Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit sử dụng trong lĩnh vực vật liệu ma sát

Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT- MÒN Các lý thuyết ma sát Còng nh ngành khoa học khác, khoa học ma sát phát triển không ngừng gắn liền với ngành cơng nghiệp có liên quan nh công nghiệp ô tô, giao thông đường sắt gia cơng kim loại Việc nghiên cứu, tìm hiểu chất ma sát cần thiết để trước hết mơ hình hố, lượng hố điều khiển trình xảy ma sát Các kiến thức ma sát giúp cho nhà nghiên cứu định hướng công việc giải vấn đề thực tiễn đặt Những nhà khoa học nghiên cứu lĩnh vực ma sát Amoton, Culong, Leona dơ Vinxi sau M.L.Lomonoxop,… Ở Nga, khoa học ma sát, bôi trơn mài mịn hình thành từ thành lập Viện hàn lâm khoa học Nga Nhà khoa học vĩ đại M.L.Lomonoxop thiết kế thiết bị nghiên cứu liên kết phân tử vật thể Đó tiền thân cho thiết bị đại sau nghiên cứu độ mài mòn vật liệu Ma sát nghiên cứu từ lâu lý thuyết ma sát mài mòn không ngừng bổ xung phát triển với phát triển ngành khoa học khác Bắt đầu từ lý thuyết cổ điển, lý thuyết phân tử, lý thuyết điện lý thuyết đại ngày -1- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội 1.1 Lý thuyết cổ điển Nhà bác học nghiên cứu đề xuất lý thuyết cổ điển ma sát Amoton Trong tài liệu vào năm 1969, tác giả đưa hiểu biết ma sát mô tả dụng cụ dùng thí nghiệm nghiên cứu Đó dụng cụ đơn giản bao gồm lị so gắn vào vật thí nghiệm tất đặt mặt phẳng Đầu lò so gắn với tải trọng nhờ mà vật nghiên cứu trượt mặt phẳng Nhiều thí nghiệm thực nghiệm đến kết luận sau: - Lực ma sát cân với tải trọng mà vật bên tác động xuống vật thể bên - Với vật thể khác lực cản ma sát xấp xỉ 1/3 tải trọng - Lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc phụ thuộc vàp chất hai vật thể tiếp xúc với Leona dơ Vinxi nghiên cứu ma sát rằng: lực ma sát khơng phụ thuộc vào hình dáng mà phụ thuộc vào trọng lượng vật thể độ ráp bề mặt Có thể nói giai đoạn phát triển khoa học kinh điển ma sát ngồi cơng trình nghiên cứu ma sát tĩnh Bản chất động ma sát lần đặt cơng trình nghiên cứu tiếng S.Culong vào năm 1785 Quan điểm S.Culong gần giống với Amoton, cho lực ma sát cân với tải trọng, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc phụ thuộc vào chất vật liệu Culong còng cần phân biệt ma sát tĩnh với ma sát động lực ma sát động độc lập với tốc độ chuyển động Culong tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng lực phân tử coi -2- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội phần lực ma sát Thành công lớn tác giả tổng hợp hai sức cản, sức cản thứ liên kết khơng phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà tỷ lệ với tải trọng, sức cản thứ hai liên kết phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc Bản chất hai mặt thể qua phương tình sau: F  A  N (1) Trong đó: F lực ma sát A số đặc trưng cho khả liên kết tương hỗ vật thể  hệ số ma sát N phản lực pháp tuyến Về mặt gia công thô, trị số A nhỏ bỏ qua Khi cơng thức (1) chuyển thành: F=  N (2) Công thức (2) thường đựơc gọi định luật Culong- Amoton Tóm lại, lý thuyết cổ điển ma sát cho rằng: lực ma sát phụ thuộc vào hai yếu tố tải trọng đặt lên vật thể ( bao gồm trọng lượng vật thể tổng ngoại lực tác dụng lên vật thể) chất hai vật thể tiếp xúc với 1.2 Lý thuyết phân tử Các tác giả thuộc trường phái mà đại diện F.P.Bowden, D.Tabor làm nhiều thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng độ ráp bề mặt, diện tích tiếp xúc, tốc độ trượt chuyển dời vật liệu từ bề mặt tiếp xúc sang bề -3- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội mặt tiếp xúc khác đến lực ma sát Về ảnh hưởng độ ráp bề mặt đến hệ số ma sát, Athur Morin (1934) cho rằng: lực ma sát hai vật thể chuyển động tương không đổi