Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 1 Phần 2. Mòn 1. Khái niệm về mòn Mòn là hiện tợng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trợt, lăn hoặc va chạm tơng đối với nhau. Nói chung mòn xảy ra do sự tơng tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tơng đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vợt quá giới hạn dẻo, nhng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trờng hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lợng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lợng hoặc thể tích của vật cũng là một dạng mòn. Giống nh ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống. Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hởng trực tiếp tới mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Rất sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. Ví dụ các cặp bề mặt tiếp xúc sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát tơng đối thấp nhng mòn lại tơng đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhng mòn lại rất thấp. Thờng hệ số ma sát trợt của đa số cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1, nhng tốc độ mòn có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn. Điều này đợc giải thích là do mòn liên quan đến nhiều hiện tợng đa dạng kết hợp với nhau theo kiểu không thể dự đoán trớc đợc và thay đổi trong phạm vi rộng. Mòn có thể có hại hoặc có ích. Khi viết bằng bút chì, mài, đánh bóng, và cạo là các ví dụ về mòn có lợi. Mòn là điều không mong muốn trong các bộ phận và chi tiết nh ổ, phớt, bánh răng và cam. Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một lợng rất nhỏ hoặc nếu nh bề mặt bị quá ráp. Trong các hệ đợc thiết kế tốt về ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhng ổn định và liên tục. Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mài trên các bề mặt tiếp xúc chung có kích thớc lớn hơn khe hở tiếp xúc có thể tạo nên tác dụng nghiêm trọng hơn là lợng mòn thực tế. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác nhau và các dạng hạt mòn cũng nh các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu. 2. Phân loại mòn Mòn xảy ra do các tơng tác cơ, điện và/hoặc hoá và nói chung chịu xúc tác của nhiệt ma sát. Do tơng tác cơ học các vết nứt có thể xuất hiện do hiện tợng bẻ gãy các liên kết phân tử trong chất dẻo, sự trợt trong kim loại, sự phá vỡ biên giới hạt trong ceramics hoặc sự phá huỷ bề mặt của composite hoặc vật liệu nhiều pha. Các vết nứt này sẽ phát triển và tạo ra các hạt mòn. Mòn bao gồm sáu hiện tợng chính tơng đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trợt đó là: dính (adhesive), abrasive, mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá hay ăn mòn, và điện. Các dạng mòn khác thờng gặp nh fretting hay ăn mòn fretting là sự kết hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và va chạm. Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính và abrasive. Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tợng xảy ra từ từ. Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 2 Trớc khi lựa chọn vật liệu hoặc các phơng pháp xử lý vật liệu để tăng khả năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu đợc các quá trình mòn đang hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết mòn kết hợp với kiến thức về chế độ tơng tác bề mặt hoặc các tính chất bề mặt. Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trờng hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định đợc các cơ chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi. Kính hiển vi và rất nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt đợc sử dụng để phân tích các bề mặt này. 2.1. Mòn do dính 2.1.1. Khái niệm Hình 2.1. Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung (1) hoặc lấn vào một trong hai bề mặt (2). Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trợt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trợt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trợt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời. Một số mảnh mòn còn đợc sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Một số giả thuyết đợc đa ra để giải thích cơ chế tách một mảnh vật liệu do dính. Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trợt, sự cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Trong phần lớn các trờng hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không (hình 2.1). Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc, sự cắt xảy ra vào vùng lân cận của một trong hai vật thể và dính sang bề mặt đối tiếp (hình 2.1). Mảnh vật liệu dính này có dạng hình khối đặc biệt Hình 2.2. Sơ đồ mô tả sự dính của các mảnh mòn dạng cánh mỏng và dạng hình nêm. Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 3 Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trợt tơng đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dới tác dụng của ứng suất nén và tiếp và sự trợt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trợt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trợt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng (hình 2.2(a)). Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình nêm nh trên hình 2.2(b) và dính sang bề mặt đối tiếp. Quá trình trợt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy trong môi trờng hoặc do năng lợng đàn hồi lớn hơn năng lợng dính. Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai loại vật liệu đều đợc tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn thờng lớn hơn. Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu cứng hơn tạo nên các vùng cục bộ có sức bền thấp. Khi những vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền cao của vật liệu mền hơn sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn. Những mảnh mòn loại này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải. Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn đợc gọi là galling, scuffing, welding hay smearing. 2.1.2. Các phơng trình định lợng Định luật mòn dính của a aa archard Giả thiết tiếp xúc đợc tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô có bán kính a (hình 2.3). Hình 2.3. Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong tiếp xúc ma sát trợt. Diện tích của mỗi tiếp xúc là: a 2 Mỗi tiếp xúc sẽ đỡ một tải trọng là: p o a 2 , trong đó p o là giới hạn chảy. Các bề mặt sẽ dịch chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết mảnh mòn sinh ra từ mỗi đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích 3 a 3 2 . Tổng thể tích mòn Q trên một đơn vị chiều dài trợt đợc xác định nh sau: n 3 a a 3 1 a 2 a 3 2 Q 2 2 3 = = = Trong đó n là tổng số các tiếp xúc và tải trọng pháp tuyến tổng W sẽ là: W = p o a 2 n Hay: o 2 p W an = Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 4 Do đó: o p3 W Q = Nếu chỉ có một phần k các tiếp xúc nhấp nhô gặp nhau và tạo nên hạt mài thì: o p3 W kQ = Trong đó k là hệ số xác xuất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài. Từ phơng trình này có thể rút ra ba quy luật mòn. - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với quãng đờng trợt; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu mềm hơn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k giữa thép và thép giữ hằng số cho đến ứng suất khoảng H/3 (H là độ cứng của thép). Khi tăng ứng suất trên giá trị này tốc độ mòn tăng mạnh hàn và seizure xảy ra. Điều này vẫn đúng khi vật liệu đối tiếp các kim loại khác. Tuy nhiên ngoài độ cứng, các tính chất khác của vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hởng tới tốc độ mòn. Thuyết mòn dính của Rowe Rowe đã bổ xung lý thuyết mòn của archard có kể đến tác dụng của lớp màng bề mặt (surface films). Ak p3 W kQ o '== Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại A m . Q = k m .A m k m là một hằng số cho kim loại trợt và độc lập với các tính chất của chất bôi trơn hay của lớp màng bề mặt. Đặt A A m = là tỷ số giữa diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại kim loại và thực khi có lớp bôi trơn. o mm p W kAkQ == Theo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp tuyến