Ma sát, mòn và bôi trơn trong kỹ thuật

... Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội CÁC TÁC GIẢ MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN (TRIBOLOGY) Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường ma sát mòn hay khoa học bôi trơn Trong. .. 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... nghiệp Ma sát, mòn bôi 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

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 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

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 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

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

4.5 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

2 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

LỜI 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

Chúng 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

MỞ 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

quan 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

TRIBOLOGY THÔNG THƯỜNG

Khối lượng lớn

Tải nặng

Mòn Không tránh khỏi

Vật liệu khối

MICRO/NANOTRIBOLOGY Khối lượng nhỏ (μg) Tải nặng (μg tới mg)

Không mòn (vài lớp phân tử)

Bề mặt (vài lớp phân tử)

Hình 1-1: So sánh giữa nanotribology thông thường và

Micro/ nanotribology

Với sự ra đời của các loại kính hiển vi điện tử mới (Scanning Tunneling Microscope và Atomic Force Microscope) và các công cụ tính toán để có thể mô phỏng các tương tác ở đỉnh các nhấp nhô và các tính chất ở vùng tiếp xúc chung cho phép khảo sát một cách có hệ thống các bài toán ở vùng tiếp xúc với độ phân giải cao cũng như phương pháp và phương tiện để biến đổi và điều khiển các cấu trúc ở thang nano Lĩnh vực này liên quan đến những nghiên cứu các quá trình bằng lý thuyết và thực nghiệm từ thang phân tử, nguyên tử tới thang micro xảy ra trong quá trình dính, ma sát, mòn và bôi trơn màng mỏng tại vùng tiếp xúc chung của các bề mặt trượt

Sự khác nhau giữa tribology thông thường và micro/nanotribology được mô tả trên Hình 1-1 Sự khác nhau về khối lượng và tải trọng dẫn đến sự khác nhau về tính chất tribology ở chỗ tiếp xúc Trong tribology thông thường các tính chất khối của vật liệu quyết định còn trong micro/nanotribology tính chất của lớp bề mặt quyết định Mặc dù, micro/nanotribology nhằm mục đích nghiên cứu các cấu trúc tế vi ở thang micro và nano nhưng chúng có ý nghĩa to lớn trong việc hiểu rõ bản chất các hiện tượng tiếp xúc tế vi tạo nên một cầu nối giữa khoa học

và kỹ thuật

Các thiết bị sử dụng nghiên cứu micro/nanotribology bao gồm

Scanning tunneling microscope (STM) và máy hiển vi đo lực ma sát và lực tương tác nguyên tử (AFM & FFM) cũng như các thiết bị đo lực tương tác bề mặt (SFA) STM có thể cho hình ảnh 3 chiều bề mặt vật rắn với độ phân giải ở mức độ nguyên tử thậm trí với cả vật liệu dẫn điện kém AFM có thể đo được các lực rất nhỏ (nhỏ hơn 1 μN) tác dụng ở đỉnh nhấp nhô bề mặt cho cả vật rắn dẫn điện và cách điện Ngoài ra, AFM còn là máy đo profile để xác định topography bề mặt từ thang micro đến thang nano AFM được biến đổi để đo cả lực pháp tuyến và

ma sát gọi là máy hiển vi đo lực ma sát (FFM) AFM còn được sử dụng nghiên cứu các hiện tượng dính, cào xước mòn, bôi trơn, nhiệt độ bề mặt

và các tính chất cơ học về đàn hồi, dẻo Thiết bị đo lực bề mặt (SFA) được sử dụng để nghiên cứu các tính chất tĩnh và động lực của các màng bôi trơn mỏng ở mức độ phân tử giữa hai bề mặt nhẵn ở mức độ phân tử

- Các nghiên cứu micro/nanotribology về bản chất liên kết và tương

tác của vật liệu không thể tách rời mô hình hoá và mô phỏng với sự trợ giúp của máy tính để giải quyết các bài toán lý thuyết phức tạp về các hiện tượng tiếp xúc phức tạp với độ phân giải cao trong không gian và thời gian Các mô phỏng trên máy tính cung cấp các thông tin về năng lượng nguyên tử, cấu trúc, động lực học, nhiệt động lực trên các khía cạnh của các quá trình tribology Hơn nữa, phương pháp tiếp cận lý thuyết còn giúp cho việc thiết kế, giải thích các kết quả thí nghiệm và dự đoán các hiện tượng mới trên cơ sở của các lý thuyết micro/nano

3 VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CÔNG NGHIỆP

Các nghiên cứu về tribology đóng vai trò rất quan trọng đối với các máy móc hiện đại sử dụng các bề mặt tiếp xúc lăn và trượt với nhau Phanh, ly hợp, bánh chủ động của tàu hoả, ô tô là những ví dụ về ma sát

có lợi Mòn của bút chì khi viết, gia công cơ, đánh bóng v.v thuộc về mòn có lợi Ma sát và mòn có hại có thể thấy trong động cơ đốt trong, động cơ máy bay, bánh răng, cam, ổ và phớt

Theo thống kê, những thiệt hại do không quan tâm đến các vấn đề về tribology chiếm đến 6% tổng thu nhập cửa nước Mỹ (200 USD tỷ trong năm 1966) Khoảng 1/3 nguồn năng lượng của thế giới hiện tại tiêu phí cho ma sát dưới dạng này hoặc khác Vì thế tầm quan trọng của giảm ma

sát và kiểm soát mòn được nhấn mạnh còn do các lý do kinh tế và độ tin cậy trong thời gian dài Theo thống kê nước Anh có thể tiết kiệm được