độ ráp bề mặt thay đổi hệ số ma sát giảm dẫn đến độ mài mòn thấp Khi nghiên cứu ảnh hưởng diện tích tiếp xúc, tác giả cho bề mặt hai vật thể gần lúc số điểm tiếp xúc thực tế cân với diện tích tiếp xúc hai bề mặt lực ma sát lớn Nh lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế hai bề mặt Một nhà bác học khác như: H.Shaw (1986), F.P.Bowden (1938- 1942) nghiên cứu ma sát nhận thấy bề mặt vật thể thường bị cào xước nảy sinh việc khảo sát trình vận chuyển vật liệu từ bề mặt đến bề mặt khác Các tác giả cho chất trình lực tương tác phân tử bề mặt hai vật thể rót nhận xét sau: khối lượng chuyển dời phụ thuộc vào quãng đường không phụ thuộc vào tải trọng Khi vật thể cứng chuyển động bề mặt vật thể mềm lượng vật liệu chuyển sang vật thể cứng phụ thuộc vào độ ráp bề mặt hai vật thể Lý thuyết phân tử đề cập tới ảnh hưởng tốc độ trượt tới lực ma sát Galton (1978) nghiên cứu ma sát xảy tàu chuyển động đường ray đưa nhận xét sau: - Khi tốc độ trượt thấp, lực ma sát tăng lên với tốc độ - Tại tốc độ trượt trung bình khoảng m/s tới vài ft/s, lực ma sát gần không phụ thuộc vào tốc độ -4- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội - Với tốc độ trượt cao, lực ma sát giảm với tốc độ Tại cận dải tốc độ P.P.Ewald, T.Poschl, L.Prandtl (1930) đưa công thức liên hệ hệ số ma sát tốc độ trượt sau:  0,0112  0  0,06 Trong đó:  : hệ số ma sát tĩnh  : tốc độ trượt (m/s) Tuy nhiên, tác giả chưa cơng thức có áp dụng hay không hai vật thể chuyển động với tốc độ lớn, bề mặt chuyển động sang trạng thái mềm cao chí bị chảy nhớt làm giảm đáng kể hệ số ma sát Tóm lại, lý thuyết phân tử ma sát cho chất lực ma sát lực hút phân tử hai bề mặt vật thể tiếp xúc với Do lực ma sát khơng phụ thuộc hay nói cách khác độc lập với tải trọng Lực ma sát phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực tế tốc độ chuyển động tương đối hai vật thể Lý thuyết điện Lý thuyết đề xuất thực tế hai vật thể tiếp xúc với gây phát sáng có khả hút vật thể nhẹ khác Hiện tượng nhận thấy nhiều công nghiệp giấy giấy cán qua hai trục Các tác giả J.A.Joné (1925), P.Schnurmann (1940), E.Warlow- Davises -5- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội (1942) cho điện ma sát (triboeletricity) ma sát hai mặt kiện: phá huỷ liên kết nguyên tử bề mặt tiếp xúc với Theo lý thuyết điện ma sát tổng hợp toàn liên kết điện nguyên tử hai bề mặt chúng tiếp xúc với Tương tác nguyên tử- phân tử coi chủ yếu tương tác học kết công liên kết nguyên tử- phân tử 1.4 Lý thuyết đại Các lý thuyết trình bày có thừa hưởng, phát triển kết đạt cơng trình lý thuyết trước đó, điều kiện, mức độ nghiên cứu theo xu hướng khác nên xuất quan điểm không giống ma sát Mặt khác, chưa có phương tiện máy móc nghiên cứu cách xác tượng xảy trình ma sát nên kết luận rót thường từ trực quan dẫn tới bất đồng quan điểm Nhược điểm lớn lý thuyết ma sát trước chúng dựa tượng cá biệt học, vật lý điện mà không xét tới ảnh hưởng tương hỗ chúng, không phân biệt lực ma sát với sức cản khuyết tật bề mặt vật liệu Sự phát triển khoa học ma sát gắn liền với phát triển chung khoa học Nhờ định luật phá huỷ biến dạng dẻo- đàn hồi, cơng trình nghiên cứu bề mặt vật thể chuyển động, kết cấu mỏng kim loại bề mặt làm việc mà nhà nghiên cứu ma sát -6- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội đưa lý thuyết ma sát tổng quát bao gồm chế vật lý, học, hoá học, lượng… Theo lý thuyết đại lực ma sát khơng hàm lực pháp tuyến mà cịn phụ thuộc vào tổ hợp yếu tố: tốc độ trượt, vật liệu, điều kiện môi trường,…Sự phụ thuộc biểu diễn cơng thức tổng qt sau: T(n) = f(n,v,c) (4) Trong đó: T(n)- Là lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n v- Tốc độ trượt c- Các thông số nh môi trường, vật