Chương 2: Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát Chúng ta biết rằng, các chi tiết máy thường làm bằng kim loại và h ợp kim. Chúng có cấu tạo tinh thể, ứng với liên kết chặt chẽ nhất giữa các nguyên tử.Trong mạng hoàn thiện, các nguyên tử xắp xếp có chu kỳ điều đặn, theo một chật tự nhất định và kéo dài đến vô cùng, tuy nhiên, trong th ực tế, cấu trúc chẩn luôn luôn có sự sai lệch, đó là “lỗ trống”, các nút mạng thiếu nguyên tử hoặc các nguyên tử “biến vị” nằm ở khoảng giữa hai nút mạng. Các nguyên tử này có th ể là kim loại hoặc hợp kim gốc. Củng có thể là tạp chất ngẩu nhiên ho ặc kim loại gốc. Khi các chi tiết lắp ghép chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái làm vi ệc, bề mặt tiếp xúc sẽ có sự dịch chuyển tương đối với nhau. Các chi ti ết sẽ chiệu áp suất và biến dạng dẻo. Biến dạng d ẻo của kim loại bao gồm: sự chuyển động và sinh sôi các sai lệch mạng. Nó có thể là quá trình trượt dưới tác dụng của ứng suất theo các phương hoặc theo mặt phẳng tinh thể xác định và được thể hiện dưới dạng một hệ các dải trượt song song trên bề mặt hoặc củng có th ể theo dịch chuyển các nguyên tử trong mặt phẳng ứng suất tiếp l ớn lớn nhất để chiếm các “lỗ trống” hoặc sự xâm nhập các nguyên t ử vào mạng tinh thể đàn hồi củng như sự di chuyển các nguyên tử “biến vị” cùng các “đám mây” điện tử của nó theo phương có thể. Cuối cùng biến dạng dẻo có thể do sự dịch chuyển hoặc sự quay tương đối giữa các hạt với nhau. Hiện tượng biến dạng dẻo trong các lớp mỏng trên bề mặt hai chi tiết lắp ghép chiệu ma sát làm suất hiện các dải trượt trên bề mặt của chúng với tốc độ gồ ghề khoảng 20 Ǻ , có nhiều sai lệch và có độ hoạt hoá cao. Sau m ột vài chu kỳ trượt, lớp ôxy hoá ban đầu trên các bề mặt bị phá vỡ làm lộ ra khoảng bộ mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo và b ị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo và bị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý” có những tính chất đặc biệt: các nguyên tử ở lớp bề mặt dễ bị phát xạ mất điện tử lớp ngoài, hoặc nhập thêm điện tử trở thành các nguyên tử có năng lượng tự do lớn h ơn. Cuối cùng các “lỗ trống” và các nguyên tử “biến vị” chúng t ạo ra khả năng tương tác vật lý, hoá học… mạnh hơn bên trong . T ương tác của chúng với nhau và với môi trường là những t ương tác chủ yếu xảy ra khi ma sát. Sau đây sẽ xem xét kỹ một số tương tác đó. Tuy nhiên theo PGS- TS Dương Đình Đối có nhiều hiện tượng trong ma sát chưa cắt nghĩa nổi. Vì ma sát là…”ma” mà là “ma” thì lúc ẩn lúc hiện, biến hoá khôn lường. 1.1.4.1. Tương tác với các hoạt chất hoá h ọc Trong trường hợp các bề mặt chi tiết bị biến dạng dẻo, có sự suất hiện các dải thể tích trượt sẽ tạo ra các khoảng bề mặt “sạch vật lý”. Nếu bề mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo, tiếp xúc với các ch ất có hoạt tính hoá học mạnh như: O, P, S,… thì các chất này có th ể hấp phụ vật lý, hoá học trên bề mặt, củng có thể khuếch tán, hoà tan và t ạo thành dung dịch rắn hoặc tác dụng với kim loại tạo thành h ợp chất. Điều này xuất hiện, tồn tại, mất đi củng như tốc độ tiến triển của mỗi quá trình đối với nhau; ảnh hưởng của mỗi quát trình riêng bi ệt và tổng hợp các quá trình đối với ma sát, hao mòn rất phức tạp, những chất quan trọng. Chẳng hạn, khi tiếp xúc với Ôxy tu ỳ vào điều kiện có thể sảy ra các quá trình sau đây: Sự hình thành màng Ôxy đã bị phân ly, hấp phụ trên bề mặt chi ti ết-hấp phụ hoá h ọc. Sự liên kết Ôxy thành phân tử trên bề mặt các lớp trước – hấp phụ vật lý. Sự hình thành màng Ôxy – phản ứng Ôxy hoá. Bề mặt phân cách của màng Ôxy với kim loại gốc, đặc biệt tinh khi ết, mới gần phẳng với các hợp kim có dạng sóng với nhiều mấp mô có biên độ khác nhau. Kim loại và Ôxy tác dụng cơ học lẩn nhau. Trong Ôxy thường xuất hiện ứng suất nén, còn trong kim loại ứ ng suất kéo, điều này tạo điều kiện bong tách Ôxy ra khỏi kim loại dọc theo bề mặt phân cách. 1.1.4.2. Tương tác với các hoạt chất bề mặt Khi bề mặt “sạch vật lý” của kim loại đã bị biến dạng, đã tiếp xúc v ới các chất có ngồn ngốc hữu cơ (các axit béo, rượu, xà phòng…) ho ặc dầu, mỡ là sản phẩm của Cacbuahyđrô có mạch đủ dài, sẽ hấp phụ vật lý trên bề mặt tạo nên l ớp định hướng tựa tinh thể, có đặc tính bám dính và xoa trơn. lớp định hướng này chỉ tồn tại trên bề mặt kim loại ở một bề dày giới h ạn. Nó chiệu nén và có khả năng trượt dễ dàng. Người ta gọi các ch ất hấp phụ này là chất hoạt tính bề mặt và lớp định hướng tựa tinh th ể này là lớp giới hạn. Khi có chất hoạt tính bề mặt hấp phụ, các nguyên tử có độ giảm t ự do năng lượng lớn hơn, ứng suất chảy và ứng suất bền của lớp bề mặt kim loại giảm đi. Do đó, công biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm đi rất nhiều. đó là hiện tượng hoá dẻo hấp phụ hay còn gọi là hiệu ứng Rebinder dạng ngoài. Khi bi ến dạng nếu có chất hoạt tính bề mặt thì bề mặt dày dải trượt nhỏ hơn hàng chục lần (3 – 4µm) so với bề dày dải trượt kim lo ại tiếp xúc với không khí (50µm). Trong trường hợp có độ giảm bề mặt thật mạnh ở lớp bề mặt thì có thể nảy sinh các vết nứt t ế vi, các chất hoạt tính bề mặt chui vào các vết nứt này tạo ra hiệu ứ ng Rebinder trong ấy và làm cho các vết nứt phát triển nhanh. Đó là hiện tượng “hoá dòn hấp phụ” gọi là hiệu ứng Rebinder dạng trong. N ếu có hoạt chất bề mặt hấp phụ trên bề mặt kim loại nhưng trong môi tr ường chân không hoặc khí trơ thì có hiệu ứng Rebinder thu ần nhất. Giá trị của nó trong trường hợp này lớn gấp trăm ngàn l ần trong trường hợp thuần nhất. Hiệu ứng Rebinder dạng ngoài không thuần khiết làm giảm ma sát, t ối thiểu hoá bề mặt kim loại bị biến dạng và hao mòn. Song hi ệu ứng Rebinder dạng trong có thể gây phá huỷ dòn ở áp suất lớn. Có thể lợi dụng để rút ngắn thời gian rà máy, Còn dạng thuần nhất có thể lợi dụng để tăng năng suất cắt gọt. 1.1.4.3. Hình thành “cầu hàn khu ếch tán” Khi hai bề mặt “sạch vật lý” của cặp ma sát A,B xâm nhập vào nhau, tạo ra khoảng cách nguyên tử giữa chúng thì có thể xảy ra sự khuếch tán kim loại sang nhau, hình thành “cầu hàn khuếch tán” hay còn gọi là “cầu hàn nguội” - sự “kết dính”. Khi cặp ma sát là các kim loại cùng bản chất thì cầu hàn này được gọi là “đồng k ết”. Khoảng cách, thời gian và nhiệt độ có ảnh hưởng đến khuếch tán. Như vậy, khi ma sát, tại chổ tiếp xúc xảy ra các tương tác cơ, lý hoá, điện … giữa hai chi tiết với nhau (chủ yếu là lớp bề mặt) và với môi trường. kết quả của quá trình tương tác ấy làm hình thành, tồn tại và mất đi theo chu kỳ, những lớp thứ cấp dẩn đến sự hao mòn các chi tiết máy. . ti ết sẽ chiệu áp suất và biến dạng dẻo. Biến dạng d ẻo của kim loại bao gồm: sự chuyển động và sinh sôi các sai lệch mạng. Nó có thể là quá trình trượt dưới tác dụng của ứng suất theo các phương. dẻo và b ị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo và bị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý” có những tính. tại, mất đi củng như tốc độ tiến triển của mỗi quá trình đối với nhau; ảnh hưởng của mỗi quát trình riêng bi ệt và tổng hợp các quá trình đối với ma sát, hao mòn rất phức tạp, những chất quan trọng.