500 triệu bảng và nước Mỹ 16 tỷ USD hàng năm do những cải thiện về tribology trong công nghiệp

Mục đích của những nghiên cứu về tribology là hạn chế tới mức thấp nhất tiến tới loại trừ những mất mát do ma sát và mòn ở tất cả các cấp độ của công nghệ mà ở đó tồn tại các bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối Các nghiên cứu về tribology sẽ làm cho các nhà máy hoạt động có hiệu quả hơn, khả năng làm việc của máy móc tốt hơn, giảm thời gian sửa chữa, tiết kiệm đáng kể chi phí về thay thế, bảo dưỡng và vận hành

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, vấn đề nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đã và đang được quan tâm đặc biệt, nhiều chương trình đề tài cấp Bộ trọng điểm, cấp Nhà nước trong lĩnh vực kỹ thuật bề mặt đặc biệt phun phủ cho dụng cụ cắt đang được triển khai và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Trong tương lai, kỹ thuật bề mặt sẽ không chỉ là một ngành khoa học công nghệ phát triển trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam

mà còn trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm công nghiệp của nước nhà

Chương 1 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN

1 BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT

Bề mặt vật rắn hay chính xác là mặt phân cách rắn - khí hay rắn - lỏng có cấu trúc và tính chất rất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp hình thành bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt bởi vì các tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi trơn Hơn nữa, các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng khác như quang học, điện, nhiệt, sơn và trang trí

Bề mặt vật rắn bản thân nó bao gồm vài vùng có các tính chất cơ lý khác với vật liệu khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beilby, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ

lớp bề mặt kim loại, hợp kim hay ceramics có thể thay đổi đáng kể so với vật liệu khối bên trong Ví dụ sau khi gia công cơ hay trong quá trình tương tác ma sát giữa hai bề mặt, dưới tác động của lực và nhiệt độ các lớp bề mặt sẽ bị biến dạng dẻo Lớp biến dạng này gọi là lớp biến cứng

2.2 Lớp BEILBY

Lớp beilby được tạo nên trên bề mặt kim loại và hợp kim do sự chảy

và biến dạng dẻo bề mặt với cường độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng cao của các lớp phân tử bề mặt trong quá trình gia công cơ, sau đó cũng lên nhờ quá trình tôi do nhiệt độ vật liệu khối nền thấp Lớp Beilby có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể với chiều dày từ 1 đến 100 cm Các nguyên công gia công tinh như mài nghiền, đánh bóng có thể giảm chiều dày của lớp này

2.3 Lớp tương tác hoá học

Trừ một số các kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả các kim loại đều phản ứng với ôxy tạo nên ôxít trong không khí Trong các môi trường khác có thể tạo nên các lớp nitrides, sulfides hay chlorides

Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo ra nhiều loại ôxít khác nhau Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí, phản ứng ôxy hoá có thể còn xảy ra giữa các lớp ôxít của hai bề mặt Ngoài ra, chất bôi trơn và phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxít bảo vệ bề mặt quan trọng

Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần Fe có thể tạo thành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe O và Fe O bên ngoài và lớp FeO 2 3 2 4

trong cùng Với hợp kim, lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít Ví dụ, trên thép không rỉ tồn tại hỗn hợp ôxít sắt và ôxít crôm

Cr O Một số ôxít có tác dụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hoá tiếp tục xảy ra như lớp ôxít trên bề mặt của nhôm và than

2 3

2.4 Lớp hấp thụ hoá học

Bên ngoài lớp tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên cả bề mặt kim loại và á kim Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung điện tử hoặc trao đổi điện tử giữa các chất hấp thụ và bề mặt vật rắn Trong lớp này tồn tại một liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10kcal/mol ÷ 100 kcal/mol) Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề mặt vật rắn và các chất hấp thụ

2.5 Lớp hấp thụ vật lý

Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các phân tử hơi nước, ôxy, hydrocarbons trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa phân tử với chiều dày khoảng 0,3 Nm Các lớp màng dầu

mỡ trên bề mặt cũng thuộc loại lớp hấp thụ vật lý Ở đây không tồn tại hiện tượng dùng chung hoặc trao đổi electrons giữa các phân tử vật rắn

và chất hấp thụ Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến các lực Van Der Waals, các lực này rất yếu so với các lực tương tác trong khí trơ ở trạng thái lỏng Để làm sạch lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1-2 kcal/mol), hơn nữa trong môi trường có độ chân không cao (khoảng 10 Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt tất cả các chất rắn

-8

Có 4 tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học và vật lý: lượng nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt tính, tính chất và chiều dày của lớp hấp thụ

2.6 Sức căng và năng lượng bề mặt

Ngoài hoạt tính hoá học và sự hấp dẫn của các phân tử hấp thụ trên

bề mặt, một thuộc tính quan trọng phải được xem xét là sức căng bề mặt hay năng lượng tự do bề mặt

Năng lượng bề mặt y là công cần thiết hình thành một đơn vị diện tích trên bề mặt A, với thể tích, nhiệt độ, thế hoá học là hằng số

γ gọi là sức căng bề mặt đối với chất lỏng và năng lượng tự do bề mặt đối với chất rắn

Tiêu chuẩn năng lượng để hình thành một bề mặt mới không phải chỉ công cơ học mà cả lượng nhiệt tiêu thụ, nếu quá trình xảy ra đẳng nhiệt Tổng năng lượng cần thiết để mở rộng bề mặt chất lỏng trên một đơn vị diện tích gọi là tổng năng lượng bề mặt E s

