent caractérisée par une loi rhéologique à l'état stationnaire (indépendant du temps). Il s'agit d'un domaine assez pointu concernant principalement l'évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement. Cette évolution du béton traditionnel est souvent caractérisée par le modèle de Bingham alors que pour un béton auto plaçant dont le rapport E/L est faible, l'évolution peut devenir non linéaire et peut suivre le modèle de Bingham modifié ou Herschel-Bulkley pour un fluide rhéo-épaississant. Pour ces modèles, on parle souvent d'un seuil de cisaillement au-delà duquel le béton commence à s'écouler, d'un indice de consistance (et un indice de puissance pour le cas d'une relation non linéaire) qui décrit l'intensité de l'évolution. En conséquence, la relation entre la pression et le débit peut être linéaire ou non linéaire en fonction du type du béton pompé. Comme les paramètres rhéologiques d'un béton participent directement à la prédiction de la pression de pompage, la mesure de ces paramètres fait l'objet un travail très exigeant au niveau de la précision.Comme les paramètres rhéologiques d'un béton ne sont pas des grandeurs physiques directement mesurables, les rhéomètres développés pour le béton frais ne sont capables de délivrer ces paramètres qu'à travers des mesures des autres grandeurs physiques de base comme la vitesse, le couple, la pression. Ensuite, plusieurs méthodes peuvent être appliquées pour reconvertir les grandeurs mesurées. Ces méthodes sont appelées la résolution du problème inverse. La méthode la plus efficace pour résoudre (ou confirmer la résolution du) le problème inverse concerne la calibration du rhéomètre avec des matériaux dont les propriétés rhéologiques sont connues. Plus le nombre de matériau utilisé pour la calibration est grand, plus la précision est meilleure. Cependant, pour les matériaux cimentaire, le nombre de matériau nécessaire pour bien couvrir les plages de valeurs des paramètres rhéologique est de l'ordre de quelques centaines de matériau. Cela demande un travail expérimental énorme et non rentable. Cependant, à la place de réaliser cette calibration expérimentalement, il est tout à fait possible de la réaliser en faisant des simulations numériques. Ces travaux numériques font partie du deuxième chapitre de la thèse.En complément de la rhéologie, la tribologie du béton est aussi un facteur déterminant du pompage. La tribologie permet de caractériser le comportement du béton à l'interface avec la paroi de la tuyauterie. Pour le cas de béton traditionnel dont le seuil de cisaillement est très important, l'écoulement du béton est dominé par l'effet de glissement du bloc de béton sur une couche limite de comportement lubrifiant. La couche limite est uniquement créée quand il y a une contrainte de cisaillement entre le béton et la paroi. Ce phénomène est présumé être la conséquence de la combinaison des trois phénomènes: l'effet géométrique de la paroi, la rupture structurelle interne et la ségrégation dynamique. Tous ces effets entrainent une diminution de la viscosité du matériau pompé sur une distance de quelques millimètres à la paroi. En conséquence, un écoulement non homogène est formé. Une vitesse de glissement à la paroi s'additionne à la vitesse engendrée par le cisaillement.Afin de caractériser le comportement du béton à la paroi, la tribométrie du béton voit le jour. Cela s'effectue avec les tribomètres qui simulent le mouvement relatif entre le béton et la paroi. Grace au mouvement, pour les bétons traditionnels dont le seuil de cisaillement est élevé, uniquement la couche limite est cisaillée mais pas le béton. Les paramètres délivrés sont un seuil d'interface, une constante visqueuse. Ces deux grandeurs permettent d'établir une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement à l'interf / The rheological properties of concrete are significantly influencing the relation between pumping pressure and discharge rate. The concrete rheology is often characterized by a rheological law in stationary conditions (time independent), giving the evolution of shear stresses as a function of shear rate. In case of traditional concrete, this evolution is typically described by a Bingham model, while for a self-compacting concrete with low water/powder ratio, the evolution often becomes non-linear and can be described by a modified Bingham or Herschel-Bulkley model, considering shear-thickening. In these models, a critical shear stress is typically considered above which the concrete starts to flow. Furthermore, a consistency parameter is considered (and in case of non-linear behavior also an index) to describe the intensity of the evolution. As a consequence, the relation between pressure and discharge rate can be linear or non-linear, depending on the concrete pumped. As the rheological parameters of the concrete are directly relevant for the prediction of the pumping pressure, the accurate measurement of these parameters is a challenging task.As the rheological properties of concrete cannot be directly measured as a physical quantity, concrete rheometers can only be used to determine the rheological parameters in an indirect way, by measuring other physical values like speed, couple or pressure. Different methods can be applied in order to convert the measured physical values to obtain the rheological properties. The most direct method consist of calibrating the rheometers by testing materials with known rheological parameters. A higher precision in this approach can be obtained by testing a higher number of known materials. However, in order to cover the whole range of rheological properties of concrete, a very high number of known materials would have to be tested, which would thus become very cumbersome. Instead of performing this calibration in an experimental way, it can be done in a numerical way. This kind of numerical calibration is the topic of chapter 2 of the doctoral thesis.Besides the rheology of the concrete, tribology is also an important factor determining the pumping characteristics. Tribology enables to characterize the behavior of concrete in the interface with the surface