Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Kỹ thuật NGUYỄN ĐĂNG BÌNH -- PHAN QUANG THẾ MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................... 7U MỞ ĐẦU .................................................................................................. 9U 1. LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ Bôi TRƠN (TRIBOLOGY) .. 9 2. SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRONANO TRIBOLOGY...... 10 3. VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CÔNG NGHIỆP ............ 12 Chương 1................................................................................................. 14 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN ............................ 14 1. BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT........................................................... 14 2. TÍNH CHẤT LÝ HÓA 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 và năng lượng bề mặt ............................................... 16 2.7. Các phương pháp xác định đặc tính của các lớp bề mặt .......... 17 3. 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 và hàm mật độ .......................... 22 3.2.2. Mô men của hàm xác suất biên độ.................................... 24 3.2.3. Các hàm số phân bố chiều cao hề 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 năng lượng (PSDF).................... 30 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT......................... 30 5. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC.................................... 31 5.1. Mở đầu ..................................................................................... 31 5.2. Phân bố ứng suất do tải trọng................................................... 32 5.2.1. Tải trọng tập trung dơn ..................................................... 32 5.2.2. Tải trọng phân bố .............................................................. 35 5.3. Chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng ..................................... 37 5.4. Tiếp xúc Hec ............................................................................ 39 5.4.1. Tiếp xúc trụ ....................................................................... 39 5.4.1.1. Phân hố ứng suất trên mặt tiếp xúc ............................ 39 2 5.4.1.2. Phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc........................ 41 5.4.1.3. Sự trượt dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến ......... 44 5.4.2. Tiếp xúc 3D tổng quát....................................................... 47 5.4.3. Tiêu chuẩn cho các chế độ biến dạng ............................... 52 Chương 2................................................................................................. 54 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT .................................................... 54 1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................... 54 1.1 Các định luật ma sát trượt cơ bản ............................................. 54 1.2. Hệ số ma sát ............................................................................. 54 1.3. Độ nhám bề mặt và diện tích tiếp xúc thực.............................. 55 2. NGUYÊN NHÂN CỦA MA SÁT TRƯỢT ................................... 55 2.1. Tương tác bề mặt ..................................................................... 56 2.2. Các dạng năng lượng mất mát ................................................. 57 2.3. Thuyết ma sát do dính.............................................................. 57 2.3.1. Thuyết ma sát do dính đơn giản........................................ 57 2.3.2. Thuyết ma sát do dính modified ....................................... 59 2.3.3. Thuyết ma sát dính áp dụng cho kim loại lớp màng tạp chấ t ..................................................................................................... 61 2.4. Biến dạng dẻo ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt ............................. 63 2.5. Hiệu ứng cày ............................................................................ 66 2.6. Sự mất mát do tính đàn hồi trễ................................................. 68 2.7 Năng lượng tiêu thụ do ma sát .................................................. 69 2.8. Ảnh hưởng của vật liệu đến ma sát trượt ................................. 70 2.8.1. Ảnh hưởng của hoạt tính hoá học của vật liệu.................. 70 2.8.2. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ............................................ 70 2.8.3. Ảnh hưởng của biên giới hạt............................................. 71 3. MA SÁT LĂN ................................................................................ 71 3.1. Khái niệm................................................................................. 71 3.2. Nguyên nhân của ma sát lăn .................................................... 