T là nhiệt độ tuyệt đối

Giá trị của năng lượng bề mặt của một vật liệu phụ thuộc vào bản chất của môi trường đối tiếp bề mặt Năng lượng bề mặt khi chất rắn tiếp xúc với chất lỏng khác hẳn khi tiếp xúc với không khí

Sức căng bề mặt đặc biệt quan trọng đối với hiện tượng dính Khi một vật rắn S tiếp xúc với một chất lỏng L, các phân tử hút dọc theo bề mặt sẽ giảm năng lượng của hệ thống xuống thấp hơn khi hai bề mặt bị phân tách

WST - γSA +γLA -γSL (1-3) trong đó: WST là năng lượng dính trên một đơn vị diện tích tiếp xúc hai

bề mặt, γSA, γST là sức căng bề mặt của chất rắn với không khí, chất lỏng,

γLA là sức căng bề mặt của chất lỏng đối với chất rắn (Hình 1-2) Năng lượng liên kết của chất rắn Wc là năng lượng cần thiết để tách vật liệu thành hai phần trên một đơn vị diện tích và Wc = 2 γSA

biến dạng dẻo có thể xác định bằng phương pháp kim loại học - cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực và quan sát trên kính hiển vi quang học (Optical Microscope) hoặc điện tử (Scanning Electron Microscope) Cấu trúc tinh thể và mật độ xô lệch mạng (dislocation) có thể nghiên cứu sử dụng các mẫu siêu mỏng (chiều dày khoảng vài trăm nanomét) trên kính hiển vi điện tử (Transmission Electron Microscope) Cấu trúc tinh thể của mỗi lớp bề mặt có thể nghiên cứu sử dụng tia X (X-ray), các công nghệ khúc xạ năng lượng cao hoặc thấp Phân tích nguyên tố hoá học có thể sử dụng X-ray Energy Dispersive Analyser (X-REDA) trên các kính

hiển vi điện tủ (SEM), hoặc (AES), (EPMA), (ISS), (RBS), (XRF) v.v

Chiều dày các lớp bề mặt có thể đo thông qua máy đo chiều sâu profile của bề mặt Chiều dày và mức độ biến dạng của lớp biến dạng có thể xác định thông qua ứng suất dư trên bề mặt Phân tích hoá học các lớp hấp thụ hữu cơ có thể sử dụng các công cụ phân tích bề mặt như Mass Spectrometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Scatter, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) và XPS

3 PHÂN TÍCH ĐỘ NHÁM BỀ MẶT

Texture của bề mặt là sự sai khác có hoặc không có quy luật bề mặt thực so với bề mặt danh nghĩa tạo nên topography 3 chiều của bề mặt Texture của bề mặt bao gồm: (1) độ nhám tế vi (độ nhấp nhô nặng hoặc micro), (2) độ sóng, (3) vết gia công (lay) và (4) flaws Hình 1-3 minh hoạ texture của bề mặt theo một hướng

Độ sóng bề mặt là những nhấp nhô bề mặt dược đánh giá trên bước sóng lớn, thường hiểu là độ nhám thô đại Độ sóng có thể do các yếu tố như biến dạng của máy và phôi, gằn khi gia công, nhiệt luyện hoặc biến dạng bề mặt

Độ nhám tế vi được tạo thành bởi sự nhấp nhô của bề mặt thực với bước sóng ngắn đặc trưng bởi đỉnh và chân các nhấp nhô với biên độ và khoảng cách luôn thay đổi và lớn đáng kể so với kích thước phân tử Khái niệm đỉnh nhấp nhô được sử dụng trong không gian 2 chiều và 3 chiều Độ nhám tế vi bề mặt bao gồm các đặc điểm thuộc về bản chất của quá trình gia công

Vết gia công (lay) là hướng chính của topography bề mặt đặc trưng

bởi phương pháp công

Khuyết tật (Flaws) là sự ngắt quãng không dự đoán trước, không mong muốn của texture bề mặt Ngoài ra, trên bề mặt còn tồn tại các sai lệch khối so với hình dáng danh nghĩa (sai lệch hình dáng)

Hình 1-3: Sơ đồ mô tả texture của một bề mặt

3.1 Các thông số đánh giá độ nhám tế vi trung bình

3.1.1 Các thông số biên độ

Độ nhám tế vi được đánh giá thông qua sự thay đổi chiều cao của bề mặt so với một mặt phẳng chuẩn Nó được đo dọc theo một profile hoặc dọc theo một tập hợp các profile Độ nhám tế vi được đánh giá theo một hoặc hai tiêu chuẩn dùng mô tả chiều cao thống kê của American National Standard Institute (ANSI) và International Stadardization Organization (ISO) đó:

- R a giá trị trung bình so với đường chuẩn.

- Độ sai lệch chuẩn (σ).