of the pumping pipe. For traditional concrete with high yield stress, the flow of concrete in the pumping pipe is dominated by the slip layer or lubrication layer near the surface, while the bulk of the concrete is flowing as a plug. This slip layer can only be formed due to shear stresses in this area, and is considered to be the consequence of three phenomenons: geometrical wall effect, structural breakdown, and dynamic segregation. These phenomenons induce a reduction of the viscosity of the concrete within a layer of a few millimeter near the surface of the pumping pipe. As a result, a non-homogeneous flow is induced. Due to the occurrence of the slip layer, an additional speed component is added to the speed profile already induced by shear of the concrete.In order to characterize the concrete behavior near the surface, tribometers are being used, simulating the relative movement between concrete and the surface. In case of traditional concrete, with high yield stress, due to the relative movement only the slip layer is sheared, while the bulk concrete is not sheared. In this case, the use of tribometers results in a yield stress and a viscous constant of the slip layer. These two parameters enable to define a linear relation between shear stress and shear rate in the interface. Meanwhile, in case of self-compacting concrete, the concrete is also sheared, leading to very complicated tribology measurements. For this reason, it is very difficult to characterize the behavior of self-compacting concrete near the interface by means of a tribometer. This situations complicates the prediction of the relation between pumping pressure

The thesis is focused on the operational degradation of engine oil in four-stroke motorcycles and is dividend into two parts. The first part of the thesis is focused on the theoretical part, where tribology, lubricants and lubrication system is described. The experimental part of the work is focused on examineting engine oil degradation due to mileage. First, the monitored motorcycles and used oils are described. The results of measured density, viscosity and content of individual substances occurring in oils are described. Finally, a discussion and comparison of resulted trends with other experiments is performed.

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Les matériaux de friction les plus populaires pour les applications de plaquettes de frein d’éolienne sont les composites à matrice métallique à base de cuivre fabriqués par la méthode de métallurgie des poudres. D'une part, le cuivre a une bonne conductivité thermique et disperse adéquatement la chaleur générée lors du freinage. D'autre part, la métallurgie des poudres permet une addition facile de diverses poudres avec une distribution uniforme, tout en limitant la ségrégation et les réactions indésirables. Ces matériaux incorporent des renforts (additifs) dans diverses fractions volumiques pour contrôler le coefficient de frottement, la résistance à l'usure ainsi que les propriétés mécaniques. La simple sélection de renforts selon diverses proportions n’est pas suffisante pour obtenir les propriétés mécaniques et tribologiques souhaitées. les propriétés suivants des additifs ont des effets significatifs sur les caractéristiques mécaniques et tribologiques de ces matériaux: leur 1) dureté, 2) résistance, 3) réactivité de surface, 4) taille, 5) forme, 6) ténacité et la conductivité thermique ainsi que 7) leurs liaisons à la matrice et les propriétés de leur interface avec la matrice. Ce projet porte une attention particulière à la modification des liaisons entre les additifs et la matrice et au choix des additifs de bons taille, forme et type. Ce travail de recherche met en évidence le développement d'une large gamme de nouveaux matériaux de friction pour les plaquettes de frein qui peuvent être adaptés à différentes applications en fonction des propriétés tribologiques et mécaniques requises. La comparaison avec le matériau commercial existant est présentée en termes de coefficient de frottement (COF), de taux d'usure et de propriétés mécaniques. Les nouvelles formulations permettent de réduire le taux d'usure moyen d’environ 6 fois et d'augmenter le COF de 55% allant de 0,28 à 0,43. La charge de cisaillement maximale et la dureté Brinell peuvent augmenter respectivement jusqu’à 3,5 fois et 47%. / The most popular friction materials for brake pad applications are copper-based metal matrix composites fabricated with the powder metallurgy process. On the one hand, copper has good thermal conductivity and disperses heat generated during braking. On the other hand, powder metallurgy (PM) allows easy addition of various powder additives with even distribution and limits segregation and undesirable reactions. These materials incorporate reinforcements (additives) in various volume fractions in order to control the coefficient of friction, wear resistance, and mechanical properties. To achieve the desired mechanical and tribological properties, selection of additives with their respective proportion is not sufficient. Hardness, strength, surface reactivity, size, shape, toughness, and thermal conductivity of the additives, as well as their adhesion strength to the matrix and the properties of their interface with the matrix have significant effects on the mechanical and tribological characteristics of the friction materials. Particular focus is made on modifying the bonds between the additives and the matrix and choosing the additives with the right size, shape, and chemistry. This research highlights the development of a wide range of novel PM brake pad lining materials, which can be tailored to different applications depending on the required tribological and mechanical properties. A comparison with existing commercial material is presented in terms of the coefficient of friction, wear rate, and mechanical properties. The new formulations allow reduction of the average wear rate by 6 times and increase the COF by 55 % ranging from 0.28 to 0.43. In addition, the maximum shear load and Brinell apparent hardness can increase by 3.5 times and 47 %, respectively.

