nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ diezel D12

Tài liệu tham khảo nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ diezel D12

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, tên SV: Nguyễn Ngọc Long Lớp: 44KTTT Khoá 44

Ngành: kỹ thuật tàu thuỷ Mã ngành: 18 – 02 – 10

Tên đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ Điêzen D12 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực, khoa Cơ khí.” Số trang: 99 Số chương: 03 Số tài liệu tham khảo: 07 Hiện vật: Không NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

Kết luận:………

………

Nha Trang, Ngày…….Tháng…….Năm 2007

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rỏ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ, tên SV: Nguyễn Ngọc Long Lớp: 44KTTT Khoá 44

Ngành: kỹ thuật tàu thuỷ Mã ngành: 18 – 02 – 10

Tên đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ Điêzen D12 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực, khoa Cơ khí.”

Số trang: 99 Số chương: 03 Số tài liệu tham khảo: 07

Hiện vật: Không

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

Điểm phản biện:………

Nha Trang, Ngày…… Tháng…….Năm2007 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rỏ họ tên)

Nha Trang, Ngày…… Tháng ……Năm 2007 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rỏ họ tên)

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

LỜI CẢM ƠN

Sau gần 4 tháng nghiên cứu lý thuyết, xây dựng quy trình và tiến hành thực

nghiệm đến nay đề tài đã hoàn thành đúng thời hạn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Động lực, Ban chủ nhiệm

khoa Cơ khí Trường Đại Học Nha Trang đã hướng dẫn giúp đỡ, tạo mọi điều kiện

thuận lợi để em được khảo nghiệm trên động cơ Diesel D12 tại phòng nghiên cứu

động cơ của khoa Cơ Khí Trường Đại Học Nha Trang

Đặc biệt em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy

TS Lê Bá Khang đã trực tiếp tận tình hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ để em hoàn

thành tốt Luật Văn Tốt Nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy PGS TS Ngô Đăng Nghĩa,

thầy Nguyễn Thanh Sơn cùng tập thể cán bộ Viện Nghiên Cứu Công Nghệ Sinh

Học & Môi Trường của trường Đại Học Nha Trang

Qua đây em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã

dành những tình cảm giúp đỡ tinh thần, vật chất để đề tài của em được hoàn thành

tốt đẹp

Nha Trang, Tháng 11 Năm 2007

SV Nguyễn Ngọc Long

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT HAO MÒN VÀ BÔI TRƠN 4

1.1 Ma sát ngoài 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Phân loại 5

1.1.2.1 Theo dạng chuyển động 5

1.1.2.2 Theo điều kiện bôi trơn bề mặt 5

1.1.2.3 Theo động lực học tiếp xúc 5

1.1.2.4 Theo điều kiện làm việc 5

1.1.3 Bản chất ma sát ngoài 6

1.1.4 Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát .8

1.1.4.1 Tương tác với các hoạt chất hoá học 9

1.1.4.2 Tương tác với các hợp chất bề mặt 9

1.1.4.3 Hình thành “cầu hàn khuếch tán” 10

1.1.4.4 Những thông số thay đổi của chất lượng bề mặt ma sát .11

1.2 Hao mòn 16

1.2.1 Khái niệm 16

1.2.2 Phân loại 17

1.2.2.1 Ăn mòn hoá học, điện hoá học 17

1.2.2.2 Hao mòn ôxy hoá 17

1.2.2.3 Hao mòn do tương tác vật lý 17

1.2.2.4 Hao mòn do ma sát .18

1.2.3 Bản chất hao mòn do ma sát .24

1.2.3.1 Hao mòn do ôxy hoá 25

1.2.3.2 Tróc loại I và tróc loại II 25

1.2.3.3 Quá trình Fretting .27

1.2.3.4 Sự phá huỷ do mỏi 28

1.2.4 Các giai đoạn mài mòn của cặp ma sát 29

1.3 Bôi trơn 31

1.3.1 Chức năng của bôi trơn 31

1.3.2 Tính bôi trơn 31

1.3.3 Phân loại 32

1.3.4 Phân loại dầu bôi trơn trong động cơ đốt trong 34

1.3.5 Các chỉ tiêu chất lượng của dầu bôi trơn 35

1.3.5.1 Một số tính chất vật lý 35

1.3.5.2 Tính bôi trơn và lưu chuyển của dầu bôi trơn 35

1.3.5.3 Tính bay hơi của dầu bôi trơn 37

1.3.5.4 Trọng lượng riêng 37

1.3.6 Yêu cầu đối với dầu bôi trơn 37

1.3.7 Sử dụng chất bôi trơn 38

1.3.7.1 Sử dụng chất bôi trơn trong bôi thuỷ tĩnh 40

1.3.7.2 Bôi trơn thuỷ động 41

CHƯƠNG 2: DÙNG QUANG PHỔ PHÂN TÍCH DẦU BÔI TRƠN CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 43

2.1 Động học về hàm lượng tạp chất trong dầu bôi trơn 43

2.1.1 Bảo quản và xử lý dầu bôi trơn 43

2.1.2 Phương pháp chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ và quá trình thay đổi tính năng hoá lý của dầu bôi trơn 43

2.1.3 Quan hệ giữa lượng dầu bôi trơn trong cacte và hàm lượng tạp chất trong dầu 49

2.1.4 Hàm lượng tạp chất theo khí thải thoát ra ngoài, theo ống dẫn, két làm mát 51

2.1.5 Tốc độ mài mòn của chi tiết động cơ theo thời gian sử dụng 52

2.1.6 Mối quan hệ giữa trị số cho phép của hàm lượng sản vật mài mòn

với khoảng hành trình giữa hai kỳ sửa chữa động cơ 53

2.2 Phân tích quang phổ dầu bôi trơn 57

2.2.1 Phương pháp phổ toàn phần 57

2.2.2 Phương pháp phổ phân tích 57

2.2.3 Phương pháp phổ phân tích hoàn thiện 57

2.2.4 Phân tích nhanh dầu bôi trơn bằng phương pháp điện quang 59

2.2.4.1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị điện quang 59

2.2.4.2 Thiết bị quang điện phân tích 61

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TÍNH NĂNG, CƯỜNG ĐỘ HAO MÒN CỦA ĐỘNG CƠ D12 66

3.1 Mục đích thức nghiệm 66

3.2 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 67

3.3 Tiến hành thực nghiệm 73

3.3.1 Đo áp suất cuối kỳ nén 73

3.3.2 Đo tốc độ quay cực tiểu và tốc độ quay cực đại 74

3.3.3 Đo lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích 74

3.3.4 Đo áp suất dầu bôi trơn, nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát 75

3.4 Kết quả thực nghiệm 75

3.5 Xác định sản vật mài mòn trong dầu bôi trơn, tính cường độ hao mòn 77

3.5.1 Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm 77

3.5.2 Thực nghiệm lấy mẫu 78

3.5.3 Xử lý mẫu thí nghiệm 81

Kết luận, đề xuất 92

Phụ lục 94

Tài liệu tham khảo 99

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá diễn ra trên nhiều ngành, lĩnh vực nhu cầu về phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, hàng hải, đánh bắt thuỷ hải sản

Động Diesel là một trong những loại máy động lực đã có bước cải tiến rõ rệt nâng cao tính năng kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu sản xuất trong những năm gần đây Vận hành, bảo trì, sửa chữa, đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về cấu tạo, các đặc tính kỹ thuật, nguyên lý và phải có các kỹ năng thành thạo

Việc áp dụng phương pháp quang phổ phân tích dầu bôi trơn để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ không cần phải tháo rời, trên cơ sở xác định hàm lượng sản vật mài mòn trong dầu, trong quá trình vận hành là phương pháp gián tiếp, đem lại lợi ích và hiệu quả kinh tế cao trong việc bảo dưỡng và sửa chữa động cơ đảm bảo thời hạn vận hành lâu dài, tiết kiệm chi phí, tăng hiệu quả sử dụng mà còn bảo đảm các yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường

Trong thời gian qua em được Bộ môn Động lực khoa Cơ Khí Trường Đại Học

Nha Trang giao đề tài “Nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ Diesel D12 tại phòng thí nghiệm bộ môn Động Lực, khoa Cơ Khí.”