- R q căn bậc hai trung bình

Hai mô tả chiều cao thống kê khác là S (skewness) và K (kurtosis) ít khi được sử dụng

k

Các thông số đánh giá độ nhám tế vi khác sử dụng mô tả giá trị chiều cao cực trị, R hay R hoặc Rt y max Ngoài ra 4 thông số khác ít khi được sử dụng là Rp, Rv, Rz, Rpm

Từ Hình 1-4 có thể xác định được Ra, σ, Rq, Sk và K

L là khoảng chiều dài lựa chọn trên profile

Sai lệch tiêu chuẩn được tính như sau:

trong đó: σ là sai lệch tiêu chuẩn, R là căn bậc hai trung bình của sai lệch thẳng đứng so với đường trung bình

Năm mô tả giá trị độ cao cực trị được định nghĩa như sau: R là khoảng cách giữa đỉnh nhấp nhô cao nhất và chỗ lõm thấp nhất R là khoảng cách giữa đỉnh nhấp nhô cao nhất và đường trung bình R là khoảng cách giữa đường trung bình và chỗ lõm thấp nhất R là khoảng cách trung bình giữa 5 đỉnh nhấp nhô cao nhất

t p y z

và 5 chỗ lõm thấp nhất

R là khoảng cách trung bình từ 5 đỉnh nhấp nhô cao nhất đến đường trung bình Các giá trị R và R thường tương đối ổn định và được tiêu chuẩn theo ISO Trong nhiều ứng dụng tribology, chiều cao của các đỉnh nhấp nhô cao nhất so với đường trung bình là thông số quan trọng vì sự phá huỷ tại mặt tiếp xúc chung có thể xảy ra ở một số ít đỉnh cao trên một trong hai bề mặt Ngược lại độ sâu của các chỗ lõm với đường trung bình

có thể ảnh hưởng trực tiếp việc duy trì chất bôi trơn và dòng bôi trơn

pm

z pm

Các thông số độ cao R hoặc σ trong một số trường hợp và R hay R được sử dụng rộng rãi để đánh giá độ nhám của các chi tiết sau gia công

cơ Tuy nhiên, các thông số nói trên nói chung không đủ để đánh giá một

bề mặt vì chúng chỉ khảo sát theo phương thẳng đứng Chúng không cung cấp được các thông tin về độ dốc, hình dáng và kích thước các nhấp nhô cũng như tần xuất và tính quy luật tồn tại của chúng Các bề mặt với profile rất khác nhau với tần xuất khác nhau và hình dáng khác nhau vẫn

có thể có cùng giá trị R hoặc σ Các thông số định lượng đơn này chỉ có giá trị phân loại các bề mặt cũng hiểu nghĩa là được tạo thành bởi cùng một phương pháp gia công

a

3.1.2 Các thông số không gian

Một cách để bổ sung cho các thông tin về biên độ (chiều cao nhấp nhô) là đưa ra một số chỉ số về khoảng không giữa nhấp nhô hay bước sóng (tương ứng với phân bố không gian) trên bề mặt Hai thông số thường được sử dụng là mật độ đỉnh nhấp nhô N (η) và mật độ ngang 0 (N ) Trong đó,

p

0 Np là mật độ các đỉnh (cực đại địa phương) của profile trên một đơn vị chiều dài và η là mật độ các đỉnh nhấp nhô bề mặt trên một đơn vị diện tích N0 là số lần profile cắt đường trung bình trên một

đơn vị chiều dài

Một thông số thứ ba là khoảng cách đỉnh nhấp nhô trung bình A là khoảng cách trung bình giữa các đỉnh được đo Thông số này tương đương với đáp các thông số không gian khác ít khi được sử dụng là độ dốc trung bình và độ cong trung bình tương ứng là đạo hàm bậc nhất và bậc hai của profile

R

3.2 Các phân tích thống kê

3.2.1 Phân bố xác suất biên độ và hàm mật độ

Hàm phân bố xác suất thống kê P(h) theo biến số ngẫu nhiên z(x) có giá trị trong khoảng (-∞ , + ∞ ) hay Zmin và Zmax là xác suất của các sự kiện với z(x) ≤ h được viết như sau:

P(h) = xác suất (z ≤ h) (1-9) với P (- ) = 0 và P(∞ ∞ ) = 1

Thông thường cấu trúc xác suất của các dữ liệu ngẫu nhiên được mô

tả dưới dạng độ dốc của hàm số phân bố:

Hàm số p(z) được gọi là hàm mật độ xác suất và hiển nhiên:

Các dữ liệu mô tả tập hợp các hiện tượng vật lý đa dạng trong thực tế

có khuynh hướng tuân theo hàm mật độ xác suất hay hàm Gauss

trong đó: σ là sai lệch chuẩn, m là giá trị trung bình

Hình 1.5: (a) Hàm ngẫu nhiên z*(x) tuân theo hàm xác suất Gauss.

(b) Hàm mật độ xác suất Gauss p(z*).

(c) Hàm phân bố xác suất thống kê Gauss P(z*).

Để thuận lợi tính toán, hàm Gauss vẽ theo biến chuẩn z* = (z-m)/σ

Phương trình (1- 14) gọi là hàm mật độ xác suất chuẩn hay phân bố tiêu chuẩn Gauss Để tìm P(h) từ p(z*), việc tích phân không thể biểu diễn dưới dạng hàm tường nên tích phân này thường được viết dưới dạng hàm sai lệch định nghĩa như sau:

Ví dụ về biến ngẫu nhiên z*(x) với hàm mật độ xác suất Gauss và hàm phân bố tương ứng mô tả trên Hình 1-4 Để đơn giản hoá trong một

số phân tích, đôi khi phân bố dưới dạng hàm mũ được sử dụng thay thế cho phân bố Gauss dưới dạng sau:

3.2.2 Mô men của hàm xác suất biên độ

Hình dạng của hàm mật độ xác suất cung cấp thông tin quan trọng về kiểu phân bố (behavior) của quá trình Hình dạng này có thể biểu diễn dưới dạng mô men của hàm số

Mà gọi là mô men cấp n Các mô men quanh giá trị trung bình gọi là các mô men trung tâm

Mô men cấp 0 bằng 1, mô men cấp 1 bằng m (giá trị trung bình của hàm z(x),trái lại mô men trung tâm cấp 1 bằng 0 Chú ý rằng:

Mô men cấp 2 sẽ là

Hình 1.6: (a) Hàm mật độ xác suất cho các phân bố ngẫu nhiên với

các skewness khác nhau (b) Phân bố đối xứng các kurtosis khác nhau.