73 4. MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT........................................ 75 4.1. Các tính chất ma sát, mòn và bôi trơn của vật liệu ở thể rắn ... 75 4.1.1. Các bề mặt kim loại sạch trong chân không ..................... 75 4.1.2. Các bề mặt kim loại trong không khí................................ 76 4.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng, tính hoà tan và cấ u trúc tinh thể ................................................................................. 76 4.2. Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật ................................ 77 4.2.1. Ma sát của gỗ, da và đá ..................................................... 78 4.2.2. Ma sát của kim loại và hợp kim ........................................ 78 4.2.3. Ma sát của kính và ceramics ............................................. 81 4.2.4. Ma sát của vật liệu các bon bao gồm kim cương .............. 83 4.2.5. Ma sát của chất bôi trơn ở thể rắn..................................... 84 3 Chương 3................................................................................................. 91 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN.......................................................... 91 1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................... 91 2. CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN ...................................................... 93 2.1. Mòn do dính ............................................................................. 93 2.1.1. Khái niệm.......................................................................... 93 2.1.2. Các phương trình định lượng ............................................ 95 2.2. Mòn do cào xước ..................................................................... 97 2.2.1. Mòn do cào xước bằng 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 do cào xước bằng nút tách...................................... 103 2.3. Mòn do mỏi............................................................................ 105 2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trượt................................................. 106 2.4. Mòn do va chạm..................................................................... 109 2.4.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)......................... 109 2.4.2. Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion) ................ 112 2.5. Mòn hoá học .......................................................................... 114 2.6. Mòn Tribochemical................................................................ 115 2.7. Mòn fretting ........................................................................... 116 3. MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT..................................................... 117 3.1. Mở dầu ................................................................................... 117 3.2. Mòn kim loại và hợp kim....................................................... 118 3.2.1. Khái niệm chung ............................................................. 118 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mòn ôxy hoá ..................... 120 3.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành................................. 121 3.3. Mòn ceramics......................................................................... 124 3.4. Ma sát và mòn chất dẻo.......................................................... 127 3.4.1. Ma sát của 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 của ổ chất dẻo ......... 131 4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN.................................... 132 4.1. Ảnh hưởng của các lớp màng bề mặt..................................... 132 4.1.1. Mòn trong chân không .................................................... 132 4.1.2. Lớp màng ôxy hoá .......................................................... 132 4.1.3. Bôi trơn nửa ướt (boundary) ........................................... 133 4.1.4. Chất bôi trơn rắn ............................................................. 134 4.2. Tác dụng của nhiệt độ ............................................................ 134 4.3. Tác dụng của tải trọng............................................................ 135 4.4. Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu ............................... 136 4 4.5. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ................................................. 136 4.6. Ảnh hưởng của biên giới hạt.................................................. 136 4.7. Quan hệ giữa ma sát và mòn .................................................. 137 Chương 4............................................................................................... 