Suốt thời gian qua em đã nỗ lực hết mình cùng sự hướng dẫn tận tình của thầy

TS Lê Bá Khang, sự hỗ trợ của các thầy trong bộ môn Động Lực, viện nghiên cứu công nghệ sinh học và môi trường của trường Đại Học Nha Trang Nay nội dung cơ bản của đề tài đã hoàn thành, đề tài bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về ma sát hao mòn và bôi trơn

Chương 2: Dùng quang phổ phân tích dầu bôi trơn chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ

Chương 3: Thực nghiệm xác định một số thông số tính năng, cường độ hao mòn của động cơ D12

Vì trình độ kiến thức và thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi sai sót,

em mong được sự chỉ bảo của các thầy và bè bạn đóng góp ý kiến để giúp em bổ sung hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Bá Khang đã hướng dẫn và cùng em nghiên cứu khảo nghiệm đề tài, xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Động lực, tập thể cán bộ, công nhân viên viện nghiên cứu công nghệ sinh học & môi trưòng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện

đề tài này

Nha Trang, tháng 11 năm 2007

SV Nguyễn Ngọc Long

TRÂN TRỌNG BIẾT ƠN SỰ HƯỚNG DẪN

TẬN TÍNH CỦA

THẦY TS L Ê BÁ KHANG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT H AO MÒN VÀ BÔI TRƠN

1.1 Ma sát ngoài

1.1.1 Khái niệm

Ma sát ngoài là hiện tượng luôn luôn xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối giữa các vật thể tiếp xúc nhau và có sự tương tác cơ học với nhau Đặc trưng cơ bản của ma sát ngoài là lực ma sát, tức là lực cản trở sự dịch chuyển tương đối Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, trong đó diễn ra các quá trình cơ học, hoá – lý học, điện học và nhiều quá trình khác Quan hệ giữa các quá trình ấy có thể rất khác nhau phụ thuộc vào đặc tính tải , tính chất của vật liệu và môi trường

Điều kiện của ma sát ngoài muôn hình muôn vẻ Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là không thể có các quy luật thích hợp dành cho những quá trình ma sát nhất định Trước tiên, điều đó liên quan tới những điều kiện mà trong đó, quan hệ giữa các dạng tương tác khác nhau mang đặc tính hoàn toàn xác định, cho phép thiết lập những quy luật của ma sát xuất phát từ các định luật chuyển động tổng quát, định luật bảo toàn năng lượng, các nguyên lý cực tiểu v.v…một ví dụ rất rõ về vấn đề này là các quá trình ma sát và hao mòn điển hình cho sự hoạt động bình thường của động cơ

Ma sát ngoài trong các máy móc, động cơ, cơ cấu, dụng cụ và thiết bị là hiện tượng rất phổ biến Biểu hiện có hại của ma sát ngoài thể hiện ở sự mất mát công suất, sự hao mòn và hư hỏng các bề mặt tiếp xúc; còn ma sát có lợi được ứng dụng trong những thiết bị ma sát dùng để truyền chuyển động, truyền lực và trong sự hoạt động của các bộ phận làm việc của máy móc

 Ma sát lăn: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động lăn tương đối, mà vận tốc tại các điểm tiếp xúc cùng giá trị và cùng phương

 Ma sát xoay: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động xoay tương đối, mà vận tốc tại các điểm khác nhau khác nhau về giá trị và phương

 Ma sát hỗn hợp: là tổ hợp của các dạng ma sát trượt, lăn, xoay

1.1.2.2 Theo điều kiện bôi trơn bề mặt

 Ma sát không bôi trơn: là ma sát của hai vật rắn khi bề mặt không có điều kiện khẳng định sự tồn tại chất bôi trơn hoặc bất kỳ chất khác (ma sát khô)

 Ma sát ướt: là ma sát giữa hai bề mặt được phân tách bởi các lớp chất lỏng chuyển động tương đối, mà các ứng xuất tiếp tạo nên lực ma sát

 Ma sát giới hạn: là ma sát của hai vật rắn khi tồn tại giữa hai liên kết của chúng một lớp chất lỏng rất mỏng cỡ phân tử đến 0,1µm với tính chất khác với tính chất của toàn khối bôi trơn

 Ma sát bình thường: là ma sát khi làm việc ở điều kiện bình thường Sự phá hoại bề mặt ở chỗ tiếp xúc chỉ diễn ra trong những thể tích kim loại vô cùng nhỏ Trong quá trình biến dạng và hình thành các cấu trúc bảo vệ thứ cấp đặc trưng cho điều kiện ma sát bình thường, chỉ có những lớp bề mặt với độ dày 200 – 1000 Ǻ

tham ra mà thôi Điều đó có nghĩa là các hiện tượng chủ yếu chỉ tập trung trong các

thể tích siêu vi mô của lớp bề mặt

 Ma sát không bình thường:

Ma sát không bình thường là ma sát khi làm việc ở điều kiện không bình thường Trong chế độ ma sát ngoài bình thường, điều kiện tiếp xúc được đặc trưng bởi sự có mặt của các cấu trúc thứ cấp chịu tải có các tính chất nhất định Bất kỳ sự phá hoại nào của điều kiện ấy điều dẫn tới các hiện tượng không bình thường Đầu tiên các hiện tượng này xảy ra đồng thời với ma sát ngoài, sau đó chúng làm ma sát ngoài biến chất hoàn toàn, chuyển thành nội ma sát, cắt, và cuối cùng làm đình chỉ chuyển động

1.1.3 Bản chất của ma sát ngoài

Việc tìm hiểu bản chất của ma sát ngoài rất cần thiết cho việc xây dựng mô hình của quá trình, mô tả quá trình này về phương diện lượng và điều khiển sự tiến triển của nó Kiến thức về các cơ chế ma sát là cơ sở để giải quyết nhiều bài toán lý thuyết và thực tiễn về các vấn đề tính chống mòn, tính chống ma sát và tính ma sát Trước hết, kiến thức này rất cần thiết cho việc lý giải và tổ hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm rất phong phú và các tài liệu thực tế lớn lao đúc rút được từ kinh nghiệm của các ngành công nghiệp

Có rất nhiều công trình đề cập đến các đặc tính số lượng của ma sát (lực và hệ

số ma sát) Song, số lượng các công trình nghiên cứu bản chất của quá trình ma sát ngoài lại rất ít Việc nghiên cứu bản chất của ma sát ngoài phức tạp ở chỗ, cần phải nghiên cứu toàn bộ tổ hợp các hiện tượng cơ học, vật lý, hoá học, điện học và các hiện tượng khác nữa có ở trong vùng tiếp xúc Việc nghiên cứu động học ma sát cũng rất khó khăn vì chỉ có những thể tích rất nhỏ của các lớp bề mặt tham gia vào quá trình ma sát, hơn nữa, lại không thể quan sát trực tiếp sự tiếp xúc

