MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT

NGUYỄN ĐĂNG BÌNH PHAN QUANG THẾ MA SÁT, MỊN VÀ BƠI TRƠN TRONG KỸ THUẬT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MỊN VÀ Bơi TRƠN (TRIBOLOGY) SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY 10 VAI TRỊ CỦA TRIBOLOGY TRONG CƠNG NGHIỆP 12 Chương 14 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN 14 BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT 14 TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA LỚP BỀ MẶT 14 2.1 Lớp biến dạng 14 2.2 Lớp BEILBY 15 2.3 Lớp tương tác hoá học 15 2.4 Lớp hấp thụ hoá học 16 2.5 Lớp hấp thụ vật lý 16 2.6 Sức căng lượng bề mặt 16 2.7 Các phương pháp xác định đặc tính lớp bề mặt 17 PHÂN TÍCH ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 18 3.1 Các thông số đánh giá độ nhám tế vi trung bình 19 3.1.1 Các thông số biên độ 19 3.1.2 Các thông số không gian 21 3.2 Các phân tích thống kê 22 3.2.1 Phân bố xác suất biên độ hàm mật độ 22 3.2.2 Mô men hàm xác suất biên độ 24 3.2.3 Các hàm số phân bố chiều cao mặt 26 3.2.4 Đường cong diện tích tiếp xúc thực (BAC) 27 3.2.5 Các hàm số không gian 28 3.2.5.1 Các hàm số Aurocovariance & Autocorrelation 28 3.2.5.2 Hàm cấu trúc 30 3.2.5.3 Hàm số mật độ phổ lượng (PSDF) 30 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 30 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC 31 5.1 Mở đầu 31 5.2 Phân bố ứng suất tải trọng 32 5.2.1 Tải trọng tập trung dơn 32 5.2.2 Tải trọng phân bố 35 5.3 Chuyển vị tác dụng tải trọng 37 5.4 Tiếp xúc Hec 39 5.4.1 Tiếp xúc trụ 39 5.4.1.1 Phân hố ứng suất mặt tiếp xúc 39 U U 5.4.1.2 Phân bố ứng suất vùng tiếp xúc 41 5.4.1.3 Sự trượt tác dụng tải trọng tiếp tuyến 44 5.4.2 Tiếp xúc 3D tổng quát 47 5.4.3 Tiêu chuẩn cho chế độ biến dạng 52 Chương 54 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT 54 KHÁI NIỆM CHUNG 54 1.1 Các định luật ma sát trượt 54 1.2 Hệ số ma sát 54 1.3 Độ nhám bề mặt diện tích tiếp xúc thực 55 NGUYÊN NHÂN CỦA MA SÁT TRƯỢT 55 2.1 Tương tác bề mặt 56 2.2 Các dạng lượng mát 57 2.3 Thuyết ma sát dính 57 2.3.1 Thuyết ma sát dính đơn giản 57 2.3.2 Thuyết ma sát dính modified 59 2.3.3 Thuyết ma sát dính áp dụng cho kim loại lớp màng tạp chất 61 2.4 Biến dạng dẻo đỉnh nhấp nhô bề mặt 63 2.5 Hiệu ứng cày 66 2.6 Sự mát tính đàn hồi trễ 68 2.7 Năng lượng tiêu thụ ma sát 69 2.8 Ảnh hưởng vật liệu đến ma sát trượt 70 2.8.1 Ảnh hưởng hoạt tính hố học vật liệu 70 2.8.2 Ảnh hưởng cấu trúc tế vi 70 2.8.3 Ảnh hưởng biên giới hạt 71 MA SÁT LĂN 71 3.1 Khái niệm 71 3.2 Nguyên nhân ma sát lăn 73 MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT 75 4.1 Các tính chất ma sát, mịn bơi trơn vật liệu thể rắn 75 4.1.1 Các bề mặt kim loại chân không 75 4.1.2 Các bề mặt kim loại khơng khí 76 4.