138 BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT........................................................ 138 1. BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG............................................... 138 1.1. Mở dầu ................................................................................... 138 1.2. Vùng bôi trơn màng chất lỏng ............................................... 138 1.3. Dòng chảy nhớt và phương trình Raynolds ........................... 141 1.3.1. Độ nhớt và chất lỏng Niu-tơn ......................................... 141 1 3.1.1. Định nghĩa................................................................ 141 1.3.1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt đến độ nhớt ....................................................................................... 142 1.3.2. Các phương trình............................................................. 143 1.3.2.1. Dòng chảy tầng và rối .............................................. 143 1.3.2.2. Phương trình Petroff ................................................ 144 1.3.2.3. Phương trình Navier - Stokes................................... 145 1 3.2.4. Dòng ch...
Trang 1NGUYỄN ĐĂNG BÌNH PHAN QUANG THẾ
MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN
TRONG KỸ THUẬT
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2006
Trang 2MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 7 U
MỞ ĐẦU 9 U
1 LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ Bôi TRƠN (TRIBOLOGY) 9
2 SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY 10
3 VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CÔNG NGHIỆP 12
Chương 1 14
ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN 14
1 BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT 14
2 TÍNH CHẤT LÝ HÓA 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 và năng lượng bề mặt 16
2.7 Các phương pháp xác định đặc tính của các lớp bề mặt 17
3 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 và hàm mật độ 22
3.2.2 Mô men của hàm xác suất biên độ 24
3.2.3 Các hàm số phân bố chiều cao hề 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 năng lượng (PSDF) 30
4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 30
5 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC 31
5.1 Mở đầu 31
5.2 Phân bố ứng suất do tải trọng 32
5.2.1 Tải trọng tập trung dơn 32
5.2.2 Tải trọng phân bố 35
5.3 Chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng 37
5.4 Tiếp xúc Hec 39
5.4.1 Tiếp xúc trụ 39
5.4.1.1 Phân hố ứng suất trên mặt tiếp xúc 39
Trang 35.4.1.2 Phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc 41
5.4.1.3 Sự trượt dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến 44
5.4.2 Tiếp xúc 3D tổng quát 47
5.4.3 Tiêu chuẩn cho các chế độ biến dạng 52
Chương 2 54
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT 54
1 KHÁI NIỆM CHUNG 54
1.1 Các định luật ma sát trượt cơ bản 54
1.2 Hệ số ma sát 54
1.3 Độ nhám bề mặt và diện tích tiếp xúc thực 55
2 NGUYÊN NHÂN CỦA MA SÁT TRƯỢT 55
2.1 Tương tác bề mặt 56
2.2 Các dạng năng lượng mất mát 57
2.3 Thuyết ma sát do dính 57
2.3.1 Thuyết ma sát do dính đơn giản 57
2.3.2 Thuyết ma sát do 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 ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt 63
2.5 Hiệu ứng cày 66
2.6 Sự mất mát do tính đàn hồi trễ 68
2.7 Năng lượng tiêu thụ do ma sát 69
2.8 Ảnh hưởng của vật liệu đến ma sát trượt 70
2.8.1 Ảnh hưởng của hoạt tính hoá học của vật liệu 70
2.8.2 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi 70
2.8.3 Ảnh hưởng của biên giới hạt 71
3 MA SÁT LĂN 71
3.1 Khái niệm 71
3.2 Nguyên nhân của ma sát lăn 73
4 MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT 75
4.1 Các tính chất ma sát, mòn và bôi trơn của vật liệu ở thể rắn 75
4.1.1 Các bề mặt kim loại sạch trong chân không 75
4.1.2 Các bề mặt kim loại trong không khí 76
4.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng, tính hoà tan và cấu trúc tinh thể 76
4.2 Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật 77
4.2.1 Ma sát của gỗ, da và đá 78
4.2.2 Ma sát của kim loại và hợp kim 78
4.2.3 Ma sát của kính và ceramics 81
4.2.4 Ma sát của vật liệu các bon bao gồm kim cương 83
4.2.5 Ma sát của chất bôi trơn ở thể rắn 84
Trang 4Chương 3 91
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN 91
1 KHÁI NIỆM CHUNG 91
2 CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN 93
2.1 Mòn do dính 93
2.1.1 Khái niệm 93
2.1.2 Các phương trình định lượng 95
2.2 Mòn do cào xước 97
2.2.1 Mòn do cào xước bằng 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 do cào xước bằng nút tách 103
2.3 Mòn do mỏi 105
2.3.1 Mỏi tiếp xúc lăn và trượt 106
2.4 Mòn do va chạm 109
2.4.1 Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion) 109
2.4.2 Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion) 112
2.5 Mòn hoá học 114
2.6 Mòn Tribochemical 115