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik des Lichtbogendrahtspritzens, das Verwenden von chromreichen Fe-Basislegierungen zur Herstellung von korrosionsbeständigen und gleichzeitig tribologisch geeigneten Zylinderlaufbahnbeschichtungen für Verbrennungsmotoren untersucht und qualifiziert. Der Einfluss der gewählten Werkstoffe und die durch die Beschichtung resultierenden Schichteigenschaften werden anhand von Ergebnissen der Tribologie- und Korrosionstests verglichen. Die Bewertung liefert einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen bei der Herstellung solcher Funktionsschichten. Es werden sowohl materialografische als auch diverse andere Charakterisierungsmethoden herangezogen. Ergänzt werden die Ergebnisse durch die Voraussage des motorischen Verhaltens und der anschließenden motorischen Qualifizierung des neuen Beschichtungssystems sowie die darauf folgenden Befundungen, welche der Bestätigung der theoretischen und im Laborumfeld ermittelten Erkenntnisse zum tribologischen und korrosiven Verhalten solcher Systeme dienen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und einem Ausblick und gibt Empfehlungen für weiterführende Vertiefungen auf diesem Gebiet. / In the presented work it has been researched and qualified based on the knowledge about twin wire arc spray deposition states, the utilization of iron base chromium materials as a corrosion resistance and tribological useful cylinder liner coating for engine applications. The influence of the material selection and the produced twin wire arc coating properties has been compared with the results of the tribology and corrosion test. The comparison allows the understanding of the circumstances and relation by producing such functional coatings. Several materialographic-, tribological and corrosion tests have been done. In addition, the testing results were confirmed by a real engine application and a final analyses of the coating after engine run which delivers more information to understand the theory and laboratory testing results. The work discusses the achieved results and gives a forecast for further investigations in this field of science.

Ziel der Untersuchungen war es, Grundlagen für den Einsatz von hochgefüllten WPC in tribologisch funktionalen Maschinenelementen, wie z. B. Gleitschienen in Stückgutförderern zu schaffen. Aufbauend auf einem Kurzzeitversuch verschiedener hoch gefüllter WPC mit Polypropylenmatrix (PP- Matrix), wurde untersucht, wie sich ein steigender Holzanteil, eine Wasserlagerung sowie die Matrix selbst durch Ersatz der PP durch eine Polyethylenmatrix (PE-Matrix) auf das tribologische Langzeitverhalten des Werkstoffes auswirken. / The aim of the research was to create basic knowledge for the use of highly filled WPC in tribological functional machine elements, e. g. sliding rails in conveyors. Based on a short-term test of several highly filled WPCs with polypropylene matrix (PP matrix), the impact of several parameters on the long-term performance of WPC was investigated. These parameters were: a rising proportion of wood, an immersion in water over 700 hours and the matrix itself. In that case the PP matrix was replaced by a polyethylene matrix (PE matrix).