tĩnh gây ra p o . p 2 + s 2 = 2 o p Do s = à p ( à là hệ số ma sát) nên ( ) 21 2 o 1 p p / à+ = Do đó: ( ) o 21 2 m p W 1kQ à+= / Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 5 2.2. Mòn do cào xớc Hình 2.4. Sơ đồ (a) bề mặt cứng và nhám hoặc bề mặt gắn các hạt cứng trợt trên bề mặt mềm hơn (b) các hạt cứng tự do kẹt giữa các bề mặt trong đó ít nhất một bề mặt có độ cứng thấp hơn hạt cứng. Mòn do cào xớc xảy ra khi các nhấp nhô của một bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trợt trên một bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Trong trờng hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trờng hợp tải nhẹ nhất. Trong trờng hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách khi đó trên vùng mòn nứt tách là biểu hiện chủ yếu. Có hai trờng hợp mòn do cào xớc. Trong trờng hợp thứ nhất (cào xớc hai vật) bề mặt cứng là bề mặt cứng hơn trong hai bề mặt trợt (hình 2.4(a)). Mòn sẽ không xảy ra nếu bề mặt cứng hơn tuyệt đối phẳng và nhẵn. Trong trờng hợp thứ hai (cào xớc ba vật), bề mặt cứng là vật thứ ba, các hạt cứng nằm giữa hai bề mặt khác và đủ cứng để mài một trong hai bề mặt này (hình 2.4(b)). Mòn cũng không xảy ra nếu các hạt mài quá bé hoặc mềm hơn các bề mặt trợt. Trong nhiều trờng hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá, biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trờng hợp hạt cứng sinh ra và đa vào hệ thống trợt từ môi trờng. Các nghiên cứu thực nghiệm về mòn do hạt cứng cho thấy hiện tợng cào xớc trên bề mặt mền hơn thể hiện bằng hàng loạt các rãnh song song với hớng trợt. Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo của các lớp dới bề mặt ít hơn so với mòn do dính. Tuy nhiên độ cứng tế vi của bề mặt mòn tăng từ 10-80%. Mòn do cào xớc đợc ứng dụng rộng rãi trong các nguyên công gia công tinh nh mài, đánh bóng vv. 2.2.1. Mòn do cào xớc bằng biến dạng dẻo 2.2.1.1. Cơ chế mòn Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 6 cào xớc có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) và cắt. Cày là hiện tợng tạo rãnh do hạt cứng trợt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của rãnh mà không bị tách ra. Tuy nhiên sau nhiều lần nh thế phần vật liệu này có thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng dẻo của các lớp dới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết nứt tế vi. Quá trình chịu tải và bỏ tải tiếp theo (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao) làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với nhau tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trờng hợp vật liệu rất mềm nh indium và chì, khối lợng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang hai bên của rãnh. Sự hình thành lợng vật liệu dồn ép ở phía trớc của hạt cứng là một dạng mòn do cào xớc. Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và một lợng vật liệu bị dồn ép ở phía trớc của nó. Điều này thờng xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu cao (0,5-1). Khi này chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh còn phần lớn sẽ dồn ép về phía trớc của hạt cứng tạo nên hiện tợng này. Dạng cắt của mòn do cào xớc xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dới dạng mảnh mòn có dạng giống nh phoi dây hoặc vụn. Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lợng vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ. Challen và Oxley đã phân tích ba chế độ biến dạng phân biệt trên của mòn do cào xớc sử dụng vùng đờng trợt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tởng (chêm 2D). Theo phân tích này vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp nhô chỉ chịu biến dạng phẳng. Hình 2.5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn Hình 2.5. Sơ đồ vùng đờng trợt của ba chế độ biến dạng của vật liệu rắn, tuyệt đối dẻo gây ra bởi sự trợt của hình nêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt. (a) (b) (c) Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 7 Hình 2.6. Sơ đồ ba chế độ của mòn cào xớc và profile tơng ứng của mặt