Đang tải... (xem toàn văn)
ma sát là hiện tượng tự nhiên và phổ biến trong kỹ thuật, gồm 2 loại ma sát: + ma sát có hại gây mòn chi tiết, sinh nhiệt, giảm hiệu suất máy + ma sát có lợi dùng trong truyền động đai, phanh
Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN Phần Mòn Khái niệm mòn Mòn tợng phá huỷ bề mặt hay tách vật liệu từ hai bề mặt chuyển động trợt, lăn va chạm tơng Nói chung mòn xảy tơng tác nhấp nhô bề mặt Trong trình chuyển động tơng đối, vật liệu bề mặt tiếp xúc bị biến dạng ứng suất đỉnh nhấp nhô vợt giới hạn dẻo, nhng phần nhỏ không chút vật liệu bị tách Sau vật liệu bị tách từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách thành hạt mài rêi Trong tr−êng hỵp vËt liƯu chØ dÝnh tõ bỊ mặt sang bề mặt khác, thể tích hay khối lợng mòn vùng tiếp xúc chung không bề mặt bị mòn Định nghĩa mòn nói chung dựa mát vật liệu, nhng phá huỷ vật liệu biến dạng mà không kèm theo thay đổi khối lợng thể tích vật dạng mòn Giống nh ma sát, mòn tính chất vật liệu mà phản ứng hệ thống Các điều kiện vận hành ảnh hởng trực tiếp tới mòn bề mặt tiếp xúc chung Rất sai lầm cho ma sát lớn bề mặt tiếp xúc chung nguyên nhân mòn với tốc độ cao Ví dụ cặp bề mặt tiếp xúc sử dụng chất bôi trơn rắn chất dẻo cho ma sát tơng đối thấp nhng mòn lại tơng đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhng mòn lại thấp Thờng hệ số ma sát trợt đa số cặp vật liệu thay ®ỉi ph¹m vi tõ 0,1 ®Õn 1, nh−ng tèc độ mòn thay đổi phạm vi lớn Điều đợc giải thích mòn liên quan đến nhiều tợng đa dạng kết hợp với theo kiểu dự đoán trớc đợc thay đổi phạm vi rộng Mòn có hại có ích Khi viết bút chì, mài, đánh bóng, cạo ví dụ mòn có lợi Mòn điều không mong muốn phận chi tiết nh ổ, phớt, bánh cam Chi tiết phải thay bị mòn lợng nhỏ nh bề mặt bị ráp Trong hệ đợc thiết kế tốt ma sát, mòn bôi trơn, trình mòn xảy chậm nhng ổn định liên tục Tuy nhiên sinh tuần hoàn hạt mài bề mặt tiếp xúc chung cã kÝch th−íc lín h¬n khe hë tiÕp xóc cã thể tạo nên tác dụng nghiêm trọng lợng mòn thực tế Trong phần nghiên cứu chế mòn khác dạng hạt mòn nh liệu tiêu biểu mòn vật liệu Phân loại mòn Mòn xảy tơng tác cơ, điện và/hoặc hoá nói chung chịu xúc tác nhiệt ma sát Do tơng tác học vết nứt xuất hiện tợng bẻ gÃy liên kết phân tử chất dẻo, trợt kim loại, phá vỡ biên giới hạt ceramics phá huỷ bề mặt composite vật liệu nhiều pha Các vết nứt phát triển tạo hạt mòn Mòn bao gồm sáu tợng tơng đối khác có chung kết tách vật liệu từ bề mặt trợt là: dính (adhesive), abrasive, mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá hay ăn mòn, điện Các dạng mòn khác thờng gặp nh fretting hay ăn mòn fretting kết hợp dạng mòn dính, hạt cứng va chạm Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy công nghiệp chế dính abrasive Trừ mòn mỏi, mòn chế khác tợng xảy từ từ http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN Trớc lựa chọn vật liệu phơng pháp xử lý vật liệu để tăng khả chống mòn chi tiết máy, cần phải hiểu đợc trình mòn xảy cách phân tích bề mặt chi tiết mòn kết hợp với kiến thức chế độ tơng tác bề mặt tính chất bề mặt Trong thực tế mòn xảy nhiều chế Trong nhiều trờng hợp mòn sinh chế nhng phát triển kết hợp với chế khác làm phức tạp hoá phân tích hỏng mòn Phân