Trong thực tiễn, nhiều bề mặt kỹ thuật có phân bố chiều cao Gauss đối xứng

Thực tiễn đối với phần lớn các bề mặt kỹ thuật chỉ ra rằng phân bố chiều cao nhấp nhô tuân theo phân bố Gauss với đỉnh nhấp nhô cao nhưng với đỉnh thấp, phần dưới 1% ÷ 5% của phân bố không tuân theo phân bố Gauss Nhiều quá trình cắt kim loại tạo ra các bề mặt không tuân theo phân bố Gauss như tiện, bà0, và gia công tia lửa điện mà tạo nên các

bề mặt có skewness dương Mài, mài nghiền, phay và gia công bằng hạt mài tạo nên các bề mặt với skewness âm nhưng giá trị kurtosis cao Đánh bóng sử dụng tia laser tạo nên các bề mặt với giá trị kurtosis cao

3.2.3 Các hàm số phân bố chiều cao hề mặt

Nếu bề mặt và chiều cao profile được xem xét là các đại lượng ngẫu nhiên, mô tả thống kê của chúng được thể hiện dưới dạng hàm mật độ xác suất (phân bố chiều cao hay đồ thị cột) hoặc hàm phân bố thống kê P(z) Đối với một profile số, đồ thị được xây dựng bằng cách thống kê số nhấp nhô hoặc phần chiều cao nhấp nhô bề mặt nằm trong từng khoảng

dz và vẽ trên Hình 1-7 Số khoảng chia dz có thể từ 15÷ 50 đối với các

dữ liệu thông thường, nhưng mỗi lựa chọn phải đảm bảo sự hài hoà giữa

độ chính xác và độ phân giải Đồ thị hàm số phân bố thống kê độ cao nhấp nhô bề mặt được vẽ trên Hình 1-7

Hình 1.7: Phương pháp xây dựng đồ thị cột và hàm phân bố thống

kê từ đồ thị phân bố chiều cao nhấp nhô bề mặt.

Nếu các đường cong phân bố thống kê và mật độ tuân theo phân bố Gauss thì các hàm phân bố độ dốc và bán kính cong cũng tuân theo phân

bố Gauss bởi vì chúng là đạo hàm bậc nhất và bậc 2 của các hàm số phân

bố thống kê và mật độ

Đối với một profile số có chiều dài L và chiều cao nhấp nhô bề mặt

là z , i = 1 ÷ n, tại một khoảng mẫu i

1

−

=Δ

N

L

x trong đó N là số khoảng xác định chiều cao nhấp nhô bề mặt, các thông có chiều cao trung bình xác định như sau:

Các thông số không gian trung bình được xác định như sau:

Độ dốc trung bình

Độ cong trung bình

3.2.4 Đường cong diện tích tiếp xúc thực (BAC)

Diện tích tiếp xúc thực giữa hai bề mặt có thể xác định từ profile của

bề mặt toạc bản đồ bề mặt Để xây dựng đường cong này từ profile, vẽ một đường thẳng song song và cách đường trung bình một khoảng nào

đó (bearing line) cắt các nhấp thô bề mặt Đo các đoạn cắt và lấy tổng của chúng sau đó tính tỷ số giữa tổng này và chiều dài chuẩn ký hiệu là

τp (bearing ratio) Cứ làm như thế với các đường thẳng (bearing line) từ đỉnh nhấp nhô cao nhất đến chân nhấp nhô thấp nhất sẽ vẽ được tường cong mô tả quan hệ giữa áp theo khoảng cách từ đường (bearing line) tới đường đỉnh các nhấp nhô profile (Hình 1-8) Với bề mặt Gauss, đường cong này có rạng chữ S Trong trường hợp bản đồ bề mặt thay đường

thẳng bằng mặt phẳng và đoạn cắt bằng diện tích mặt cắt qua các nhấp nhô Với một bề mặt ngẫu nhiên, các tỷ số tính theo chiều dài và diện tích

là như nhau

BAC có quan hệ với hàm phân bố thống kê Phần chiều cao nhấp nhô nằm thía trên một chiều cao z, τp ứng với chiều cao h xác định như sau: Xác suất

và

Hình 1-8: Đồ thị của đường cong diện tích tiếp xúc thực

Chú ý rằng trong các tính toán trên đã bỏ qua ảnh hưởng do biến dạng của vật liệu

3.2.5 Các hàm số không gian

Khảo sát hai bề mặt cùng phân bố hình sin, cùng biên độ nhưng khác nhau về tần số, cùng Ra và σ nhưng khác nhau về sự phân bố không gian các nhấp nhô bề mặt, nên phân bố độ dốc và độ cong cũng không đủ để thể hiện bề mặt bởi vì chúng chỉ nói lên được một kích thước không gian

cụ thể Các hàm số không gian Autocovariance (ACVF), hàm cấu trúc (SF), Power Spectral Density Function (PSDF) cho phép thể hiện tính chất của tất cả bước sóng, đặc điểm kích thước không gian

3.2.5.1 Các hàm số Aurocovariance & Autocorrelation

ACVF là hàm số thông dụng nhất thể hiện sự thay đổi trong không gian Đây là một hàm ngẫu nhiên dùng để đánh giá mức độ chính xác của các giá trị có thể dự đoán cửa một hàm số dựa trên các quan sát của SF Cho một hàm số z(x), ACVF của một phân tách không gian τ là một giá trị trung bình của tích hai phép đo trên profile cách nhau một khoảng

τz(x) và z(x + τ) Điều này đạt được bằng cách so sánh hàm z(x) với copy

của nó khi dịch chuyển copy này đi một khoảng τ (Hình 1-9)

Các giá trị của ACVF tại τ = 0 và τ = ∞ sẽ:

Dạng tiêu chuẩn của ACVF gọi là hàm Autocorrelation (ACF) xác định như sau:

Hình 1-9: Xây dụng hàm Alttocovariance.