cắt ngang quan sát trên SEM (a) chế độ cắt của đầu thép trợt trên đĩa đồng (b) chế độ dồn ép vật liệu của đầu thép trên đĩa thép trắng (c) chế độ cày của đầu thép trên đĩa đồng sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng. Hình 2.5(c) chỉ ra chế độ cắt, vật liệu phía trớc của hạt cứng bị cắt ra do bị biến dạng trong vùng biến dạng thứ nhất tạo thành phoi. Hình 2.5(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trớc hạt cứng. Sự dính xảy ra giữa mặt trớc của hạt cứng và vật liệu bị đẩy dồn ra khỏi bề mặt. Một phần vật liệu này bị dồn sang hai bên, phần còn lại dính ở phía trớc hạt cứng và cuối cùng bị tách ra giống nh trờng hợp cắt. Đối với kim loại dẻo, các cơ chế cày, dồn ép và cắt đợc quan sát trên SEM trên hình 2.6. Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này. Các Hình 2.7. Các chế độ biến dạng quan sát khi trợt mũi cầu cứng trên đồng , thép các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số của sức bền cắt trên mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu. yếu tố quyết định là góc tiếp xúc , mức độ chìm sâu của hạt cứng và sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên hình 2.7. Mức độ chìm sâu của hạt cứng là tỷ (a) (b) (c) Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 8 số giữa chiều sâu rãnh và bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt là tỷ số giữa sức bền bề mặt và sức bền trong lòng vật thể. Trong trờng hợp hạt cứng có đầu nhọn sẽ tồn tại một góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày và dồn ép sang cắt. Góc tiếp xúc giới hạn này phụ thuộc vào vật liệu bị mòn. Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày và dồn ép sang cắt sẽ tăng khi hệ số ma sát tăng. 2.2.1.2. phơng trình định lợng Khảo sát mô hình đơn giản trong đó một bề mặt mang một dãy các nhấp nhô hình nón cứng trợt trên bề mặt phẳng và tạo nên các rãnh có chiều sâu đồng đều. Hình 2.8 chỉ ra một nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc) tạo nên một rãnh trên bề mặt vật liệu mềm hơn với chiều sâu d và chiều rộng 2a. Giả thiết rằng vật liệu đạt tới giới hạn chảy dới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Hình 2.8. Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trợt với bề mặt vật liệu mềm hơn của chế độ mòn do cào xớc. Ha 2 1 dW 2 = Trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn. Thể tích vật liệu bị dịch chuyển trên khoảng trợt x sẽ là: dv = a 2 xtg Từ đó ta có: H dWxtg2 dv = Tổng thể tích vật liệu bị dịch chuyển bởi tất cả các nhấp nhô là: ( ) H tgWx2 v tb = Trong đó (tg ) tb là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám. Phơng trình này đợc rút ra từ một mô hình rất đơn giản bởi vì sự phân bố về hình dáng, chiều cao nhấp nhô và vật liệu tích tụ ở phía trớc của các nhấp nhô đều bỏ qua. Một phơng trình có dạng tơng tự nh phơng trình của Archard cho mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn cào xớc là: H Wx kv abr = K abr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác xuất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác xuất cày. Vì vậy độ nhám ảnh hởng đến thể tích mòn rõ ràng. Giá trị của k abr thay đổi trong dải từ 10 -6 đến 10 -1 . Tốc độ mòn do cào xớc thờng rất lớn gấp khoảng 2-3 lần so với mòn do dính. Phơng trình mòn do cào xớc hai vật thể cũng đúng trong trờng hợp mòn Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 9 do cào xớc ba vật thể nhng hệ số k abr thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hớng lăn nhiều hơn trợt. Trong quá trình mòn, hiện tợng cùn của các nhấp nhô cứng hay các hạt cứng xảy ra làm giảm tốc độ mòn. Tuy nhiên, các hạt cứng dòn có thể vỡ ra tạo thành các hạt mới sắc làm tăng tốc độ mòn. 2.2.2. Mòn do cào xớc bằng nứt tách Hình 2.9. Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trợt trên mặt phẳng của vật liệu dòn do nứt ngang (lateral fracture). Khảo sát một hạt cứng sắc trợt trên mặt phẳng của một vật rắn dòn. Khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi tải trọng pháp tuyến vợt qua một giá trị nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn. Tải trọng giới hạn tỷ lệ với c 3 c K H K trong đó H/K c gọi là chỉ số độ dòn, H là độ cứng và K c là độ dai va đập. Từ hình 2.10 có thể thấy rằng các vết nứt ngang phát triển từ ứng suất d gây ra khi vật liệu bị biến dạng. Chiều dài lớn nhất của vết nứt vì thế chỉ đợc phát hiện khi hạt cứng rút ra khỏi bề mặt. Khi hạt cứng trợt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng dới bề mặt bị biến dạng. Các mảnh mòn đợc tách ra dới dạng các mảnh đa diện từ vùng giới hạn bởi các đờng nứt ngang tới bề mặt trợt. Hình 2.10. Sự hình thành và phát triển của vết nứt trong các chu kỳ chịu và nhấc tải của kính đá vôi sử dụng mũi hình tháp nhọn. Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN http://www.ebook.edu.vn 10 Chiều dài vết nứt c của hạt cứng trợt trên bề mặt vật liệu dòn trên hình 2.9 đợc xác định nh sau: ( ) 85 8121 c 53 1 W HK HE c / // / / = Trong đó 1 là hằng số phụ thuộc vào hình dáng của hạt cứng không phụ thuộc vật liệu. Chiều sâu d của vết nứt ngang trên hình 2.9 đợc tính nh sau: 2152 2 H W H E d // = Trong đó: 2 là hằng số không phụ thuộc vật liệu khác. Thể tích lớn nhất của vật liệu bị tách ra do một hạt cứng trên một đơn vị chiều dài trợt là 2dc. Nếu N đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải và mỗi nhấp nhô chịu tải là W thì thể tích mòn trên một đơn vị chiều dài trợt sẽ là: ( ) 8521 c 89 3 HK WHE Nv // / / = Trong đó 3 là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu. Vì (E/H) không thay đổi nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với 21 c K / , H 5/8 . Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W 9/8 nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến nh trong biến dạng dẻo. Điều này ngụ ý rằng hệ số mòn trong phơng trình mòn không độc lập với tải trọng. 2.3. Mòn do mỏi Mỏi xuất hiện dới và trên bề mặt xảy ra tơng ứng với tiếp xúc lăn và trợt theo chu kỳ. Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ có thể là nguyên nhân gây ra các vết nứt dới hoặc trên bề mặt. Sau một số chu kỳ giới hạn các vết nứt sẽ phát triển tới bề mặt tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ. Khác với mòn do dính hoặc cào xớc khối lợng mòn do mỏi không phải là thông số có ý nghĩa để đánh giá mòn mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trớc khi mỏi xảy ra. Sự phát triển của vết nứt trở nên mạnh hơn dới tác dụng hoá học (thờng xảy ra với ceramics) gọi là mỏi tĩnh. Sự tồn tại của ứng suất kéo và hơi nớc ở đỉnh của vết nứt trong nhiều loại ceramics làm tăng tốc độ phát triển của vết nứt đáng kể. Tác dụng thúc đẩy biến dạng và nứt tách do tác nhân hoá học làm tăng mòn trong cả điều kiện tĩnh và động lực của lăn và trợt. 2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trợt Mỏi tiếp xúc lăn không trợt Mòn do dính hoặc do cào xớc xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa hai bề mặt chuyển động tơng đối với nhau. Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra. Tuy nhiên nếu trên mặt tiếp xúc chung với tiếp xúc nonconforming, ứng xuất tiếp xúc rất lớn. Khi này mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn chịu ứng suất lớn đợc truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn. Các chi tiết của ổ lăn đợc thiết kế bôi trơn tốt thờng bị hỏng vì mỏi xảy ra dới bề mặt. Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên bề mặt nhng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện dới bề mặt một khoảng nào đó. Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết. Thời gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cờng độ của ứng suất tiếp đổi chiều, điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn. [...]... dụng giảm hệ số ma sát v tốc độ mòn Cả hệ số ma sát v mòn đều giảm khi tăng độ ẩm không khí khi sử dụng các đôi http://www.ebook.edu.vn 22 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN ma sát trợt nitrit silic v các bít silic Hình 2. 20 chỉ ra ảnh hởng của vận tốc đến hệ số ma sát v tốc độ mòn Sau khi đạt tới vận tốc 20 0m/s nhiệt sinh... học hay còn gọi l mỏi tĩnh Hình 2. 22 Hệ số ma sát v thể tích mòn l một h m số của nhiệt độ khi nhôm trợt trên nó (bi trên đĩa) với tải trọng 59N v vận tốc trợt l 1,4 mm/s ảnh hởng của nhiệt độ đến hệ số ma sát v mòn chỉ ra trên hình 2. 22 ở nhiệt độ dới 20 0C v trên 800C hệ số ma sát v thể tích mòn nhỏ Trong dải nhiệt độ 20 0C - 800C, hệ số ma sát v mòn rất lớn 3.3 Ma sát v mòn chất dẻo Chất dẻo đợc ứng... F (t )dx(t ) = u i o Với 0 S 2 H 2H 0 kmv 2 2kut i Fo 1 v= = 1 Với S 2 2 àH H S Khi thể tích mòn trong một chu kỳ đợc xác định, mòn tổng sau N chu kỳ có thể xác định bằng cách nhân mòn đơn vị với N http://www.ebook.edu.vn 15 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN 2. 4 Mòn hoá học Mòn hoá học xảy ra khi các bề mặt... ceramics ôxuyt nh alumina v zirconia, ma sát v mòn của các ceramics n y rất nhạy cảm với nớc nhng hệ số ma sát v mòn tăng khi tăng độ ẩm tơng đối (hình 2. 21) sự tăng tốc độ mòn xảy ra do tốc độ phát triển của nứt tách tăng lên bởi liên kết giữa các ion ôxuýt v kim loại kề nhau http://www.ebook.edu.vn 23 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,... tribochemical l m tăng ma sát v mòn Hình 2. 19 ảnh hởng của môi trờng đến hệ số ma sát v tốc độ mòn của ceramics Nitrit Silic thiêu kết trợt trên nó (pin on disk), tải trọng 10N v vận tốc trợt 150m/s Hình 2. 20 Hệ số ma sát v tốc độ mòn của ceramics Nitrit Silic thiêu kết trợt trên nó (pin on disk) với tải trọng 10 N trong không khí Nứt tách hoá học của ceramics ôxuyt Hình 2. 21 Hệ số ma sát v tốc độ mòn của các... áp lực tổng hợp thẳng đứng sẽ l : 2 RlD cos d = RlD = W 2 Nên: R = W Dl 2 Nhng tốc độ tiêu thụ năng lợng trên một đơn vị diện tích tại bề mặt tiếp xúc Hình 2. 23 Sơ đồ của hai mặt trợt phẳng để rút ra mối quan hệ PV Hình 2. 24 Sơ đồ ổ đỡ bôi trơn chất rắn v lực tác dụng http://www.ebook.edu.vn 25 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,... hạt cao có tốc độ mòn cao hơn những vật liệu với mật độ biên giới hạt thấp hơn hoặc vật liệu đơn tinh thể 4.7 Quan hệ giữa ma sát v mòn Một câu hỏi thờng đặt ra về mối quan hệ giữa ma sát v mòn Trong mòn do hạt cứng (abrasive) ma sát thấp tơng ứng với mòn nhiều do các hạt mòn dễ d ng tách khỏi các bề mặt trợt Trong trờng hợp mòn do mỏi bề mặt, ma sát rất nhỏ có xu hớng đi kèm với mòn mạnh bởi vì sự... l nguyên nhân ma sát v mòn nhỏ http://www.ebook.edu.vn 29 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN 4.6 ảnh hởng của biên giới hạt Vùng biên giới hạt l vùng năng lợng cao đặc biệt tại bề mặt Đối với các vật liệu đa tinh thể, sự tồn tại của của biên giới hạt trong vật liệu ảnh hởng tới dính, ma sát, nứt bề mặt v mòn Thực nghiệm... http://www.ebook.edu.vn 12 Ma sát và mòn phần 2 TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN hạt sắc gây mòn mạnh hơn so với hạt cùn Đối với vật liệu dẻo, ngời ta đã quan sát đợc hai cơ chế mòn cơ bản do va chạm của hạt cứng đó l cắt (cutting erosion) v c y (ploughing erosion) Tuy nhiên mức độ mòn gây bởi hai cơ chế n y cũng phụ thuộc v o góc va chạm ở chế độ cắt mòn xảy... v o tốc độ biến dạng Hệ số ma sát của chất dẻo có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng theo các thông số nh tốc độ trợt v độ nhám bề mặt Hệ số ma sát của phần lớn chất dẻo với kim loại hoặc với chất dẻo nói chung trong phạm vi 0, 2- 0 ,4 Riêng PTFE trợt trên nó hệ số ma sát có thể thấp đến 0,05 3.3 .2 Mòn chất dẻo Có thể thấy hệ số ma sát của chất dẻo không thấp lắm nhng chúng mòn với tốc độ thấp v có thể . p o . p 2 + s 2 = 2 o p Do s = à p ( à là hệ số ma sát) nên ( ) 21 2 o 1 p p / à+ = Do đó: ( ) o 21 2 m p W 1kQ à+= / Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ. n 3 a a 3 1 a 2 a 3 2 Q 2 2 3 = = = Trong đó n là tổng số các tiếp xúc và tải trọng pháp tuyến tổng W sẽ là: W = p o a 2 n Hay: o 2 p W an = Ma sát và mòn phần 2 TS. Phan Quang Thế - Bộ. 10 -6 đến 10 -1 . Tốc độ mòn do cào xớc thờng rất lớn gấp khoảng 2- 3 lần so với mòn do dính. Phơng trình mòn do cào xớc hai vật thể cũng đúng trong trờng hợp mòn Ma sát và mòn phần 2 TS.