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ cứng, tính hồ tan cấu trúc tinh thể 76 4.2 Ma sát số vật liệu kỹ thuật 77 4.2.1 Ma sát gỗ, da đá 78 4.2.2 Ma sát kim loại hợp kim 78 4.2.3 Ma sát kính ceramics 81 4.2.4 Ma sát vật liệu bon bao gồm kim cương 83 4.2.5 Ma sát chất bôi trơn thể rắn 84 Chương 91 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN 91 KHÁI NIỆM CHUNG 91 CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN 93 2.1 Mịn dính 93 2.1.1 Khái niệm 93 2.1.2 Các phương trình định lượng 95 2.2 Mòn cào xước 97 2.2.1 Mòn cào xước biến dạng dẻo 99 2.2.1.1 Cơ chế mòn 99 2.2.1.2 Phương trình định lượng 102 2.2.2 Mòn cào xước nút tách 103 2.3 Mòn mỏi 105 2.3.1 Mỏi tiếp xúc lăn trượt 106 2.4 Mòn va chạm 109 2.4.1 Mòn va chạm hạt cứng (erosion) 109 2.4.2 Mòn va chạm vật rắn (percussion) 112 2.5 Mịn hố học 114 2.6 Mòn Tribochemical 115 2.7 Mòn fretting 116 MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 117 3.1 Mở dầu 117 3.2 Mòn kim loại hợp kim 118 3.2.1 Khái niệm chung 118 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến mòn ôxy hoá 120 3.2.3 Ảnh hưởng điều kiện vận hành 121 3.3 Mòn ceramics 124 3.4 Ma sát mòn chất dẻo 127 3.4.1 Ma sát chất dẻo 128 3.4.2 Mòn chất dẻo 128 3.4.2.1 Yếu tố P-V 128 3.4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn ổ chất dẻo 131 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN 132 4.1 Ảnh hưởng lớp màng bề mặt 132 4.1.1 Mịn chân khơng 132 4.1.2 Lớp màng ơxy hố 132 4.1.3 Bôi trơn nửa ướt (boundary) 133 4.1.4 Chất bôi trơn rắn 134 4.2 Tác dụng nhiệt độ 134 4.3 Tác dụng tải trọng 135 4.4 Ảnh hưởng tính tương thích vật liệu 136 4.5 Ảnh hưởng cấu trúc tế vi 136 4.6 Ảnh hưởng biên giới hạt 136 4.7 Quan hệ ma sát mòn 137 Chương 138 BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT 138 BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG 138 1.1 Mở dầu 138 1.2 Vùng bôi trơn màng chất lỏng 138 1.3 Dịng chảy nhớt phương trình Raynolds 141 1.3.1 Độ nhớt chất lỏng Niu-tơn 141 3.1.1 Định nghĩa 141 1.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất tốc độ trượt đến độ nhớt 142 1.3.2 Các phương trình 143 1.3.2.1 Dòng chảy tầng rối 143 1.3.2.2 Phương trình Petroff 144 1.3.2.3 Phương trình Navier - Stokes 145 3.2.4 Dòng chảy chiều hai phẳng song song 147 1.3.2.5 Phương trình Reynolds 149 MỘT SỐ KIỂU BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT 152 2.1 Bôi trơn thuỷ tĩnh 152 2.2 Bôi trơn thuỷ động 155 2.2.1 Ô chặn 156 2.2.1.1 Ổ chặn nghiêng cố định 156 2.2.1.2 Ổ chặn tuỳ động (tấm quay) 158 2.2.1.3 Ổ chặn bậc Reyleigh 159 2.2.2 Ổ đỡ 160 2.3 Bôi trơn thuỷ động đàn hồi 164 2.3.1 Các dạng tiếp xúc 164 2.3.2 Tiếp xúc đường 165 2.3.2.1 Tiếp xúc trụ tuyệt dối cứng 165 2.3.2.2 Tiếp xúc trụ đàn hồi (hình chữ nhật) độ nhớt thay đổi 167 2.3.2.3 Tiếp xúc điểm 169 Chương 170 MỘT VÀI BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ BỀ MẶT NHẰM GIẢM MA SÁT VÀ MÒN 170 MA SÁT VÀ MÒN CỦA CÁC BỀ MẶT ĐƯỢC XỬ LÝ 170 1.1 Vai trò bề mặt giảm ma sát mòn 170 1.2 Khả chống ăn mòn lớp bề mặt 172 CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN COMPOSITE 173 2.1 Đặc điểm 173 2.2 Mạ điện composite kim loại dạng hạt 174 2.2.1 Khái niệm 174 2.2.2 Mạ tạo lớp bôi trơn 175 2.2.3 Mạ tăng khả chống mòn 176 PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG 177 3.1 Khái niệm chung 177 3.2 Phủ bay hoá học ứng dụng 177 3.2.1 Nguyên lý 177 3.2.2 Các phản ứng hoá học CVD 182 3.2.3 Đặc