Do kết quả nghiên cứu theo các hướng khác nhau, tiến hành trong những điều kiện không giống nhau và ở các mức độ khác nhau nên đã xuất hiện những quan niệm và những mô hình ma sát mâu thuẫn nhau Thông thường, các mô hình ấy được mở rộng trên toàn khoảng điều kiện ma sát

Trong việc nghiên cứu ở điều kiện thí nghiệm, người ta lại chú ý quá nhiều đến các quá trình không bình thường: hàn và cắt cầu hàn, thâm nhập và cầy xước, xước

tế vi, tạo u, chuyển vật liệu, v.v… Trong khi đó, trong thực tiễn sản xuất, nhờ có các hoạt động liên tục và có phương pháp về thiết kế, chế tạo và sử dụng nên người ta

đã tạo ra được những điều kiện của ma sát ngoài bình thường, tức là bảo đảm có hệ

số ma sát nhỏ đối với các cặp liên kết chống ma sát, có hệ số ma sát tối ưu đối với cặp liên kết ma sát trong điều kiện bảo đảm hao mòn bề mặt cho phép Những điều kiện này tương ứng với hao mòn cơ hoá (ôxy hoá), mà cơ sở của nó là sự cân bằng động giữa các quá trình phá hoại và phục hồi các cấu trúc thứ cấp được hình thành khi ma sát Đồng thời, trong thực tế, người ta cũng đã vạch ra cả những điều kiện

ma sát không bình thường, tức là những điều kiện mà ứng với chúng, diễn ra các hiện tượng hư hỏng bề mặt không cho phép (tróc loại I và II, cày xước, cắt tế vi, v.v…); khả năng xuất hiện của các quá trình ấy cũng khá lớn

Việc khám phá bản chất của ma sát ngoài rất phức tạp, yêu cầu phải xác lập bản chất này một cách rỏ ràng và có căn cứ Muốn vậy, cần phải phân biệt giới hạn các quá trình ma sát ngoài bình thường và sức cản của các dạng hư hỏng khác nhau của các bề mặt tiếp xúc; cần phải nghiên cứu bản chất, nguyên nhân và cơ chế ma sát trên quan điểm cơ bản về sự chuyển hoá năng lượng của các dạng tác dụng động lực bên ngoài thành năng lượng của các quá trình bên trong, với sự phân tích các quan hệ năng lượng và nguyên lý cực tiểu, với các quan điểm hiện đại của vật lý chất rắn (lý thuyết biến vị) về trạng thái ứng suất – biến dạng, về các hiện tượng hoá

lý (dính kết, hấp phụ và khuếch tán), đồng thời có lưu ý đến những kinh nghiệm thực tiễn có giá trị

Ngoài ra cần xây dựng mô hình ma sát ngoài bình thường, lý luận về sự sai khác so với mô hình do có sự phá hoại các điều kiện bình thường và sự xuất hiện

các dạng hư hỏng không cho phép (tróc loại I và II, thâm nhập vào nhau cầy xước,…), đồng thời nghiên cứu động học của các quá trình ma sát ngoài

1.1.4 Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát

Chúng ta biết rằng, các chi tiết máy thường làm bằng kim loại và hợp 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 thực 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 thể là kim loại hoặc hợp kim gốc Củng có thể là tạp chất ngẩu nhiên hoặc kim loại gốc

Khi các chi tiết lắp ghép chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái làm việc,

bề mặt tiếp xúc sẽ có sự dịch chuyển tương đối với nhau Các chi tiết sẽ chiệu áp suất và biến dạng dẻo Biến dạng dẻo 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 thể theo dịch chuyển các nguyên tử trong mặt phẳng ứng suất tiếp lớn lớn nhất để chiếm các “lỗ trống” hoặc

sự xâm nhập các nguyên tử 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 một 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 bị 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 hơn

Cuối cùng các “lỗ trống” và các nguyên tử “biến vị” chúng tạo ra khả năng tương tác vật lý, hoá học… mạnh hơn bên trong

Tương tác của chúng với nhau và với môi trường là những tương 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 học

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 chất có hoạt tính hoá học mạnh như: O, P, S,… thì các chất này có thể hấp phụ vật lý, hoá học trên bề mặt, củng có thể khuếch tán, hoà tan và tạo thành dung dịch rắn hoặc tác dụng với kim loại tạo thành hợp 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 biệt 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 tuỳ 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 tiết-hấp phụ hoá học

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 khiết, 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 ứng 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 với các chất có ngồn ngốc hữu cơ (các axit béo, rượu, xà phòng…) hoặc dầu, mỡ là sản phẩm của

Cacbuahyđrô có mạch đủ dài, sẽ hấp phụ vật lý trên bề mặt tạo nên lớp 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 hạn Nó chiệu nén và có khả năng trượt dễ dàng Người ta gọi các chất hấp phụ này là chất hoạt tính bề mặt và lớp định hướng tựa tinh thể này là lớp giới hạn

Khi có chất hoạt tính bề mặt hấp phụ, các nguyên tử có độ giảm tự 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 biến 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 loại 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 tế vi, các chất hoạt tính bề mặt chui vào các vết nứt này tạo ra hiệu ứng 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

Nếu có hoạt chất bề mặt hấp phụ trên bề mặt kim loại nhưng trong môi trường chân không hoặc khí trơ thì có hiệu ứng Rebinder thuần nhất Giá trị của nó trong trường hợp này lớn gấp trăm ngàn lần trong trường hợp thuần nhất

Hiệu ứng Rebinder dạng ngoài không thuần khiết làm giảm ma sát, tối thiểu hoá bề mặt kim loại bị biến dạng và hao mòn Song hiệu 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 khuếch 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 kết” 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

1.1.4.4 Những thông số thay đổi của chất lượng bề mặt ma sát

Các kết quả nghiên cứu chất lượng bề mặt khi ma sát ngoài vừa trình bày về đại thể

đã mở ra một bức tranh về trạng thái còn lại của bề mặt khi bỏ tải Khi ấy, các thông

số động lực học của bề mặt vẩn chưa được xác định Việc nghiên cứu trạng thái

động lực học của bề mặt có thể được tiến hành bằng cách đo nhiệt độ, ứng suất và

trị số của thế điện hoá đặc trưng cho sự tồn tại của các màng thụ động

Các kết quả đo nhiệt độ xuất hiện trong quá trình ma sát

I-trong quá trình làm việc;II sau khi bỏ tải

Hình 1.1:

Đồ thị biến thiên nhiệt độ bề

mặt khi ma sát ngoài: I-bắt

đầu làm việc; II-ở chế độ ổn

định; III- sau khi bỏ tải

Ta thấy có ba giai đoạn chế độ nhiệt Khi bắt đầu làm việc, nhiệt độ tăng từ nhiệt độ của môi trường (của phòng) tới giá trị ứng với điều kiện tải sau đó là thời

kỳ bảo hoà, đặc trưng cho điều kiện ma sát ổn định Sau khi bỏ tải các lớp bề mặt hạ nhiệt độ dần