liệu,… Các khái niệm ma sát sau Suh Sin đề xướng (1981) Theo tác giả tính chất học có ảnh hưởng lớn so với tính chất hố học lực ma sát, trình chuyển động khơng có tượng tăng nhiệt độ Theo quan điểm phân chia lực ma sát làm thành phần: - Biến dạng nhấp nhơ bề mặt - Sự bám dính diện tích tiếp xúc - Sự tróc bề mặt Các nhà nghiên cứu khác đưa lý thuyết ma sát, bơi trơn, hao mịn cho trường hợp cụ thể Khi nghiên cứu ma sát xảy vật thể có khả phục hồi cao tương tự cao su, G.M.Bartenev, V.V.Lavrentjev N.A.Konstantinova (1971) đưa công thức sau: -7- Đồ án tốt nghiệp  F c.S  1   Đại học Bách Khoa Hà nội  S      e  N / S  E S     Trong đó: F- Lực ma sát c- Hệ số phụ thuộc vào góc trượt S -Diện tích tiếp xúc thực tế SO- Diện tích tiếp xúc khơng có áp lực (P  O)  - Yếu tố hình học bề mặt vật thể N- Tải trọng Vật liệu ma sát sở nhựa phenol- formandehyt phổ biến, thu hút dự quan tâm nhà nghiên cứu S.K.Rhee cộng (1971) Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố áp lực, vận tốc thời gian tới lượng mài mòn vật liệu ma sát sở nhựa phenolformandehyt độn sợi amiang đưa công thức sau( áp dụng cho nhiệt độ bề mặt nhỏ 220oC ):  W= K.Pa.Vb  c Trong đó:  W- Lượng vật liệu bị P- Tải trọng V- Tốc độ  - Thời gian a,b,c- Hằng số phụ thuộc vào cặp ma sát -8- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội Ứng dụng lý thuyết ma sát đem lại lợi Ých to lớn giúp cho nhà nghiên cứu, người sản xuất nhận thức khắc phục hạn chế tồn vật liệu Hạn chế tới mức tối đa ảnh hưởng có hại ma sát gây Các loại vật liệu có khả làm giảm ma sát Giảm ma sát mài mịn có ý nghĩa quan trọng kinh tế quốc dân Các nhà nghiên cứu đưa loại vật liệu có khả làm giảm ma sát mài mòn bao gồm: gốm, hợp kim polyme So với kim loại polyme, gốm có ưu điểm hệ số ma sát thấp, độ cứng bề mặt tương đối cao, Ýt bị mài mòn khơng bị ơxy hố q trình làm việc Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng nhiệt, dao động đặc biệt dễ bị vỡ va đập Kim loại hợp kim sử dụng rộng rãi lĩnh vực vật liệu chống ma sát ưu điểm bật như: có độ cứng bề mặt cao, có khả làm việc nhiệt độ cao Nhược điểm chúng khó gia cơng, có giá thành cao khơng bền hố chất Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyme cho kết cấu ma sát cho kết bất ngờ So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, Ýt mòn hơn, Ýt bị ảnh hưởng dao động va đập, có giá thành rẻ, tính cơng nghệ cao việc chế tạo chi tiết, có khả làm việc mơi trường hố chất bơi trơn nước -9- Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà nội Tuy nhiên thay kim loại Polyme khơng phải lúc có lợi Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng kết hợp polyme vật liệu khác Các phương pháp nghiên cứu ma sát mài mịn Trong q trình cọ xát xảy tương tác cục lớp bề mặt vật liệu diện tích nhỏ Sự tương tác làm thay đổi cấu trúc tính chất vật liệu bề mặt cọ xát Đối với chất dẻo, thay đổi mạnh chúng xảy tác dụng nhiệt, tác động học, chất hoạt động bề mặt, điện tích xuất hiện… Để sản phẩm từ chất dro với tổ hợp tính chất cho trước, điều quan trọng sử dụng sơ đồ thử nghiệm độ ma sát mô điều kiện dễ sử dụng nhất, điển hình Khi nghiên cứu sâu ma sát mài mịn điều kiện bơi trơn người ta sử dụng đến rôbốt Trong đa số trường hợp, đặc trưng cần đánh giá lực ma sát, độ bám dính, thay đổi lý bề mặt, chuyển vị ngang vng góc Lực ma sát thường đo phương pháp cân lực kế tenxơ, theo độ tắt dần lắc Vì tính chất bề mặt cọ xát thường xét theo kết đo tuyến hình bề mặt đánh giá theo kết khối phổ, phổ điện tử phân tích cấu trúc Rơghen Sự tăng tốc độ, nhiệt độ tải trọng kỹ thuật đại dẫn đến gia tăng độ khắc nghiệt thử nghiệm mài mịn vật liệu Bên cạnh đó, đơi phải tính đến yếu tố ảnh hưởng chân không sâu, xạ môi trường xâm thực… - 10 -