2.7 Mòn fretting 116
3 MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 117
3.1 Mở dầu 117
3.2 Mòn kim loại và hợp kim 118
3.2.1 Khái niệm chung 118
3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mòn ôxy hoá 120
3.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện vận hành 121
3.3 Mòn ceramics 124
3.4 Ma sát và mòn chất dẻo 127
3.4.1 Ma sát của 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 của ổ chất dẻo 131
4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN 132
4.1 Ảnh hưởng của các lớp màng bề mặt 132
4.1.1 Mòn trong chân không 132
4.1.2 Lớp màng ôxy hoá 132
4.1.3 Bôi trơn nửa ướt (boundary) 133
4.1.4 Chất bôi trơn rắn 134
4.2 Tác dụng của nhiệt độ 134
4.3 Tác dụng của tải trọng 135
4.4 Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu 136
Trang 54.5 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi 136
4.6 Ảnh hưởng của biên giới hạt 136
4.7 Quan hệ giữa ma sát và mòn 137
Chương 4 138
BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT 138
1 BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG 138
1.1 Mở dầu 138
1.2 Vùng bôi trơn màng chất lỏng 138
1.3 Dòng chảy nhớt và phương trình Raynolds 141
1.3.1 Độ nhớt và chất lỏng Niu-tơn 141
1 3.1.1 Định nghĩa 141
1.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt đến độ nhớt 142
1.3.2 Các phương trình 143
1.3.2.1 Dòng chảy tầng và rối 143
1.3.2.2 Phương trình Petroff 144
1.3.2.3 Phương trình Navier - Stokes 145
1 3.2.4 Dòng chảy một chiều giữa hai tấm phẳng song song 147
1.3.2.5 Phương trình Reynolds 149
2 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 tấm 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) và độ nhớt thay đổi 167
2.3.2.3 Tiếp xúc điểm 169
Chương 5 170
MỘT VÀI BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ BỀ MẶT NHẰM GIẢM MA SÁT VÀ MÒN 170
1 MA SÁT VÀ MÒN CỦA CÁC BỀ MẶT ĐƯỢC XỬ LÝ 170
1.1 Vai trò của bề mặt trong giảm ma sát và mòn 170
1.2 Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt 172
Trang 62 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 năng chống mòn 176
3 PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG 177
3.1 Khái niệm chung 177
3.2 Phủ bay hơi hoá học và ứng dụng 177
3.2.1 Nguyên lý 177
3.2.2 Các phản ứng hoá học trong CVD 182
3.2.3 Đặc trưng của phủ CVD 183
3.2.4 Ứng dụng của phủ CVD 183
3.2.4.1 Phủ CVD để chống mòn 184
3.2.4.2 Ứng dụng phủ CVD trong tribology 186
3.3 Phủ bay hơi lý học 187
3.3.1 Nguyên lý 187
3.3.2 Ứng dụng của phủ PVD 189
3.4 Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát 189
3.4.1 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt 189
3.4.2 Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại 191
3.4.3 Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt 192
4 THẤM ION (ION IMPLANTATION) 194
4.1 Nguyên tắc 194
4.2 Thiết bị thấm ion 197
4.3 Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion 198
4.4 Ion trợ giúp quá trình phủ 200
5 THẤM NITƠ VÀ CÁC BON 201
5.1 Khái niệm chung 201
5.2 Nguyên tắc của glow discharge 202
5.3 Áp suất riêng của 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 chính của thấm Nitơ plasma 206
5.5 Thấm các mòn 206
5.5.1 Khái niệm 206
5.5.2 Các ưu điểm của thấm các bon plasma 207
TÀI LIỆU THAM KHẢO 208
Trang 7LỜI NÓI ĐẦU
Sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá nước nhà đang đòi hỏi những nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng các sản phẩm công nghiệp Ma sát, mòn và bôi trơn (Tribology) có lẽ là những thuật ngữ không xa lạ với các kỹ sư, cán bộ giảng dạy và nghiên cứu Tuy nhiên để ứng dụng có hiệu quả kiến thức về tribology vào việc thiết kế các cặp đôi ma sát, các nhà thiết kế phải có những hiểu biết sâu và rộng trong lĩnh vực này Trước yêu cầu đó của xã hội, các tác giả đã viết cuốn sách này làm tài liệu chuyên khảo phục vụ đào tạo Sau đại học cho các chuyên ngành thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí
Được sự góp ý của các đồng nghiệp, chúng tôi định hướng nội dung chủ yếu của cuốn sách này vào các vấn đề cơ bản về lý thuyết tiếp xúc và ứng suất, lý thuyết ma sát, mòn và bôi trơn cũng như một số biện pháp công nghệ tiên tiến nhằm giảm ma sát và mòn Cuốn sách được chia làm
5 phần chính theo 5 chương
Chương 1: Đặc tính và tương tác bề mặt vật rắn
Chương 2: Lý thuyết cơ bản về ma sát
Chương 3 : Lý thuyết cơ bản về mòn
Chương 4: Bôi trơn trong kỹ thuật
Chương 5: Một vài biện pháp công nghệ bề mặt nhằm giảm
ma sát và mòn
Với mục đích cung cấp cho học viên cao học những kiến thức rất cơ bản về ma sát mòn, bôi trơn và phục vụ cho quá trình giảng dạy môn học
"Ma sát và Mòn" tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, các tác giả đã đi từ phân tích lý thuyết cơ bản, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đến các ứng dụng cụ thể của tribology trong kỹ thuật Ngoài việc sử dụng cuốn sách làm tài liệu chuyên khảo cho học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, các tác giả hy vọng các nghiên cứu sinh trong lĩnh vực này cũng có thể tìm thấy nhiều điều bổ ích cho nghiên cứu của mình
Trang 8Chúng tôi muốn bày tỏ tình cảm, lời cám ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ chúng tôi trong quá trình hoàn thành bản thảo Chúng tôi cũng không thể không nhắc đến những cảm thông và tạo điều kiện đặc biệt về thời gian của vợ và các con gái trong những ngày bận rộn viết cuốn sách này Mặc dù cuốn sách đã được chính tác giả và các đồng nghiệp sử dụng làm tài liệu đào tạo Sau đại học, được kiểm tra cẩn thận trước khi xuất bản, nhưng chắc chắn trong tài liệu vẫn còn nhiều thiếu sót Chúng tôi mong muốn nhận được và chân thành cám
ơn ý kiến đóng góp của bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội
CÁC TÁC GIẢ
Trang 9MỞ ĐẦU
1 LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN (TRIBOLOGY)
Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường là ma sát và mòn hay khoa học về bôi trơn Trong từ điển kỹ thuật Anh - Anh, tribology được định nghĩa là khoa học và công nghệ của các bề mặt tương tác và chuyển động tương đối với nhau, các lĩnh vực liên quan và ứng dụng Đây là một lĩnh vực khoa học rộng bởi vì tương tác giữa các bề mặt thông qua một giao diện tribology rất phức tạp, yêu cầu kiến thức sâu của nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý, hoá học, toán ứng dụng, cơ học vật rắn, cơ học chất lỏng, nhiệt động lực học, truyền nhiệt, khoa học vật liệu, thiết kế máy, khả năng làm việc và độ tin cậy của chi tiết máy và máy
Thực ra, con người đã ứng dụng các kiến thức của tribology vào cuộc sống từ rất lâu Con tầu và bánh xe đã được sử dụng khoảng 3500 năm trước công nguyên nhằm giảm ma sát trong vận chuyển Người cổ
Ai Cập đã biết sử dụng nước để bôi trơn các xe trượt dùng vận chuyển các bức tượng nặng vào năm 1880 trước công nguyên Trong một ngôi
mộ cổ ở Ai Cập xây dựng vài nghìn năm trước công nguyên còn để lại các dấu tích, con người đã biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn trong các ổ bánh xe
Trong thời đại đế chế La Mã, các kỹ sư quân đội thiết kế và chế tạo các máy móc phục vụ chiến tranh và các phương pháp phòng thủ đều quan tâm đến việc ứng dụng các kiến thức tribology Leonardo Da Vanci (1452-1519) là nhà khoa học đầu tiên đã rút ra một giả thiết khoa học quan trọng về ma sát đó là hệ số ma sát là tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến Do phát minh của ông chưa có tác động đến lịch sử nên cuốn sách viết về phát minh này của ông đã không được xuất bản trong vài trăm năm Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons đã công bố định luật ma sát sau khi nghiên cứu hiện tượng trượt khô giữa hai bề mặt phẳng Thứ nhất, lực ma sát cản trở sự trượt trên bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến Thứ hai, độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa Các
Trang 10quan sát này đã được nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm và bổ sung thêm định luật thứ ba, đó là lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc và phân biệt rõ ma sát tĩnh và động
Sự phát triển của tribology xảy ra mạnh mẽ vào những năm 1500, đặc biệt là các phát minh vật liệu chế tạo ổ Năm 1684, Robert Hooke đã khám phá ra sự kết hợp giữa trục thép và vòng kim loại tốt hơn trục gờ
và vòng gang trong ổ bánh xe Sự phát triển tiếp theo của tribology gắn liền với sự phát triển của công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và sự lớn mạnh của công nghiệp khai thác dầu ở các nước Anh, Mỹ, Canada Vào năm
1668, Isaac Newton đã phát hiện ra các định luật về dòng chất lỏng nhớt, nhưng mãi đến cuối thế kỷ 19 người ta mới hiểu rõ bản chất khoa học của vấn đề bôi trơn ổ lăn Nguyên tắc bôi trơn thuỷ động được Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm 1884 và được Osborne Raynolds chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1886 đáp ứng yêu cầu về thiết kế ổ có độ tin cậy cao trong máy móc hiện đại
Mòn bắt đầu được nghiên cứu vào giữa thế kỷ 19 Người đã có những đóng góp đầu tiên vào lĩnh vực này là Ragnar Hoan (1946) Bước vào thế kỷ 20, những kiến thức mới trong lĩnh vực tribology được nhiều nhà khoa học khám phá đặc biệt là Bowden và Tabor (1950, 1964) và sau
đó là Bhushan và Gupta (1997)
Tribology đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của công nghiệp Có thể thấy vào những năm 1950, tuổi thọ của một động cơ ô tô chỉ bằng 1/3 tuổi thọ của động cơ ô tô sản suất vào những năm 1975 Một điều rất thú vị là trong các ô tô hiện đại có đến trên 2000 các tiếp xúc tribology
2 SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY
Tiếp xúc giữa phần lớn các bề mặt đều xảy ra tại đỉnh nhấp nhô bề mặt Do đó tầm quan trọng của việc nghiên cứu tiếp xúc tại đỉnh nhấp nhô trong các nghiên cứu về tính chất cơ lý của bề mặt tiếp xúc, tribology đã được nhận thức từ lâu