Đối với một hàm ngẫu nhiên C(τ) có thể bằng 1 tại τ = 0 Nếu các tín hiệu tuần hoàn, các đỉnh C(τ) sẽ tại những nơi τ là bội số của bước sóng Nhiều bề mặt kỹ thuật tuân theo hàm mũ ACF

3.2.5.2 Hàm cấu trúc

Hàm cấu trúc (SF) hay (VF) dưới dạng tích phân của 1 profile z(x)

Hàm số biểu diễn bình phương trung bình về sai lệch về chiều cao được dự đoán trên khoảng không gian T bất kỳ Hai ưu điểm chính của

SF là việc xây dựng nó không giới hạn ở trường hợp tĩnh và nó không phụ thuộc vào mặt phẳng trung bình SF liên hệ với ACVF và ACF theo quan hệ sau:

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT

Có nhiều dụng cụ khác nhau được sử dụng để đo độ nhám bề mặt dựa trên hai nguyên tắc cơ bản là tiếp xúc và không tiếp xúc Vào năm

1933, Abbot và Firestone lần đầu tiên phát minh ra dụng cụ đo độ nhám

bề mặt bằng đầu dò Ngày nay, thiết bị này được sử dụng rộng rãi với hệ thống khuếch đại điện tử Vào năm 1983, máy đo độ nhám quang học không tiếp xúc dựa trên nguyên tắc giao thoa quang học của hai chùm tia

đã được chế tạo và ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử và quang học để đo các bề mặt nhẵn Đến năm 1985, máy hiển vi

đo lực nguyên tử ra đời là một thiết bị hiện đại cơ độ phân giải không gian cao dùng để đo độ nhám bề mặt đến thang nano

Chúng ta có thể phân các phương phasp đo độ nhám bề mặt khác

nhau thành 6 nhóm dựa trên các nguyên tắc vật lý liên quan, đầu dò cơ học, quang học, Scanning Probe Miroscopy, chất lỏng, điện, và Electron Micrscopy

5 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC

5.1 Mở đầu

Các nghiên cứu về tribology không thể tách rời các nghiên cứu về cơ chế tiếp xúc giữa các vật thể rắn Điều này liên quan đến những vấn đề thuộc về bản chất của biến dạng và ứng suất sinh ra dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài lên các vật thể có hình dáng hình học khác nhau Đặc biệt chúng ta không chỉ quan tâm đến biến dạng và ứng suất trên bề mặt vật rắn mà còn cả sự phân bố của chúng theo chiều sâu của các lớp bề mặt Tải trọng tác dụng lên vật rắn thường phân tích thành hai thành phần vuông góc để khảo sát tác dụng của chúng đến ứng suất và biến dạng một cách độc lập và sau đó tổng hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng

Vật liệu rắn khi chịu tải có thể bị biến dạng đàn hồi hoặc dẻo Trong trường hợp thứ nhất quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là bậc nhất và biến dạng có khả năng hồi phục sau khi bỏ tải Còn trong trường hợp thứ hai quan hệ giữa ứng suất và biến dạng phức tạp hơn vì một lượng biến dạng dư vẫn tồn tại thậm trí sau khi bỏ tải Nói chung khi chịu lực vật liệu chịu cả biến dạng đàn hồi và dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra trong cả khối vật liệu còn biến dạng dẻo xảy ra tại chỗ ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt

vì ứng suất ở đây thường vượt quá giới hạn chảy Tỷ số giữa lượng biến dạng dẻo và đàn hồi hiển nhiên là phụ thuộc vào tải trọng tác dụng và kiểu tiếp xúc giữa các nhấp nhô bề mặt Mức độ biến dạng dẻo sẽ tăng khi tăng tải Trong phần tiếp theo đặc điểm biến dạng của các tiếp xúc trụ

và cầu sẽ được nghiên cứu bởi vì:

- Nhiều tiếp xúc trong kỹ thuật có liên quan đến sự tiếp xúc của các vật thể có dạng cung tròn như bánh xe, con lăn, ăn khớp của biến dạng răng v.v

Về mặt hình học có thể coi profile bề mặt của các vật rắn là tập hợp của các nhấp nhô hình bán cầu

Một vấn đề đặt ra là trong các tiếp xúc ma sát trượt là phần lớn công của lực ma sát đều biến thành nhiệt Nghiên cứu quá trình phát và truyền

nhiệt ở vùng tiếp xúc chung không tách rời việc mô hình hoá tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dạng hình tròn (giao tuyến của hai mặt cầu)

Tóm lại, nghiên cứu chi tiết các tiếp xúc bề mặt gắn liền với những kiến thức về biến dạng đàn hồi, dẻo, bản chất của quá trình phát và truyền nhiệt do chuyển động tương đối giữa các bề mặt ma sát sinh ra