Việc nghiên cứu ứng suất khi ma sát ngoài được tiến hành theo

phương pháp được trình bày trong một công trình của B.I.Kôxtetki, O.I.Cutseriavưi, L.F.Kôlexnit-senkô Hình 1.2 trình bày đồ thị ứng suất làm việc và ứng suất dư Do

bị nung nóng trong thời gian ma sát các lớp bề mặt sẽ bị giản nở Các ứng suất nén tức thời được hình thành, và với nhiệt độ xác định, chúng có thể gây ra sự nén dẻo kim loại trong các lớp bề mặt Sau khi bỏ tải và nguội đi, trong lớp làm việc nảy sinh các ứng suất kéo dư, chúng cân bằng với các ứng suất nảy sinh trong phần còn lại của tiết diện kim loại Người ta quan sát được sự suất hiện như vậy của ứng suất khi ma sát các kim loại tinh và các hợp kim tinh, nghĩa là những loại mà trong chúng không có sự thay đổi lớn về pha cũng như cấu trúc Trong trường hợp ma sát của các kim loại và hợp kim có cấu trúc gia bền, sự nảy sinh ứng suất tại các lớp bề mặt có thể liên quan không những chỉ với các ứng suất có nguồn gốc nhiệt thuần tuý

mà còn với các ứng suất thể tích (cấu trúc) do sự thay đổi pha tạo nên

Cơ học Nhiệt Lý - Hoá

T xúc giữa các mấp mô Sinh nhiệt Dính kết

Th.đổi trường ứng suất Th.đổi trường nhiệt độ

Sơ đồ mô tả sự biến đổi tính chất trên bề mặt chi tiết máy

Hâp phụ

Biến dạng các tinh thể Nung chảy cục bộ Khuyếch tán

Phân rã các tinh thể Bay hơi Nung nóng

Trao đổi sản phẩm hao

mòn giữa hai bề mặt Giảm ứng suất riêng Hàn nối

Bong tách các hạt hao

Phản ứnghoá học

U- trung tâm biến cứng,  - ứng suất riêng,  -bề dày lớp bề mặt, B-cấu trúc lớp

bề mặt, Sw -mấp mô bề mặt; 1-nứt tế vi, 2- khe nứt, 3-lõi , 4- hố lõm, 5-bị bong tách, 6- phân tử dính bám

Hình 1.3: Sơ đồ các biến đổi cơ bản trên lớp bề mặt chi tiết máy (vĩ mô)

Hình 1.4 : Cấu trúc lớp bề mặt chi tiết máy (vi mô)

Nhìn vào sơ đồ ta thấy sự biến đổi diễn ra chủ yếu do tác dụng của nhiệt, các tác động hoá có tính chất hỗ trợ thúc đẩy quá trình Các quá trình cơ-nhiệt là tất yếu không thể tránh khỏi trong giai đoạn công nghệ cũng như khi khai thác Quá trình hoá học được tạo ta với sự điều chỉnh của con người làm cho lớp bề mặt được ổn định và có độ bền cao

Kết quả của các quá trình biến đổi trên lớp bề mặt chi tiết có cấu tạo được biểu diễn trên hình 1.4

Một điểm, đặc điểm cấu trúc của các phân lớp trong quá trình sử dụng có thay đổi nhất là trong quá trình chạy rà

Sự phá huỷ lớp bề mặt đồng nghĩa với phá huỷ các tính chất làm việc cần có cuả bề mặt chi tiết máy dần đến phá huỷ chi tiết máy

1.2 Hao mòn

1.2.1 Khái niệm

Hao mòn: là sự thay đổi dần các quy luật của hình dạng, kích thước, trọng

lượng, cấu trúc và các tính chất ban đầu của máy móc theo thời gian trong những điều kiện và chế độ sử dụng bình thường

Những thay đổi ấy có thể mang tính đơn điệu hoặc có những đột biến rõ rệt Chúng có thể bao gồm những thể tích vĩ mô, vi mô, hoặc siêu vi mô Ở mức độ đáng kể, tính chất của những thay đổi ấy phụ thuộc vào động học chuyển động (loại

ma sát lăn hay trượt), điều kiện tải cơ học, sự có mặt và thành phần của các môi trường rắn, lỏng hoặc khí, dạng bôi trơn, nồng độ ôxy, vật liệu (thành phần hoá học, cấu trúc, tính chất cơ học và phương pháp gia công v.v…) Những thay đổi ấy có thể là có ích (làm bình thường hoá ma sát ngoài và giảm hao mòn đến mức nhỏ nhất) hoặc dẩn đến những hiện tượng hư hỏng rỏ rệt, không cho phép

Mòn cặp ma sát : là mòn hai bên bề mặt tiếp xúc có chuyển động tương đối

của các cặp lắp ghép chi tiết trong điều kiện sử dụng

Tốc độ mài mòn: là tỷ số giữa tốc độ mòn chi tiết với thời gian sảy ra sự mài

mòn

Cường độ mài mòn: là tỷ số giữa độ mòn chi tiết (hay mẫu thử) với quảng

đường ma sát hay khối lượng công việc đã hoàn thành

Lượng mòn giới hạn: là lượng mòn nếu sử dụng tiếp sẽ gây hư hỏng, hoặc

không kinh tế hoặc giản độ tin cậy của cơ cấu

Bên cạnh khái niệm về hao mòn cần đưa vào thuật ngữ “sự hư hỏng” của các

bề mặt chi tiết trong quá trình ma sát

Sự hư hỏng: là quá trình thay đổi rỏ rệt và không đồng điều về trạng thái hình

học của các bề mặt ma sát củng như về cấu trúc và tính chất của lớp bề mặt Hư hỏng thể hiện ở sự thay đổi các đặc tính hình học vĩ mô, cấu trúc, tính chất và trạng thái ứng suất của các lớp bề mặt

1.2.2 Phân loại

Khi làm việc các chi tiết máy thường chiệu tác dụng đồng thời của nhiều yếu tố: cơ, hoá, điện… tuỳ trường hợp yếu tố này hay yếu tố kia gây ảnh hưởng chính đến hao mòn, các yếu tố khác là phụ

Người ta phân chia sự hao mòn và hư hỏng dựa trên các dấu hiệu biểu lộ rỏ rệt bên ngoài, còn các cơ chế của sự phát triển nội tại của chúng là đặc thù Điều đó làm đơn giản bớt vấn đề phân định giới hạn của chúng

Theo nguyên nhân chính ta có thể chia hao mòn ra làm các loại: ăn mòn hoá học; hao mòn do tương tác vật lý là chính và hao mòn do ma sát

1.2.2.1 Ăn mòn hoá học, điện hoá học

Ăn mòn hoá học là sự hao mòn xảy ra do tác dụng của các phản ứng hoá học giữa các chi tiết với môi trường lỏng, khí,…

Ăn mòn điện hoá xảy ra do tác dụng đồng thời của các phản ứng hoá học và các dòng điện cực nhỏ tự nhiên trên bề mặt chi tiết máy khi nó làm việc trong môi trường ẩm và có chất điên phân

1.2.2.2 Hao mòn ôxy hoá

Hao mòn ôxy hoá là quá trình phá hoại dần dần bề mặt của chi tiết (hay mẫu thử) trong khi ma sát, do tương tác giữa các lớp kim loại bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo với ôxy của không khí hay của dầu bôi trơn bị hấp phụ trên bề mặt gây ra