Im Beitrag werden Möglichkeiten zur Optimierung von Reibsystemen durch geometrische Veränderung der Kontaktfläche erörtert. Als mögliches Einsatzgebiet bieten sich Linearführungen, wie sie z. B. an einem Gleitkettenförderderer im Bereich der Fördertechnik vorliegen, an. Die Untersuchungen zeigen, dass die sich einstellende Flächenpressung einen erheblichen Einfluss auf den Reibwert hat und, wie experimentell nachgewiesen wurde, zu einer Halbierung des Reibwertes führen kann. Basierend auf Ergebnissen mit mikrostrukturierten Oberflächen (Erodierstrukturen verschiedener Rauigkeitsklassen), wurde die Probengeometrie vereinfacht und die dargestellten Experimente mit kugelförmigen Probekörpern durchgeführt. Für die Versuche wurde ein nach dem Kugel-Platte-Prinzip arbeitendes Tribometer mit oszillierender Bewegung einer fixierten Kugel über eine fest eingespannte Platte verwendet. Die Versuchsdauer betrug jeweils mindestens 24 h. Ein Großteil der Untersuchungen wurde mit verschieden additivierten PE-UHMW-Typen als Plattenwerkstoff und Kugeln aus Stahl, PA und POM als Gegenkörper durchgeführt. Weiterhin wurden Plattenwerkstoffe wie PP, POM und PE-300 betrachtet, wobei grundlegend das gleiche Reibverhalten zu beobachten war. Allerdings fällt der Verschleiß an den PE-UHMW besonders gering aus und äußert sich nur durch eine definierte Laufspur ohne nennenswerte Abriebpartikel. Die aufgebrachten Lasten im Bereich von FN = 10 – 280 N bei einem Kugeldurchmesser von 8 mm führen dabei bei allen Proben zur Überschreitung der Streckgrenze und in Folge liegt eine plastisch deformierte Laufspur vor. Weiterhin wurde anhand ausgewählter Paarungen die Geschwindigkeit von 0,01 – 0,7 m/s variiert, wobei die Paarungen mit Kunststoffkugeln hier ebenfalls eine deutliche Reduktion des Reibwertes (bis 30 %) bei Geschwindigkeitserhöhung zeigten. Anhand ausgewählter Experimente werden die Ergebnisse hinsichtlich des Temperatureinflusses sowie deformativer und adhäsiver Reibanteile diskutiert. Die positiven Resultate zeigen, dass durch das gezielte Einstellen der Flächenpressung mit Hilfe von Oberflächenstrukturen Reibwertreduktion von 50% möglich sind. Dieses Verhalten geht mit der Verschleißreduktion und einer Stabilisierung des Reibwertverlaufs im Vergleich zu flächigen Probekörpern einher. Perspektivisch kann dadurch auf eine aufwendige Additivierung der beteiligten Kunststoffe (z. B. mit Wachs, Silikonöl, PTFE) verzichtet werden und das Eigenschaftenprofil (Festigkeit, Steifigkeit) der Werkstoffe bleibt unverändert.

Für die Stetigförderung von Gütern werden zunehmend Kunststoffgleitketten und Führungsschienen eingesetzt. Einerseits wird dies durch Möglichkeiten wie die Herstellung im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren, der Verzicht auf Schmierung im Betrieb und eine hohe Anpassungsmöglichkeit der Werkstoffe nach Einsatzbedingungen begünstigt. Andererseits untermauert das Eigenschaftenportfolie wie geringe Dichte, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute tribologische Eigenschaften den Einsatz von Kunststoffen in Förderanlagen. Die Förderanlage selbst weist dabei vielerlei tribologische Kontaktstellen auf. Je nach Aufbau der Kette (gerad- oder kurvengängig) entstehen verschiedene Kontaktbereiche, welche diversen Pressungen (0,05 – 15 MPa) und unterschiedlich andauernden Belastungszeiträumen unterliegen. Allen Kettensystemen gemein ist die Kontaktpaarung Kette/ Abstützung (Gleitschiene). Besondere Bedeutung hinsichtlich der Energieeffizienz erlangt diese Paarung aufgrund der Tatsache, dass ein Bewegungswiderstand zwischen Gleitkette und der entsprechenden Abstützung überwunden werden muss. Der Reibwert beeinflusst maßgeblich die benötigte Antriebsenergie und hat Auswirkungen auf die Belastung und den Verschleiß des Kettensystems. Als Kettenwerkstoffe haben sich besonders die technischen Kunststoffe Polyoxy-methylen (POM), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyamid (PA) am Markt bewiesen, für Gleitschienen wird meist ultrahochmolekulares Polyethylen (PE UHMW) verwendet. Trotz der Beschränkung auf diese Polymere ergibt sich durch die Zugabe von Additiven und/ oder Fasern ein sehr breites Werkstoffspektrum. Im Beitrag werden gesammelte Erkenntnisse und Phänomene der tribologischen Modellprüfung am eigens entwickelten Prüfstand des Institutes für Fördertechnik und Kunststoffe (ifk) der TU Chemnitz beschrieben. Es werden Erklärungsansätze für den Einfluss der Umgebungs- und Kontakttemperatur, Oberflächenstrukturierung und die Wirkung einzelner Gleitadditive auf das Reibungs- und Verschleißverhalten erörtert.