5.2 Phân bố ứng suất do tải trọng

5.2.1 Tải trọng tập trung dơn

Trong hầu hết các nghiên cứu chúng ta thường quan tâm nhiều đến tính chất của những lớp bề mặt ngoài cùng với độ sâu khoảng một mm, tính chất của vật liệu ở độ sâu khoảng một centimét trở lên từ bề mặt được xếp vào hàng thứ yếu Lý thuyết về ứng suất và biến dạng tiếp xúc

là một trong những vấn đề phức tạp Cách tiếp cận thông thường bắt đầu

từ lực tác dụng lên mặt phẳng là biên của các vật thể nửa vô hạn infinite) Đó là các vật thể thể rắn có thể mở rộng đến vô cùng từ một mặt phẳng Điều này giúp chúng ta tập trung nghiên cứu sâu vào bản chất tiếp xúc bề mặt của vật rắn hơn là hình dáng hình học toàn khối của chúng dẫn đến sự đơn giản hoá đáng kể về mặt toán học

(semi-Hình 1-10 Phân bố ứng suất do tải trọng phân bố

tác dụng lên vật thể semi-infinite.

Khảo sát tác dụng của tải trọng pháp tuyến phân bố đều p theo y trong mặt phẳng o'xz (o' là điểm đặt lực) tại điểm có toạ độ (E, O) của một vật thể rắn semi- infinite (Hình 1-10(a)) Vùng biến dạng đàn hồi trong mặt phẳng này giới hạn bởi đường nét đứt Khảo sát tác dụng của p trên một đơn vị chiều dài theo phương y thì P = 1.p, ứng suất hướng kính

σ xác định theo lý thuyết đàn hồi như sau:

Các ứng suất tiếp σθ và τrθ đều bằng 0

Đây là trạng thái ứng suất nén đơn phụ thuộc vào cả r và θ Sử dụng vòng tròn Mohr cho trạng thái ứng suất phẳng (Hình 1-10(b)), ta xác định được các thành phần ứng suất theo các trục toạ độ o'x và o'z như sau

Chuyển toạ độ của các thành phần ứng suất theo hệ toạ độ OXZ (gốc

O cách o' một khoảng là E ta có:

Hình 1-11: Ứng suất sinh ta do tải trọng tiếp tuyến đơn tác dụng trên vật thể rắn nửa vô hạn

(sellzi-infinite).

Với cách tiếp cận tương tự ứng suất hướng kính do một tải trọng đường đơn T tác dụng ở o' xác định như sau:

Ứng suất ấy cũng phụ thuộc vào cả r và θ'

Tương tự ta cũng xác định được các thành phần ứng suất theo phương các trục toạ độ của hệ trục toạ độ đề các OXZ:

Thay T = fP trong đó: f là hệ số ma sát thích hợp, các thành phần ứng suất do cả P và T gây ra tại một điểm có toạ độ (X, Z) sẽ cho quy luật phân bố ứng suất gây ra bởi tiếp xúc ma sát đơn giản Việc giải bài toán này tuy nhiên còn gặp phải một trở ngại đáng kể bởi vì tại r = 0 (tại O') ứng suất tiến tới vô cùng và điều đó không phù hợp với thực tế Thực ra trong các tiếp xúc thực luôn tồn tại một diện tích tiếp xúc giới hạn nào đó giữa hai vật thể làm thay đổi điều kiện biên này và giá trị ứng suất tại đây

là hữu hạn

5.2.2 Tải trọng phân bố

Khảo sát tải trọng phân bố đều gây ra áp suất tiếp xúc trên vùng từ O đến a trên bề mặt vật rắn semi-infinite Nếu lấy kích thước khảo sát theo phương y bằng 1 đơn vị thì tải trọng tổng hợp P sẽ:

Khảo sát một phân tố diện tích chiều dài dε tại toạ độ (ε, O), lực tác dụng lên phân tố này là pdε (Hình 1-12(a)) Ứng suất tại điểm có toạ độ (X, Z) xác định theo công thức (1-42) với tải trọng p được thay bằng pdε

Rõ ràng ứng suất tại điểm có toạ độ (X Z) do dàn lực phân bố đều sẽ là tổng ứng suất do pdε gây ra khi E biến thiên từ 0 đến a

Khảo sát tải trọng tiếp tuyến T = fP phân bố đều trên vùng từ 0 đến a

và tại mỗi điểm trong khoảng (0,a) lực ma sát sẽ là tdε = fpdε (Hình 12(b)) nên:

1-Tương tự như tải trọng pháp tuyến, ứng suất do dàn lực tiếp tuyến phân bố đều t được xác định theo công thức (1-42) như sau:

Hình 1-12: Sơ đồ tải trọng phân bố pháp tuyển và tiếp tuyến tác

dụng trên vật thể rắn semi-infinite.

Ứng suất do cả tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến gây ra sẽ là tổng

đại số các ứng suất tương ứng trong các phương trình (1-44) và (1-46)

Khi tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến trên vùng tiếp xúc phân bố theo một quy luật bất kỳ thì ứng suất tổng hợp tại một điểm (X, Z) vẫn được xác định theo nguyên tắc trên với p = p(ε) và t = t(ε)

Hình 1-13: Sơ đồ các đường đẳng áp suất các đại hằng số.