1.2.2.3 Hao mòn do tương tác vật lý

Loại này có thể chia ra nhiều dạng:

Bào mòn: là sự phá hoại bề mặt chi tiết máy dưới tác dụng va đập lặp đi lặp lại

nhiều lần của dòng tia chất lỏng hoặc khí gây nên các hư hỏng cục bộ

Xói mòn: là sự phá hoại bề mặt các chi tiết máy tiếp xúc với chất lỏng chuyển

động với vận tốc thay đổi

Xói mòn biến dạng: xuất hiện khi có sự tách rời dòng chảy ra khỏi biến dạng

chảy

Xói mòn khe hở: xuất hiện khi có chất lỏng chảy qua khe hở với vận tốc lớn

Xói mòn gián đoạn: xuất hiện khi có dòng chảy gặp phải những chổ mấp mô

hoặc chướng ngại vật phải chảy vòng qua

1.2.2.4 Hao mòn do ma sát

Hao mòn do ma sát là sự hao mòn diễn ra do tác động đồng thời của các tương tác

cơ, lý, hoá xảy ra tại vùng tiếp xúc của hai chi tiết máy (hoặc giữa chi tiết máy với môi trường lỏng, khí) có chuyển động tương đối so với nhau

Trong quá trình ma sát do những tương tác cơ – lý – hoá … trên bề mặt chi tiết xuất hiện lớp bảo vệ có tính chất khác hẳn kim loại gốc phía trong Nếu lớp bảo vệ

là đủ mỏng sự tạo thành các cấu trúc thứ cấp phân bố điều trên bề mặt, làm giảm quá trình ma sát ngoài và ngăn cản sự phát triển của hiện tượng tróc Các cấu trúc bảo vệ thứ cấp bị bong ra rồi lại được tạo thành theo chu kỳ một cách ổn định, chúng ta có dạng hao mòn cơ hoá bình thường

Nếu sự tan vỡ lớp bảo vệ không phải đơn thuần do tương tác của các chi tiết tiếp xúc, mà chủ yếu do tác dụng của các hạt mài tự nhiên (cát, bụi, đất đá,…) không sắc và ít cứng gây ra, chúng ta có kiểu hao mòn cơ hoá của mài mòn

Nếu hao mòn xảy ra không chỉ tồn tại ở lớp màng bảo vệ mỏng mà ở lớp kim loại gốc, ta có dạng hao mòn không bình thường Dạng này có một số loại:

Tróc loại I

 Là quá trình hư hỏng không cho phép của các bề mặt ma sát do kết quả

của sự hình thành của mối liên kết kim loại cục bộ, sự biến dạng và sự phá huỷ các liên kết ấy kèm theo sự bong tách các hạt kim loại hay bám dính các hạt ấy lên bề mặt tiếp xúc Ở dạng hư hỏng này, tốc độ quá trình hình thành các liên kết kim loại vượt quá tốc độ của các quá trình khác và chiếm ưu thế Trong những điều kiện như vậy, biến dạng dẻo sẽ gây nên sự thay đổi trạng thái bề mặt, phá hoại các màng ôxyt

và các lớp màng dầu bôi trơn bị hấp phụ, làm cho bề mặt lộ ra những đoạn thuần khiết Do kết quả của biến dạng các lớp kim loại bề mặt sẽ bị hoạt hoá

Bảng 1.1: những số liệu về trạng thái bề mặt và các lớp bề mặt của kim loại:

Sự thay đổi thành phần hoá học và thành phần lớp bề mặt Không

Sự thay đổi tương đối độ cứng lớp bề mặt Dưới 2

Hình 1 5: Mô hình cấu trúc của lớp bề mặt

ngay cả trong trường hợp ma sát lăn Tróc loại I là một trong những dạng hư hỏng

nguy hiểm nhất và thể hiện rỏ nhất của chi tiết máy

Tróc loại II

- Tróc loại II là quá trình hư hỏng không cho phép của bề mặt ma sát , thể hiện

rõ ở sự tạo thành những mối liên kết kim loại cục bộ, sự biến dạng và sự phá huỷ các liên kết ấy, ở sự tạo thành các vết nứt, ở sự làm nhũn bề mặt sự dịch chuyển kim loại và sự tách các hạt kim loại ra khỏi bề mặt ma sát Ở dạng hư hỏng này, tốc độ hình thành các mối liên kết lim loại vượt quá tốc độ của các quá trình khác và chiếm

ưu thế Sự bào mòn do tróc loại II gây ra cũng do bong tách hay bám dính của lớp kim loại gốc, do sự phá huỷ các mối liên kết kim loại như trường hợp tróc loại I nhưng xảy ra ở nhiệt độ cao, do vận tốc trượt và tải pháp tuyến lớn gây ra

Bảng 1.2: vài số liệu trạng thái bề mặt và các lớp bề mặt kim loại

Hiện tượng tróc loại II có thể xuất hiện cả trong quá trình ma sát khô hay có bôi trơn giới hạn Khi có ma sát giới hạn, tróc loại II xuất hiện ứng với các tốc độ trợt và áp suất cao hơn và gắn liền với các quá trình hấp phụ dầu bôi trơn kèm theo Trong thực tế, tróc loại II thường xuất hiện nhiều nhất ở những cặp lắp ghép làm việc trong điều kiện bôi trơn giới hạn ổn định Điều kiện này bị phá hoại khi đình chỉ việc cung cấp dầu bôi trơn thích hợp Tróc loại II là một hiện tượng nguy hiểm

và khá phổ biến

 Quá trình Fretting

Qúa trình Fretting là quá trình phá hoại bề mặt ma sát của chi tiết máy, xuất hiện khi có ôxy hoá với cường độ cao (động) hoặc tróc, sự ôxy hoá trong quá trình Fretting mang đặc tính riêng, không có trong những điều kiện ma sát bình thường tiến triển rất mạnh Quá trình tróc cũng thể hiện rất dữ dội, quan sát thấy ngay cả khi áp suất pháp tương đối nhỏ và khi tiếp xúc của nhiều loại vật liệu Việc tăng cường sự ôxy hoá và sự tróc là do đặc tính động của tải trọng gây nên Khi ấy, ở chổ tiếp xúc gradien của biến dạng và nhiệt độ rất lớn Điển hình đặc trưng cho sự phát triển của quá trình Fretting là sự chuyển vị nhỏ của bề mặt lắp ghép Quá trình Fretting là một trong những dạng hư hỏng rất nguy hiểm và thể hiện mạnh nhất các chi tiết máy

Hình 1.6: Cấu trúc của lớp bề mặt khi bị tróc loại II

 Hư hỏng do mỏi

Các hư hỏng do mỏi xuất hiện tại những chi tiết máy chịu ma sát lăn và là kết quả của sự phá hoại mảnh liệt của các lớp kim loại bề mặt trong những điều kiện đặc biệt của trạng thái ứng suất Đặc tính chủ yếu và sự phát triển của các hư hỏng mỏi được xác định bởi các quá trình biến dạng dẻo lặp đi lặp lại bởi sự làm bền và giảm bền các lớp kim loại bề mặt, bởi sự phát sinh các ứng suất dư và bởi hiện tượng mỏi đặc biệt Sự phá hoại bề mặt khi bị hư hỏng mỏi được đặc trưng bởi sự xuất hiện các vết nứt tế vi, các vết trũng phân tán hay độc lập trên bề mặt các chi tiết máy chịu ma sát lăn Vật liệu chiệu mỏi do trạng thái ứng suất có chu kỳ

Một số số liệu về trạng thái bề mặt và các lớp bề mặt kim loại khi bị hư hỏng

do kết quả phát triển của các hiện tượng mỏi như sau:

Hình 1.7: Mô hình cấu trúc lớp bề mặt trong quá trình Fretting

(a): tróc; (b): ôxy hoá động

Hình học bề mặt Sự thay đổi vĩ mô cục bộ

Sự thay đổi thành phần hoá học và pha của lớp Không

Sự thay đổi tương đối về độ cứng của lớp bề mặt Dưới 2

Căn cứ vào tính tin cậy trong sử dụng, người ta chia tất cả các dạng hao mòn trên đây thành hai nhóm: nhóm hao mòn bình thường cho phép trong sử dụng và nhóm hao mòn không bình thường không cho phép trong sử dụng

- Hao mòn bình thường chỉ xảy ra ở lớp rất mỏng (dưới 2000 Ǻ) trên bề mặt chi tiết máy - lớp màng bảo vệ, với tốc độ ổn định và nhỏ (khoảng 1µm/h)

- Hao mòn không bình thường: xảy ra ở các lớp kim loại gốc có khi lên đến 5mm Với tốc độ không ổn định và khá lớn (tới 50µm/h) Hao mòn không bình thường có thể dẩn đến hư hỏng

Sơ đồ phân loại các dạng hao mòn và hư hỏng của chi tiết máy:

Hình 1.8: Mô hình cấu trúc lớp bề mặt bị phá hoại do mỏi

Trong phần khái niệm và phân loại hao mòn ta đã trình bày những nét khái quát về phân loại Dưới đây ta sẽ xét sâu thêm về bản chất một số dạng hao mòn chủ yếu do

ma sát gây ra

1.2.3.1 Hao mòn do ôxy hoá

Khi ma sát công liên kết tạo nên một dạng biến dạng dẻo đặc biệt - sự tạo dải Khi

ấy, mật độ “biến vị” và mật độ các chỗ “khuyết” đạt tới giá trị gần bảo hoà Trạng thái không ổn định về nhiệt động lực học của kim loại trong quá trình tạo dải sẽ làm cho nó bị hoạt hoá mạnh Khi tiếp xúc với các thành phần xâm thực của môi trường (O, P,S…) sẽ dẫn đến các tương tác vật lý, hoá giữa chúng và hình thành các lớp màng bảo vệ thứ cấp (màng ôxýt sunfua…) vì phải chịu nhiều lần lặp lại và do nội ứng suất, trong lớp màng bảo vệ thứ cấp sẽ hình thành và phát triển các vết nứt tế

vi, còn trên bề mặt phân cách sự bám dính sẽ yếu đi làm bong tách những lớp màng Tác dụng cơ học của chu kỳ tiếp theo sẽ phá huỷ hẳn lớp màng và làm lộ ra các bề mặt thuần khiết sau đó quá trình sẽ lặp lại

Tốc độ ôxy hoá lớn hơn cá tốc độ khác và lớn hơn tốc độ phá hoại của lớp màng bảo vệ thứ cấp Hao mòn ôxy hoá bình thường sảy ra trong quá trình ma sát trợt hoặc ma sát lăn khô hoặc bôi trơn giới hạn

Trong môi trường có hạt mài, sự ôxy hoá và sự phá hoại bề mặt phát triển nhanh hơn do sự tập trung ứng suất cao trong các thể tích hạn chế của bề mặt ma sát Điều kiện tải trọng động củng làm tăng cường quá trình ôxy hoá và phá hoại

1.2.3.2 Tróc loại I và tróc loại II

Việc nghiên cứu hiện tượng tróc và bản chất của chúng được trình bày trong các công trình của V Đ.Kuznexôv, A.P.Xêmênôv, X.B Ainbinđev, R Railêkôt,

T.M.Parkx, và nhiều tác giả khác

Phân tích các công trình nghiên cứu về bản chất quá trình tróc cho thấy rằng, tất cả các thuyết hiện có về cơ chế của sự tróc điều chưa xét đến cấu trúc thực tế bên trong của vật thể kết tinh

Các thành tựu xuất sắc của vật lý chất rắn (việc thành lập cơ chế căn bản của các hiện tượng biến dạng và phá hoại trên cơ sở lý thuyết biến vị) và của hoá học

các hiện tượng bề mặt, việc hoàn thiện các phương pháp và phương tiện thực nghiệm cho phép ta quan sát được sự chuyển hoá và sự phá hoại của các đối tượng siêu tế vi, cũng như các kinh nghiệm tốt của thực tiễn cho phép ta tiến tới việc giải quyết những vấn đề cơ bản của ma sát va hao mòn Người ta đã lý giải được hiện tượng và cơ chế phá hoại và xây dựng được mô hình dạng hao mòn cơ hoá không thể tráng khỏi về phương diện lý thuyết và cho phép trong thực tế và xác lập giới hạn phạp vi tồn tại của nó

Nhóm thứ nhất (nhóm cơ bản) của các dạng hư hỏng khi ma sát (tróc loại I, tróc loại II, quá trình Fretting, dạng mài mòn cơ hoá) do biến dạng dẻo và làm hoạt hoá kim loại ở các lớp bề mặt gây nên cũng như trường hợp hao mòn ôxy hoá bình thường

Có thể sự xuất hiện sự sai khác so với các hiện tượng bình thường do: a) quá tải cơ học (sự không phù hợp giữa trị số và tính chất của tải với sức bền vật liệu của các bề mặt ma sát; b) quá tải nhiệt – tăng quá mức tốc độ dịch chuyển tương đối (sự không phù hợp giữa nhiệt độ trong vùng tiếp xúc với các tính ổn định nhiệt của chất bôi trơn và vật liệu của cặp ma sát); c) sự biến đổi căn bản về thành phần và nồng

độ của các hợp phần của môi trường trong vùng tiếp xúc (sự có mặt của ôxy, các chất hợp tính bề mặt và hoạt tính hoá học v.v…)

Những quan niệm căn bản về cơ chế tróc, được trình bày trong các công trình với quan điểm của lý thuyết về tính không hoàn thiện của cấu trúc tính thể, tỏ ra rất phù hợp và cho phép ta xây dựng mô hình của quá trình Thực chất mô hình này là:

để xảy ra tróc, cần phải dịch sát hai bề mặt thuần khiết của kim loại vào nhau, tới khoảng cách tác dụng của các lực tương tác giữa các nguyên tử Khi ấy, dưới tác dụng của tải bên ngoài, sẽ xuất hiện biến dạng dẻo ở những chổ tiếp xúc thực, xuất hiện các tâm kích hoạt với độ tập trung các chỗ trống và các nguyên tử biến vị tăng lên rất mạnh Ở những vùng tâm kích hoạt vớ độ tập trung sai lệch mạng cao

( 1018 ÷ 1019 sai lệch mạng/cm3 với biến dạng 10%) tại đây sẽ xảy ra sự kích hoạt

sẽ sảy ra sự khuếch tán vào nhau của các kim loại tiếp xúc nhau và tạo thành các mối liên kết kim loại Hệ số khuếch tán theo nhiệt độ và thời gian khuếch tán

Nếu thời gian khuếch tán là T1 (ứng với tốc độ dịch chuyển tương đối v1) đủ để diễn biến quá trình khuếch tán tương hỗ giữa hai kim loại, thì tạo nên các “cầu khuếch tán” sự phá huỷ các cầu hàn này sẽ gây ra tróc loại I

Tróc loại I xuất hiện khi ma sát trượt với tốc độ nhỏ vượt quá giới hạn chảy

tại chỗ tiếp xúc thực khi không có dầu bôi trơn và màng ôxýt bảo vệ ngăn cách trong chân không (từ 105 mmHg trở đi) tróc loại I xuất hiện khi có ma sát lăn

Nếu thời gian không đủ tới T2 < T1 ( v2 > v1) thì ôxy sẽ khuếch tán sâu vào trong lòng kim loại, tại các tâm kích hoạt tạo ra các lớp ôxýt gây hao mòn ôxy hoá Với tốc độ lớn hơn nữa v3 >v2, nhiệt độ tăng, hệ số khuếch tán vào nhau của kim loại sẽ tăng và tạo ra các “cầu hàn khuếch tán” khi cần hàn bị phá vỡ sẽ tạo ra tróc gọi là tróc nhiệt hay tróc loại II

Tróc loại II xuất hiện khi ma sát khô hoặc khi có bôi trơn giới hạn, nhưng áp

suất vượt quá giới hạn màng dầu giới hạn: nhiệt độ vượt quá giới hạn giải hấp phụ của dầu

1.2.3.3 Quá trình Fretting

Quá trình Fretting được đặc trưng bởi sự có mặt của các chuyển vị nhỏ (bắt đầu từ trị số vào khoảng lớn hơn khoảng cách giữa các nguyên tử), bởi đặc tính động của tải trọng, bởi sự ôxy hoá trong không khí làm tạo ra các sản phẩm hao mòn kiểu ăn mòn rất rỏ rệt Sự tróc và sự ôxy hoá trong quá trình Fretting được tăng cường rất mạnh do đặc tính động của tải trọng, đặc tính này làm cho gradiên biến dạng và nhiệt độ tăng lên rất lớn tại chổ tiếp xúc trượt Khi chịu tải chuyển tiếp tuyến đổi chiều, với chuyển vị rất nhỏ thì không thể có điều kiện tạo dải và làm xuất hiện các mạng thứ cấp Có thể xảy ra sự cộng hưởng trong, tức là có sự tăng dữ dội mật độ sai lệch mạng hoặc sự phát xạ electron ngoài ở khoảng tần số nào đó của tải động Do vậy, hoạt tính hoá lý của các lớp bề mặt cũng tăng dữ dội gây ra sự ôxy hoá động, tróc động hoặc tổ hợp cả hai hiện tượng ấy

Quá trình Fretting xuất hiện khi ma sát trượt với những chuyển động tịch tiến khứ hồi có tác động của tải trọng động Nó có thể xuất hiện khi ma sát khô và cả khi

có bôi trơn

1.2.3.4 Sự phá huỷ do mỏi

Đặc tính phá hoại bề mặt khi có ma sát lăn gắn liền với sự tồn tại hai trạng thái ứng suất - biến dạng Trạng thái của các lớp vĩ mô có liên quan với những điều kiện tiếp xúc của vật lăn Độ sâu và hình thái ứng suất và biến dạng được quyết định bởi tải ngoài, hình dạng và kích thước của các vật thể tương tác nhau Sự phá hoại của lớp này được đặc trưng bởi cơ chế mỏi Hình dạng các khe nứt và các vết lỏm được tạo thành khi phá huỷ mỏi ứng với sự phân bổ các ứng suất tiếp lớn nhất Dưới tác động của tải động có chu kỳ, trên bề mặt vật thể ma sát, lần đầu hình thành các dải trượt rộng, ổn định với mật độ khuyết tật tập trung lớn Ở những chu kỳ tiếp theo, sẽ tái tạo dải trượt phát triển thành các vùng có độ bền giảm cực mạnh Do đó, ở đây hình thành và phát triển vết nứt, gây bong tách kim loại

tuỳ theo áp suất, tốc độ, thành phần hoạt tính của môi trường và vật liệu mà quá trình phá hoại bề mặt có thể xảy ra ở lớp bảo vệ thứ cấp thuộc dạng hao mòn cơ hoá như hao mòn ôxy hoá, hoặc có thể xảy ra sự phá hoại lớp kim loại gốc như tróc loại I, tróc loại II bề mặt chịu mỏi với các vết nứt tế vi, rõ ràng dễ xuất hiện hiệu ứng Rebinder dạng trong khi có chất hoạt tính bề mặt trong dầu mỡ bôi trơn và khi trong môi trường có ôxy Cơ chế phá huỷ do mỏi được đặc trưng bởi sự biến dạng dẻo không đồng điều (biến dạng này phát triển mạnh nhất trên các đường trượt) bởi

sự tăng dữ dội mật độ biến vị, bở sự xuất hiện các khuyết lỗ trống, chỗ rỗng, bọt dạng lăng trụ Sự phát triển của quá trình phá huỷ do mỏi được đặc trưng bởi các giai đoạn sau đây:

- Biến dạng dẻo tương đối điều của lớp bề mặt kim loại

- Xuất hiện các dải trựơt rộng, ổn định, với mật độ tập trung khá cao các khuyết tật của cấu trúc tinh thể

- Tái tạo dải trượt phát triển nhanh thành các vùng có độ bền giảm

- Hình thành và phát triển vết nứt, gây bong tách kim loại

1.2.4 Các giai đoạn mài mòn của cặp ma sát

Ma sát là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mài mòn của các chi tiết máy, gây nên sự biến đổi theo chiều hướng xấu tính năng kỹ thuật của các bộ phận của động cơ Sự mài mòn là hậu quả của quá trình thay đổi dần dần kích thước của các chi tiết có chuyển động tương quan với nhau chiệu tác động của ma sát, thể hiện ở

sự phân hoá vật liệu từ các bề mặt ma sát Còn cường độ hao mòn là kết quả của sự mài mòn thể hiện ở sự thay đổi kích thước nguyên thuỷ của các chi tiết máy Đó là một quá trình không thuận nghịch Độ mài mòn diễn biến tuỳ thuộc vào thời gian sử dụng và điều kiện sử dụng của động cơ Quan hệ của chúng được giới thiệu trên hình 1.9

Từ hình 1.9 cho ta thấy Trong thời gian sử dụng thứ nhất Ln (giai đoạn I), các chi tiết máy mòn rất nhanh do quá trình làm việc rà khít các bề mặt ma sát

(điểm 1 và 1’) Sau giai đoạn rà khít, các bề mặt làm việc rất ổn định, khe hở hầu như không tăng lên bao nhiêu suốt trong thời gian sử dụng khá dài LH (giai đoạn II) Trong thời gian sử dụng này, khe hở tăng chậm và điều đặn Từ bb’ đến cc’

Hình 1.9: Các giai đoạn mài mòn của cặp ma sát

(điểm 2 và 2’) khe hở cc’ là khe hở giới hạn Giai đoạn II này dài hay ngắn phụ thuộc rất nhiều vào

thời điểm tiến hành chuẩn đoán trạng thái kỹ thuật và vào mức độ hoàn thiện của công tác bảo dưỡng kỹ thuật một và hai

Thời gian sử dụng LH (ứng với giai đoạn II) này được gọi là hành trình giữa hai kỳ sửa chửa

Giai đoạn III được đặc trưng bằng sự bào mòn rất nhanh, dẫn đến sự hư hỏng hoàn toàn của các chi tiết máy Trong quá trình này ảnh hưởng của tải trọng động, của chế độ nhiệt, của điều kiện bôi trơn, v.v rất lớn Do hậu quả của mài mòn, độ côn, độ ôvan v.v tăng lên rất nhanh, không còn khả năng điều chỉnh Các quá trình biến đổi cơ – lý, thuỷ khí, nhiệt hoá và điện hoá xảy ra rất nhanh và rất nghiêm trọng, phá hoại toàn bộ tính năng sử dụng của động cơ Vì vậy khi đã hết giai đoạn

II, bắt buộc phải sửa chửa động cơ Sự thay đổi trạng thái kỹ thuật của các bộ phận của động cơ ngoài nguyên nhân ma sát đã nói ở trên ra, phần lớn còn do chiệu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo và lắp ghép động cơ của các nhà máy chế tạo lắp ghép Tuy vậy, các chi tiết của động cơ bao giời củng được chế tạo theo cấp dung sai, cấp chính xác khác nhau tuỳ thuộc vào mức độ quan trọng, tính năng và tác dụng của các chi tiết ấy Các chi tiết lắp ghép với nhau theo chế độ lắp ghép tối ưu, trong đó khe hở hoặc độ dôi của mối ghép điều đã được khảo nghiệm kỹ lưỡng

Nói chung, cấp chính xác của mối ghép càng thấp giới hạn dung sai càng lớn thì việc gia công các chi tiết càng đơn giản và càng thô Xác định đúng cấp chính xác, chế độ dung sai của chi tiết lắp ghép sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình chạy rà khít và do đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sử dụng L H mà ta gọi là tuổi thọ của động cơ Các nhà máy chế tạo động cơ không thể bảo đảm tính đồng nhất của các mối lắp ghép của tất cả các động cơ xuất xưởng, mà chỉ có thể bảo đảm miền dung sai cho phép của các mối lắp ghép mà thôi Tất nhiên càng thu hẹp miền dung sai lắp ghép lại bao nhiêu thì ảnh hưởng của điều kiện chế tạo và lắp ghép đối với sự thay đổi trạng thái kỹ thuật càng ít bấy nhiêu Song như vậy giá thành sản phẩm vì thế sẽ tương ứng tăng lên khá lớn

Vì vậy trong thực tế, mỗi động cơ khi xuất xưởng điều có đặc tính (thông số)

về miền dung sai nhất định đã được nhà máy điều chỉnh thoả mãn với điều kiện kỹ thuật xuất xưởng của các nhà chế tạo

1.3 Bôi trơn

1.3.1 Chức năng của bôi trơn

Chức năng chính của bôi trơn là: giảm lực ma sát, giảm hao mòn, làm mát chi tiết, bôi trơn, làm kín, làm sạch, chống ăn mòn, bảo vệ chi tiết máy khỏi han gỉ

Ngoài ra chất bôi trơn còn thoả mãn một số yêu cầu khác là: bảo toàn khả năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt rộng; dễ điền đầy các hõm và mấp mô tế vi trên bề mặt; tạo sức cản trượt lớn theo phương vuông góc với

bề mặt ma sát và nhỏ nhất theo phương tiếp tuyến; không gây nổ và cháy; không gây ảnh hưởng có hại đến vật liệu chi tiết (kể cả với vật liệu phi kim loại); bảo đảm bôi trơn với lượng dầu ít nhất; không thay đổi tính chất khi vận chuyển, bảo quản, cung cấp; không tạo các cấu cặn nguy hiểm và có hại cho sinh vật sống và môi trường; ổn định dưới tác dụng của bức xạ và các môi trường xâm thực hoá học; không sinh bọt; không tạo nhũ, v.v…

Tất nhiên là không một loại dầu nào trong thiên nhiên có thể thoả mãn được tất

cả các yêu cầu kể trên Do vậy, trong từng trường hợp, tuỳ theo điều kiện cụ thể, mục đích sử dụng, cần chọn loại dầu bôi trơn thích hợp với các thông số nhất định

1.3.2 Tính bôi trơn

Cho đến nay đã có khá nhiều quan niệm khác nhau về tính bôi trơn của chất bôi trơn Có thể lệt kê dưới đây một số định nghĩa về tính bôi trơn:

1) Tính bôi trơn là tính chất được đặc trưng bởi khả năng bám dính trên các

bề mặt được bôi trơn để ngăn chặn sự xuất hiện ma sát khô

2) Tính bôi trơn là thước đo sự khác nhau về sức cản ma sát khi so sánh các loại dầu bôi trơn có cùng độ nhớt

3) Tính bôi trơn là tổ hợp các tính chất tác dụng tương hỗ giữa các bề mặt có tiếp xúc với môi trường bôi trơn, đảm bảo lực ma sát và hao mòn của bề mặt được bôi trơn là nhỏ nhất

Tính bôi trơn không chỉ phụ thuộc vào bản thân chất bôi trơn, mà còn chiệu ảnh hưởng, ở mức độ khác nhau, của hàng loạt các yếu tố ngoại cảnh khác, như: vật liệu được bôi trơn, tải tác dụng lên bề mặt bôi trơn, tốc độ tương đối của các bề

mặt bôi trơn, khe hở giữa các bề mặt ma sát, v.v

Độ nhớt: Độ nhớt là một trong những chỉ tiêu có ý nghĩa quyết định chất

lượng của chất bôi trợn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao năng lượng do ma sát, cường độ hao mòn chi tiết máy, khả năng làm kín, khả năng làm mát,v.v Khi chọn

độ nhớt của chất bôi trơn cần phải tính đến tính năng, đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của động cơ được bôi trơn Độ nhớt quá cao sẽ làm tăng tổn hao năng lượng do ma sát, giảm khả năng làm mát Ngược lại, độ nhớt quá thấp sẽ làm tăng cường độ hao mòn và giảm khả năng làm kím

1.3.3 Phân loại

Có nhiều phương pháp phân loại: sau đây là phương pháp phân loại dựa trên các vật liệu bôi trơn khác nhau và kỹ thuật sử dụng vật liệu bôi trơn

- Theo thể mạng: người ta chia vật liệu bôi trơn ra các loại: rắn, lỏng, đặc, khí

- Theo kỹ thuật sử dụng vật liệu bôi trơn: người ta phân các chế độ bôi trơn ra: 1) Bôi trơn ướt

2) Bôi trơn nửa ướt

3) Bôi trơn giới hạn

Phân loại tổng quát chất bôi trơn: có rất nhiều chất có thể dùng để bôi trơn, như mỡ động vật, dầu thực vật, nước, v.v Trong một số trường hợp, người ta dùng cả chất rắn và chất khí để bôi trơn, ví dụ: graphíte, molybdenum, disulfide, một số khí hydrocarbon

Bảng 1.3: Phân loại chất bôi trơn

Trạng thái ở điều kiện nhiệt độ và áp

1.3.4 Phân loại dầu bôi trơn động cơ đốt trong

Bảng 1.4: phân loại dầu bôi trơn theo SAE.J300a

ví dụ SAE 5W/ 10W, SAE 10W/20, SAE20W/30, v.v