trưng phủ CVD 183 3.2.4 Ứng dụng phủ CVD 183 3.2.4.1 Phủ CVD để chống mòn 184 3.2.4.2 Ứng dụng phủ CVD tribology 186 3.3 Phủ bay lý học 187 3.3.1 Nguyên lý 187 3.3.2 Ứng dụng phủ PVD 189 3.4 Ảnh hưởng lớp phủ cứng đến tương tác ma sát 189 3.4.1 Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trượt 189 3.4.2 Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát cắt kim loại 191 3.4.3 Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn tuổi bền dụng cụ cắt 192 THẤM ION (ION IMPLANTATION) 194 4.1 Nguyên tắc 194 4.2 Thiết bị thấm ion 197 4.3 Đặc trưng ứng dụng vật liệu thấm ion 198 4.4 Ion trợ giúp trình phủ 200 THẤM NITƠ VÀ CÁC BON 201 5.1 Khái niệm chung 201 5.2 Nguyên tắc glow discharge 202 5.3 Áp suất riêng khí 203 5.4 Thấm plasma nhơ 204 5.4.1 Khái niệm 204 5.4.2 Cấu trúc tế vi 205 5.4.3 Ưu điểm thấm Nitơ plasma 206 5.5 Thấm mòn 206 5.5.1 Khái niệm 206 5.5.2 Các ưu điểm thấm bon plasma 207 TÀI LIỆU THAM KHẢO 208 LỜI NĨI ĐẦU Sự nghiệp cơng nghiệp hố đại hố nước nhà địi hỏi nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm công nghiệp Ma sát, mịn bơi trơn (Tribology) có lẽ thuật ngữ không xa lạ với kỹ sư, cán giảng dạy nghiên cứu Tuy nhiên để ứng dụng có hiệu kiến thức tribology vào việc thiết kế cặp đôi ma sát, nhà thiết kế phải có hiểu biết sâu rộng lĩnh vực Trước yêu cầu xã hội, tác giả viết sách làm tài liệu chuyên khảo phục vụ đào tạo Sau đại học cho chuyên ngành thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí Được góp ý đồng nghiệp, định hướng nội dung chủ yếu sách vào vấn đề lý thuyết tiếp xúc ứng suất, lý thuyết ma sát, mịn bơi trơn số biện pháp cơng nghệ tiên tiến nhằm giảm ma sát mịn Cuốn sách chia làm phần theo chương Chương 1: Đặc tính tương tác bề mặt vật rắn Chương 2: Lý thuyết ma sát Chương : Lý thuyết mòn Chương 4: Bôi trơn kỹ thuật Chương 5: Một vài biện pháp công nghệ bề mặt nhằm giảm ma sát mịn Với mục đích cung cấp cho học viên cao học kiến thức ma sát mịn, bơi trơn phục vụ cho q trình giảng dạy mơn học "Ma sát Mịn" trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, tác giả từ phân tích lý thuyết bản, kết nghiên cứu thực nghiệm đến ứng dụng cụ thể tribology kỹ thuật Ngoài việc sử dụng sách làm tài liệu chuyên khảo cho học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, tác giả hy vọng nghiên cứu sinh lĩnh vực tìm thấy nhiều điều bổ ích cho nghiên cứu Chúng tơi muốn bày tỏ tình cảm, lời cám ơn sâu sắc đến đồng nghiệp động viên, chia sẻ giúp đỡ chúng tơi q trình hồn thành thảo Chúng tơi khơng thể khơng nhắc đến cảm thông tạo điều kiện đặc biệt thời gian vợ gái ngày bận rộn viết sách Mặc dù sách tác giả đồng nghiệp sử dụng làm tài liệu đào tạo Sau đại học, kiểm tra cẩn thận trước xuất bản, chắn tài liệu nhiều thiếu sót Chúng tơi mong muốn nhận chân thành cám ơn ý kiến đóng góp bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội CÁC TÁC GIẢ MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MỊN VÀ BƠI TRƠN (TRIBOLOGY) Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường ma sát mịn hay khoa học bơi trơn Trong từ điển kỹ thuật Anh - Anh, tribology định nghĩa khoa học công nghệ bề mặt tương tác chuyển động tương nhau, lĩnh vực liên quan ứng dụng Đây lĩnh vực khoa học rộng tương tác bề mặt thông qua giao diện tribology phức tạp, yêu cầu kiến thức sâu nhiều lĩnh vực khác vật lý, hoá học, toán ứng dụng, học vật rắn, học chất lỏng, nhiệt động lực học, truyền nhiệt, khoa học vật liệu, thiết kế máy, khả làm việc độ tin cậy chi tiết máy máy Thực ra, người ứng dụng kiến thức tribology vào sống từ lâu Con tầu bánh xe sử dụng khoảng 3500 năm trước công nguyên nhằm giảm ma sát vận chuyển Người cổ Ai Cập biết sử dụng nước để bôi trơn xe trượt dùng vận chuyển tượng nặng vào năm 1880 trước công nguyên Trong mộ cổ Ai Cập xây dựng vài nghìn năm trước cơng ngun cịn để lại dấu tích, người biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn ổ bánh xe Trong thời đại đế chế La Mã, kỹ sư quân đội thiết kế chế tạo máy móc phục vụ chiến tranh phương pháp phòng thủ quan tâm đến việc ứng dụng kiến thức tribology Leonardo Da Vanci (1452-1519) nhà khoa học rút giả thiết khoa học quan trọng ma sát hệ số ma sát tỷ số lực ma sát tải trọng pháp tuyến Do phát minh ông chưa có tác động đến lịch sử nên sách viết phát minh ông không xuất vài trăm năm Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons công bố định luật ma sát sau nghiên cứu tượng trượt khô hai bề mặt phẳng Thứ nhất, lực ma sát cản trở trượt bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến Thứ hai, độ lớn lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa Các quan sát nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm bổ sung thêm định luật thứ ba, lực ma sát động khơng phụ thuộc vào vận tốc phân biệt rõ ma sát tĩnh động Sự phát triển tribology xảy mạnh mẽ vào năm 1500, đặc biệt phát minh vật liệu chế tạo ổ Năm 1684, Robert Hooke khám phá kết hợp trục thép vòng kim loại tốt trục gờ vòng gang ổ bánh xe Sự phát triển tribology gắn liền với phát triển công nghiệp vào cuối kỷ 18 lớn mạnh công nghiệp khai thác dầu nước Anh, Mỹ, Canada Vào năm 1668, Isaac Newton phát định luật dòng chất lỏng nhớt, đến cuối kỷ 19 người ta hiểu rõ chất khoa học vấn đề bôi trơn ổ lăn Nguyên tắc bôi trơn thuỷ động Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm 1884 Osborne Raynolds chứng minh mặt lý thuyết vào năm 1886 đáp ứng yêu cầu thiết kế ổ có độ tin cậy cao máy móc đại Mịn bắt đầu nghiên cứu vào kỷ 19 Người có đóng góp vào lĩnh vực Ragnar Hoan (1946) Bước vào kỷ 20, kiến thức lĩnh vực tribology nhiều nhà khoa học khám phá đặc biệt Bowden Tabor (1950, 1964) sau Bhushan Gupta (1997) Tribology có đóng góp to lớn vào phát triển cơng nghiệp Có thể thấy vào năm 1950, tuổi thọ động ô tô 1/3 tuổi thọ động ô tô sản suất vào năm 1975 Một điều thú vị ô tô đại có đến 2000 tiếp xúc tribology SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY Tiếp xúc phần lớn bề mặt xảy đỉnh nhấp nhô bề mặt Do tầm quan trọng việc nghiên cứu tiếp xúc đỉnh nhấp nhô nghiên cứu tính chất lý bề mặt tiếp xúc, tribology nhận thức từ lâu 10 TRIBOLOGY THÔNG THƯỜNG MICRO/NANOTRIBOLOGY Khối lượng nhỏ (μg) Khối lượng lớn Tải nặng Tải nặng (μg tới mg) Mịn Khơng