Trong tất cả các phương trình trên ta đã giả thiết rằng biến dạng ở chỗ tiếp xúc của các vật thể là đàn hồi, nhưng ngay cả trong những trường hợp này ta vẫn phải quan tâm đến cả ảnh hưởng có thể của biến dạng dẻo

Tiêu chuẩn đơn giản nhất để biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra là ứng suất tiếp cực đại đạt tới ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu k, k = Y/2, trong đó

Y là giới hạn chảy của vật liệu khi kéo đơn Trong trường hợp biến dạng phẳng nêu trên, ứng suất tiếp cực đại nằm trong mặt phẳng OXZ và có trị

số bằng bán kính của vòng tròn Mohr ứng suất

Tất cả các điểm có cùng τmax sẽ nằm trên vòng tròn có đường kính b chỉ ra trên Hình 1 - 13 (a) và

Điều đó có nghĩa rằng ứng suất tiếp cực đại bằng hằng số tại mọi điểm trên vòng tròn đường kính b Từ đây ta có thể vẽ các đường đẳng ứng suất và xác định được vị trí mà tại đó τmax = k là vị trí mà biến dạng dẻo xảy ra đầu tiên

Mô hình này hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm phân tích ứng suất sử dụng photoelastic

Khi tải trọng pháp tuyến tập trung hoặc phân bố đều, các tính toán về

τmax cho các kết quả như trên Hình 1-13(b, c) Có thể thấy rằng trong cả hai trường hợp vật liệu sẽ đạt trạng thái giới hạn đầu tiên tại bề mặt khi tăng tải đến mức Tmax = k

5.3 Chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng

Sau khi xác định sự phân bố của ứng suất, chúng ta có thể xác định chuyển vị trong một vật rắn sử dụng các phương trình mô tả mối quan hệ giữa biến dạng e và chuyển vị tương ứng

Dưới tác dụng của tải trọng P tại O', các chuyển vị u và w được xác định theo các công thức sau:

Để giải các phương trình này, ta phải sử dụng các điều kiện biên Giả

sử rằng các điểm nằm trên trục z (θ = 0) không tồn tại chuyển vị ngang

và tại điểm nằm trên trục z cách vị trí gốc ban đầu một khoảng b không tồn tại chuyển vị đứng

Rõ ràng điều mà ta quan tâm ở đây là chuyển vị xảy ra trên biên (z = 0) của vật rắn, vì thế thay θ = ± π/2 vào phương trình trên chuyển vị ngang sẽ được xác định theo công thức:

Điều này chứng tỏ tất cả các điểm trên biên của vật rắn đều có chuyển vị như nhau và hướng về gốc Ta cũng có thể tìm được chuyển vị đứng của một điểm trên biên (z = 0) cách gốc một khoảng x theo phương trình sau:

Từ phương trình (1-53) có thể thấy rằng tại điểm đặt của tải trọng (x

= 0), chuyển vị thẳng đứng tiến tới vô cùng

Tuy nhiên trong thực tế tải trọng phân bố trong vùng tiếp xúc hữu hạn từ O đến a Thay các giá trị tương ứng vào phương trình trên ta có giá trị chuyển vị tổng tại điểm (X,0) như sau:

Đối với tải trọng pháp tuyến tiếp xúc điểm P tác dụng lên một vật rắn semi- infinite, các chuyển vị ngang và thẳng đứng dọc theo biên z = 0 cách điểm đặt của tải trọng một khoảng x được xác định như sau:

Đối với tải trọng phân bố trên một vùng của biên xét áp xuất p tác dụng trên một phân tố diện tích dA cách điểm tính chuyển vị một khoảng

là x, chuyển vị thẳng đứng tại điểm đó xác định như sau:

5.4 Tiếp xúc Hec

5.4.1 Tiếp xúc trụ

5.4.1.1 Phân hố ứng suất trên mặt tiếp xúc

Trong kỹ thuật các bài toán tiếp xúc giữa các vật thể có dạng cung tròn được đặc biệt quan tâm vì nó là cơ sở cho các tiếp xúc có biến dạng bất kỳ

Khảo sát tiếp xúc của hai hình trụ cùng bán kính R ở trạng thái biến dạng phẳng Do tính chất đối xứng nên vùng tiếp xúc chung của hai hình trụ là phẳng hình (1-14(a))

Mặc dù, điều giả thiết vùng tiếp xúc chung phẳng không thật chính xác trong trường hợp hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng nhưng sai số có thể

bỏ qua

Một đặc điểm của các tiếp xúc này khi tăng tải, diện tích vùng tiếp xúc sẽ tăng và biến dạng ở vùng trung tâm sẽ lớn hơn ở vùng biên và như thế ứng suất tiếp xúc sẽ không phải là hằng số trên vùng tiếp xúc

Đây là một bài toán phức tạp nên trước khi khảo sát sự phân bố ứng suất, ta cần xác định quy luật phân bố của ứng suất tiếp xúc và diện tích tiếp xúc thực dưới tác dụng của một tải trọng

Hình 1-14: Sơ đồ phân bố ứng suất trên vùng tiếp xúc hai hình trụ

Khi hai hình trụ đàn hồi như nhau tiếp xúc dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến P trên một đơn vị chiều dài hướng trục, vùng tiếp xúc

sẽ có chiều rộng tiếp xúc là 2a (Hình 1-14(b)) Do biến dạng pháp tuyến tại tâm của vùng tiếp xúc lớn hơn vùng biên theo lý thuyết đàn hồi ứng xuất p sẽ phân bố dưới dạng:

Một điều hiển nhiên về bản chất vật lý, ứng suất trong hệ thống này

sẽ tỷ lệ với P/a

Khảo sát biến dạng có thể thấy khi tăng tải a sẽ tăng và biến dạng tăng vì thế ta có thể dự đoán quan hệ biến dạng tỷ đối theo a và R

trong đó: R là bán kính của hình trụ

Từ những quan hệ của ứng suất và biến dạng trên ta có:

Theo lý thuyết đàn hồi ta có thể rút ra như sau: