ma sát, mòn và bôi trơn trong kỹ thuật: phần 2

Chương 3<br /> LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN<br /> 1. KHÁI NIỆM CHUNG<br /> 1.1. Khái niệm<br /> Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay quá trình tách vật liệu từ một<br /> hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối<br /> với nhau.<br /> Nói chung, mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt.<br /> Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt<br /> tiếp xúc bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn<br /> chảy, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị<br /> tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp<br /> hoặc hoặc tách ra thành những hạt mòn rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ<br /> dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng<br /> tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa<br /> mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, tuy nhiên sự phá huỷ<br /> của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng<br /> hoặc thể tích của vật thể cũng được coi là mòn.<br /> Giống như ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà<br /> là sự phản ứng của một hệ thống. Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng<br /> trực tiếp tới mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Mòn có quan hệ với ma sát tuy<br /> nhiên không phải cứ ma sát lớn là gây ra mòn với tốc độ cao. Ví dụ các<br /> cặp bề mặt tiếp xúc sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát<br /> tương đối thấp nhưng mòn lại tương đối cao, trái lại ceramics cho ma sát<br /> trung bình nhưng mòn lại rất thấp. Thường hệ số ma sát trượt của đa số<br /> cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1, nhưng tốc độ mòn có thể<br /> thay đổi trong phạm vi rất lớn. Điều này được giải thích là do mòn liên<br /> quan đến nhiều hiện tượng đa dạng kết hợp với nhau theo cơ chế không<br /> thể dự đoán trước được và thay đổi trong phạm vi rất rộng.<br /> Mòn có thể có hại hoặc có ích. Mòn của đầu bút chì, khi mài, đánh<br /> bóng, và nạo là các ví dụ về mòn có lợi. Mòn là điều không mong muốn<br /> 91<br /> <br /> trong các bộ phận và chi tiết như ổ, phớt, bánh răng và cam. Chi tiết có<br /> thể phải thay thế khi bị mòn một lượng rất nhỏ hoặc nếu như bề mặt bị<br /> quá ráp. Trong các hệ được thiết kế tốt về ma sát, mòn và bôi trơn, quá<br /> trình mòn xảy ra rất chậm nhưng ổn định và liên tục. Tuy nhiên sự sinh<br /> ra và tuần hoàn của các hạt mòn có thể gây ra phá huỷ bề mặt trên các bề<br /> mặt tiếp xúc chung. Khi các mòn hạt có kích thước lớn hơn khe hở tiếp<br /> xúc có thể gây ra phá hỏng bề mặt gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả<br /> năng làm việc của đôi ma sát hơn là lượng mòn thực tế.<br /> 1.2. Phân loại mòn<br /> Mòn xảy ra do các tương tác cơ, điện, hoá và nói chung chịu xúc tác<br /> của nhiệt ma sát. Do tương tác cơ học các vết nứt có thể xuất hiện do<br /> hiện tượng bẻ gãy các liên kết phân tử trong chất dẻo, sự trượt trong kim<br /> loại, sự phá vỡ biên giới hạt trong ceramics hoặc sự phá huỷ bề mặt của<br /> composite hoặc vật liệu nhiều pha. Các vết nứt này sẽ phát triển và tạo ra<br /> các hạt mòn.<br /> Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung<br /> một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính (adhesive),<br /> cào xước (abrasive), mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá, ăn mòn và điện.<br /> Các dạng mòn khác thường gặp như fretting hay ăn mòn fretting là sự kết<br /> hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và va chạm. Theo thống kê, khoảng<br /> hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do cơ chế dính vật và cào<br /> xước. Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra<br /> liên tục.<br /> Trước khi lựa chọn vật liệu hoặc các phương pháp xử lý vật liệu để<br /> tăng khả năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu được các quá<br /> trình mòn đang hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết<br /> mòn kết hợp với kiến thức về chế độ tương tác bề mặt hoặc các tính chất<br /> bề mặt. Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều<br /> trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết<br /> hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn.<br /> Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ<br /> chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi. Kính hiển vi và rất nhiều kỹ<br /> thuật phân tích bề mặt được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu về phân<br /> 92<br /> <br /> tích bề mặt. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác<br /> nhau, các dạng hạt mòn cũng như các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu.<br /> 2. CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN<br /> 2.1. Mòn do dính<br /> 2.1.1. Khái niệm<br /> <br /> Hình 3-1 : Sơ do mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo<br /> bề mặt tiếp xúc chung (giữa CT 1&2) hoặc lấn vào một trong hai bề mặt<br /> (chi tiết 2).<br /> <br /> 93<br /> <br /> Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau.<br /> Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải<br /> trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến<br /> dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời.<br /> Một số mảnh mòn còn được sinh ra theo cơ chế mòn do mỏi ở đỉnh các<br /> nhấp nhô.<br /> Một số giả thuyết được đưa ra để giải thích cơ chế tách một mảnh vật<br /> liệu do dính. Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trượt, sự cắt có thể xảy<br /> ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại<br /> chỗ tiếp xúc. Trong phần lớn các trường hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ<br /> hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên mặt tiếp xúc chung,<br /> mòn bằng không (Hình 3-1). Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc, sự cắt<br /> xảy ra vào và dính sang bề mặt đối tiếp (Hình 3-1). Mảnh vật liệu dính<br /> này có dạng hình khối đặc biệt<br /> Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển<br /> động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác<br /> dụng của ứng suất nén và cắt và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt<br /> 94<br /> <br /> phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trượt<br /> này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng (Hình 3-2(a)). Nếu biến dạng<br /> dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có<br /> dạng hình chêm như trên Hình 3-2(b) và dính sang bề mặt đối tiếp. Quá<br /> trình trượt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối<br /> tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy<br /> trong môi trường hoặc do năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng dính.<br /> Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai<br /> loại vật liệu đều được tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn<br /> thường lớn hơn. Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu có<br /> độ cứng cao hơn tạo nên các vùng cục bộ có sức bền thấp. Khi những<br /> vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền cao của vật liệu mềm hơn<br /> sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn. Những mảnh mòn loại<br /> này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải.<br /> Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn được gọi là galling,<br /> scuffing, welding hay smearing.<br /> 2.1.2. Các phương trình định lượng<br /> Định luật mòn dính của archard<br /> Giả thiết tiếp xúc được tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các<br /> nhấp nhô có bán kính a như trên Hình 3-3.<br /> <br /> Hình 3-3: Sơ đồ mô hình 1ý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong<br /> tiếp xúc ma sát trượt<br /> Có thể thấy diện tích của mỗi tiếp xúc là: πa2. Mỗi tiếp xúc sẽ chịu<br /> một tải trọng là: poπa2, trong đó po là giới hạn chảy. Các bề mặt sẽ dịch<br /> chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết mảnh mòn sinh<br /> 95<br /> <br />