tránh khỏi Khơng mịn (vài lớp phân tử) Vật liệu khối Bề mặt (vài lớp phân tử) Hình 1-1: So sánh nanotribology thông thường Micro/ nanotribology Với đời loại kính hiển vi điện tử (Scanning Tunneling Microscope Atomic Force Microscope) công cụ tính tốn để mơ tương tác đỉnh nhấp nhơ tính chất vùng tiếp xúc chung cho phép khảo sát cách có hệ thống tốn vùng tiếp xúc với độ phân giải cao phương pháp phương tiện để biến đổi điều khiển cấu trúc thang nano Lĩnh vực liên quan đến nghiên cứu trình lý thuyết thực nghiệm từ thang phân tử, nguyên tử tới thang micro xảy q trình dính, ma sát, mịn bơi trơn màng mỏng vùng tiếp xúc chung bề mặt trượt Sự khác tribology thơng thường micro/nanotribology mơ tả Hình 1-1 Sự khác khối lượng tải trọng dẫn đến khác tính chất tribology chỗ tiếp xúc Trong tribology thơng thường tính chất khối vật liệu định cịn micro/nanotribology tính chất lớp bề mặt định Mặc dù, micro/nanotribology nhằm mục đích nghiên cứu cấu trúc tế vi thang micro nano chúng có ý nghĩa to lớn việc hiểu rõ chất tượng tiếp xúc tế vi tạo nên cầu nối khoa học kỹ thuật Các thiết bị sử dụng nghiên cứu micro/nanotribology bao gồm 11 Scanning tunneling microscope (STM) máy hiển vi đo lực ma sát lực tương tác nguyên tử (AFM & FFM) thiết bị đo lực tương tác bề mặt (SFA) STM cho hình ảnh chiều bề mặt vật rắn với độ phân giải mức độ nguyên tử trí với vật liệu dẫn điện AFM đo lực nhỏ (nhỏ μN) tác dụng đỉnh nhấp nhô bề mặt cho vật rắn dẫn điện cách điện Ngồi ra, AFM cịn máy đo profile để xác định topography bề mặt từ thang micro đến thang nano AFM biến đổi để đo lực pháp tuyến ma sát gọi máy hiển vi đo lực ma sát (FFM) AFM sử dụng nghiên cứu tượng dính, cào xước mịn, bơi trơn, nhiệt độ bề mặt tính chất học đàn hồi, dẻo Thiết bị đo lực bề mặt (SFA) sử dụng để nghiên cứu tính chất tĩnh động lực màng bôi trơn mỏng mức độ phân tử hai bề mặt nhẵn mức độ phân tử - Các nghiên cứu micro/nanotribology chất liên kết tương tác vật liệu khơng thể tách rời mơ hình hố mơ với trợ giúp máy tính để giải toán lý thuyết phức tạp tượng tiếp xúc phức tạp với độ phân giải cao không gian thời gian Các mô máy tính cung cấp thơng tin lượng nguyên tử, cấu trúc, động lực học, nhiệt động lực khía cạnh q trình tribology Hơn nữa, phương pháp tiếp cận lý thuyết giúp cho việc thiết kế, giải thích kết thí nghiệm dự đoán tượng sở lý thuyết micro/nano VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CƠNG NGHIỆP Các nghiên cứu tribology đóng vai trị quan trọng máy móc đại sử dụng bề mặt tiếp xúc lăn trượt với Phanh, ly hợp, bánh chủ động tàu hoả, tơ ví dụ ma sát có lợi Mịn bút chì viết, gia cơng cơ, đánh bóng v.v thuộc mịn có lợi Ma sát mịn có hại thấy động đốt trong, động máy bay, bánh răng, cam, ổ phớt Theo thống kê, thiệt hại không quan tâm đến vấn đề tribology chiếm đến 6% tổng thu nhập cửa nước Mỹ (200 USD tỷ năm 1966) Khoảng 1/3 nguồn lượng giới tiêu phí cho ma sát dạng khác Vì tầm quan trọng giảm ma 12 sát kiểm sốt mịn nhấn mạnh lý kinh tế độ tin cậy thời gian dài Theo thống kê nước Anh tiết kiệm 500 triệu bảng nước Mỹ 16 tỷ USD hàng năm cải thiện tribology cơng nghiệp Mục đích nghiên cứu tribology hạn chế tới mức thấp tiến tới loại trừ mát ma sát mòn tất cấp độ cơng nghệ mà tồn bề mặt tiếp xúc chuyển động tương đối Các nghiên cứu tribology làm cho nhà máy hoạt động có hiệu hơn, khả làm việc máy móc tốt hơn, giảm thời gian sửa chữa, tiết kiệm đáng kể chi phí thay thế, bảo dưỡng vận hành Ở Việt Nam, năm gần đây, vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm khí phục vụ cho nghiệp cơng nghiệp hoá đại hoá quan tâm đặc biệt, nhiều chương trình đề tài cấp Bộ trọng điểm, cấp Nhà nước lĩnh vực kỹ thuật bề mặt đặc biệt phun phủ cho dụng cụ cắt triển khai ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Trong tương lai, kỹ thuật bề mặt không ngành khoa học công nghệ phát triển trường đại học kỹ thuật Việt Nam mà trở thành lĩnh vực quan trọng việc nâng cao chất lượng sản phẩm công nghiệp nước nhà 13 Chương ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT Bề mặt vật rắn hay xác mặt phân cách rắn - khí hay rắn lỏng có cấu trúc tính chất phức tạp phụ thuộc vào chất chất rắn, phương pháp hình thành bề mặt tương tác bề mặt với mơi trường xung quanh Các tính chất bề mặt vật rắn quan trọng tương tác bề mặt tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mịn bơi trơn Hơn nữa, tính chất bề mặt cịn đóng vai trị quan trọng ứng dụng khác quang học, điện, nhiệt, sơn trang trí Bề mặt vật rắn thân bao gồm vài vùng có tính chất lý khác với vật liệu khối bên lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beilby, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ cuối vật liệu (Hình 1-1) Hình 1.1: Chi tiết bề mặt vật rắn (a) Profile bề mặt mặt phẳng thẳng đứng (b) Các lớp bề mặt điển hình TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA LỚP BỀ MẶT 2.1 Lớp biến dạng Dưới tác động trình tạo hình vận hành, tính chất 14 lớp bề mặt kim loại, hợp kim hay ceramics thay đổi đáng kể so với vật liệu khối bên Ví dụ sau gia cơng hay trình tương tác ma sát hai bề mặt, tác động lực nhiệt độ lớp bề mặt bị biến dạng dẻo Lớp biến dạng gọi lớp biến cứng phận quan trọng vùng bề mặt Ứng suất dư tồn lớp biến dạng dẻo ảnh hưởng tới làm việc ổn định kích thước chi tiết Chiều dày lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố, công lượng trình biến dạng chất vật liệu Chiều dày lớp thường từ đến 100 cm tuỳ theo mức độ biến dạng tốc độ biến dạng Kích thước hạt lớp biến dạng dẻo thường nhỏ vật liệu bị biến dạng với tốc độ cao kèm theo trình kết tinh lại Hơn nữa, tinh thể hạt bề mặt tiếp xúc chung tự định hướng lại trình trượt hai bề mặt 2.2 Lớp BEILBY Lớp beilby tạo nên bề mặt kim loại hợp kim chảy biến dạng dẻo bề mặt với cường độ biến dạng lớn tốc độ biến dạng cao lớp phân tử bề mặt trình gia cơng cơ, sau lên nhờ q trình tơi nhiệt độ vật liệu khối thấp Lớp Beilby có cấu trúc vơ định hình đa tinh thể với chiều dày từ đến 100 cm Các nguyên cơng gia cơng tinh mài nghiền, đánh bóng giảm chiều dày lớp 2.3 Lớp tương tác hoá học Trừ số kim loại vàng bạch kim, tất kim loại phản ứng với ơxy tạo nên ơxít khơng khí Trong mơi trường khác tạo nên lớp nitrides, sulfides hay chlorides Lớp ơxy hố tạo thành q trình gia cơng hay ma sát Nhiệt sinh trình tạo hình ma sát làm tăng tốc độ ơxy hố tạo nhiều loại ơxít khác Khi cặp đơi ma sát hoạt động khơng khí, phản ứng ơxy hố cịn xảy lớp ơxít hai bề mặt Ngồi ra, chất bơi trơn phụ gia tạo nên lớp ơxít bảo vệ bề mặt quan trọng Lớp ơxy hố gồm hay nhiều lớp thành phần Fe tạo thành ơxít sắt với hỗn hợp ơxít Fe2O3 Fe2O4 bên lớp FeO 15 Với hợp kim, lớp ơxít bề mặt hỗn hợp vài ơxít Ví dụ, thép khơng rỉ tồn hỗn hợp ơxít sắt ơxít crơm Cr2O3 Một số ơxít có tác dụng bảo vệ khơng cho q trình ơxy hố tiếp tục xảy lớp ơxít bề mặt nhơm than 2.4 Lớp hấp thụ hố học Bên ngồi lớp tương tác hố học, lớp hấp thụ hình thành bề mặt kim loại kim Lớp hấp thụ hố học hình thành sở sử dụng chung điện tử trao đổi điện tử chất hấp thụ bề mặt vật rắn Trong lớp tồn liên kết mạnh bề mặt chất rắn chất hấp thụ thơng qua liên kết cộng hố trị, để làm lớp cần có lượng tương ứng với lượng tạo nên liên kết hoá học (10kcal/mol ÷ 100 kcal/mol) Năng lượng phụ thuộc vào tính chất hố học bề mặt vật rắn chất hấp thụ 2.5 Lớp hấp thụ vật lý Bên ngồi lớp hấp thụ hố học lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu phân tử nước, ơxy, hydrocarbons khơng khí tồn dạng đơn đa phân tử với chiều dày khoảng 0,3 Nm Các lớp màng dầu mỡ bề mặt thuộc loại lớp hấp thụ vật lý Ở không tồn tượng dùng chung trao đổi electrons phân tử vật rắn chất hấp thụ Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến lực Van Der Waals, lực yếu so với lực tương tác khí trơ trạng thái lỏng Để làm lớp hấp thụ cần lượng (1-2 kcal/mol), mơi trường có độ chân khơng cao (khoảng 10-8 Pa) lớp không tồn bề mặt tất chất rắn Có tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học vật lý: lượng nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, lượng hoạt tính, tính chất chiều dày lớp hấp thụ 2.6 Sức căng lượng bề mặt Ngồi hoạt tính hố học hấp dẫn phân tử hấp thụ bề mặt, thuộc tính quan trọng phải xem xét sức căng bề mặt hay lượng tự bề mặt Năng lượng bề mặt y cơng cần thiết hình thành đơn vị diện tích bề mặt A, với thể tích, nhiệt độ, hoá học số 16 γ gọi sức căng bề mặt chất lỏng lượng tự bề mặt chất rắn Tiêu chuẩn lượng để hình thành bề mặt khơng phải công học mà lượng nhiệt tiêu thụ, trình xảy đẳng nhiệt Tổng lượng cần thiết để mở rộng bề mặt chất lỏng đơn vị diện tích gọi tổng lượng bề mặt Es T nhiệt độ tuyệt đối Giá trị lượng bề mặt vật liệu phụ thuộc vào chất môi trường đối tiếp bề mặt Năng lượng bề mặt chất rắn tiếp xúc với chất lỏng khác hẳn tiếp xúc với khơng khí Sức căng bề mặt đặc biệt quan trọng tượng dính Khi vật rắn S tiếp xúc với chất lỏng L, phân tử hút dọc theo bề mặt giảm lượng hệ thống xuống thấp hai bề mặt bị phân tách WST - γSA +γLA -γSL (1-3) đó: WST lượng dính đơn vị diện tích tiếp xúc hai bề mặt, γSA, γ ST sức căng bề mặt chất rắn với không khí, chất lỏng, γLA sức căng bề mặt chất lỏng chất rắn (Hình 1-2) Năng lượng liên kết chất rắn Wc lượng cần thiết để tách vật liệu thành hai phần đơn vị diện tích Wc = γSA KHƠNG KHÍ CHẤT RẮN Hình 1-2: Lực tác dụng bề mặt giọt chất lỏng bề mặt chất rắn 2.7 Các phương pháp xác định đặc tính lớp bề mặt Có nhiều phương pháp để xác định đặc tính lớp bề mặt Lớp 17 biến dạng dẻo xác định phương pháp kim loại học - cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực quan sát kính hiển vi quang học (Optical Microscope) điện tử (Scanning Electron Microscope) Cấu trúc tinh thể mật độ xơ lệch mạng (dislocation) nghiên cứu sử dụng mẫu siêu mỏng (chiều dày khoảng vài trăm nanomét) kính hiển vi điện tử (Transmission Electron Microscope) Cấu trúc tinh thể lớp bề mặt nghiên cứu sử dụng tia X (X-ray), công nghệ khúc xạ lượng cao thấp Phân tích ngun tố hố học sử dụng X-ray Energy Dispersive Analyser (X-REDA) kính hiển vi điện tủ (SEM), (AES), (EPMA), (ISS), (RBS), (XRF) v.v Chiều dày lớp bề mặt đo thông qua máy đo chiều sâu profile bề mặt Chiều dày mức độ biến dạng lớp biến dạng xác định thơng qua ứng suất dư bề mặt Phân tích hố học lớp hấp thụ hữu sử dụng cơng cụ phân tích bề mặt Mass Spectrometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Scatter, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) XPS PHÂN TÍCH ĐỘ NHÁM BỀ MẶT Texture bề mặt sai khác có khơng có quy luật bề mặt thực so với bề mặt danh nghĩa tạo nên topography chiều bề mặt Texture bề mặt bao gồm: (1) độ nhám tế vi (độ nhấp nhơ nặng micro), (2) độ sóng, (3) vết gia cơng (lay) (4) flaws Hình 1-3 minh hoạ texture bề mặt theo hướng Độ sóng bề mặt nhấp nhô bề mặt dược đánh giá bước sóng lớn, thường hiểu độ nhám thơ đại Độ sóng yếu tố biến dạng máy phôi, gằn gia công, nhiệt luyện biến dạng bề mặt Độ nhám tế vi tạo thành nhấp nhô bề mặt thực với bước sóng ngắn đặc trưng đỉnh chân nhấp nhô với biên độ khoảng cách thay đổi lớn đáng kể so với kích thước phân tử Khái niệm đỉnh nhấp nhơ sử dụng không gian chiều chiều Độ nhám tế vi bề mặt bao gồm đặc điểm thuộc chất trình gia cơng Vết gia cơng (lay) hướng topography bề mặt đặc trưng 18 phương pháp công Khuyết tật (Flaws) ngắt qng khơng dự đốn trước, khơng mong muốn texture bề mặt Ngồi ra, bề mặt tồn sai lệch khối so với hình dáng danh nghĩa (sai lệch hình dáng) Hình 1-3: Sơ đồ mô tả texture bề mặt 3.1 Các thông số đánh giá độ nhám tế vi trung bình 3.1.1 Các thơng số biên độ Độ nhám tế vi đánh giá thông qua thay đổi chiều cao bề mặt so với mặt phẳng chuẩn Nó đo dọc theo profile dọc theo tập hợp profile Độ nhám tế vi đánh giá theo hai tiêu chuẩn dùng mô tả chiều cao thống kê American National Standard Institute (ANSI) International Stadardization Organization (ISO) đó: - Ra giá trị trung bình so với đường chuẩn - Độ sai lệch chuẩn (σ) - Rq bậc hai trung bình Hai mơ tả chiều cao thống kê khác Sk (skewness) K (kurtosis) sử dụng Các thông số đánh giá độ nhám tế vi khác sử dụng mô tả giá trị chiều cao cực trị, Rt hay Ry Rmax Ngồi thơng số khác sử dụng Rp, Rv, Rz, Rpm 19 Từ Hình 1-4 xác định Ra, σ, Rq, Sk K L khoảng chiều dài lựa chọn profile Sai lệch tiêu chuẩn tính sau: đó: σ sai lệch tiêu chuẩn, Rq bậc hai trung bình sai lệch thẳng đứng so với đường trung bình Khi m = ⇒ Rq = σ Trong nhiều trường hợp Ra σ đổi chỗ cho bề mặt tuân theo phân bố Gauss Các giá trị Sk K dạng tiêu chuẩn xác định sau: 20