tích bề mặt chi tiết bị hỏng mòn xác định đợc chế mòn xảy giai đoạn cuối mà Kính hiển vi nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt đợc sử dụng để phân tích bề mặt 2.1 Mòn dính 2.1.1 Khái niệm Hình 2.1 Sơ đồ mô tả hai khả cắt tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung (1) lấn vào hai bề mặt (2) Mòn dính xảy hai bề mặt rắn, phẳng trợt so với Dính xảy chỗ tiếp xúc đỉnh nhấp nhô dới tác dụng tải trọng pháp tuyến, trợt xảy vật liệu vùng bị trợt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp tạo thành mảnh mòn rời Một số mảnh mòn đợc sinh trình mòn mỏi đỉnh nhấp nhô Một số giả thuyết đợc đa để giải thích chế tách mảnh vật liệu dính Theo giả thuyết mòn trợt, cắt xảy ë bỊ mỈt tiÕp xóc chung hc vỊ phÝa vïng yếu hai vật liệu chỗ tiếp xúc Trong phần lớn trờng hợp, sức bền chỗ tiếp xúc nhỏ sức bền cắt vùng lân cận cắt xảy mặt tiếp xúc chung, mòn không (hình 2.1) Trong phần nhỏ tiếp xúc, Hình 2.2 Sơ đồ mô tả dính cắt xảy vào vùng lân cận mảnh mòn dạng cánh hai vật thể dính sang bề mặt đối mỏng dạng hình nêm tiếp (hình 2.1) Mảnh vật liệu dính có dạng hình khối đặc biệt http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN Theo giả thuyết khác, sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trợt tơng đối, vùng vật liệu bị biến dạng dới tác dụng ứng suất nén tiếp trợt xảy mạnh dọc theo mặt phẳng trợt tinh thể vùng biến dạng dẻo Những dải trợt tạo thành mảnh mòn dạng mỏng (hình 2.2(a)) Nếu biến dạng dẻo xảy diện rộng vùng tiếp xúc mảnh mòn sinh có dạng hình nêm nh hình 2.2(b) dính sang bề mặt đối tiếp Quá trình trợt hai bề mặt tạo nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối tiếp, tích tụ tạo nên mảnh mòn rời tác dụng ôxy hoá ôxy môi trờng lợng đàn hồi lớn lợng dính Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, mảnh mòn hai loại vật liệu đợc tạo thành nhiên mảnh từ vật liệu mềm thờng lớn Sự tồn khuyết tật vết nứt vật liệu cứng tạo nên vùng cục có sức bền thấp Khi vùng trùng với vùng cục bé cã søc bỊn cao cđa vËt liƯu mỊn h¬n tạo nên mảnh mòn vật liệu cứng Những mảnh mòn loại tạo nên mỏi sau số chu kỳ chịu tải bỏ tải Một số dạng mòn dính (adhesion) đợc gọi galling, scuffing, welding hay smearing 2.1.2 Các phơng trình định lợng Định luật mòn dính archard Giả thiết tiếp xúc đợc tạo nên số tiếp xúc đỉnh nhấp nhô có bán kính a (hình 2.3) Hình 2.3 Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo hạt mòn bán cầu tiếp xúc ma sát trợt Diện tích tiếp xúc là: a2 Mỗi tiếp xúc đỡ tải trọng là: poa2, po giới hạn chảy Các bề mặt dịch chuyển khoảng 2a qua nhấp nhô ta giả thiết mảnh mòn sinh từ đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích a Tổng thể tích mòn Q đơn vị chiều dài trợt đợc xác định nh sau: a πa Q=∑ = ∑ πa = n 2a 3 Trong n tổng số tiếp xúc tải trọng pháp tuyến tổng W sÏ lµ: W = poπa2n W Hay: nπa = po http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, §¹i häc TN W 3p o NÕu chØ cã mét phần k tiếp xúc nhấp nhô gặp tạo nên hạt mài W Q=k 3p o Do đó: thì: Q= Trong k hệ số xác xuất tiếp xúc tạo nên hạt mài Từ phơng trình rút ba quy luật mòn - ThĨ tÝch vËt liƯu mßn tû lƯ thn víi quÃng đờng trợt; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến; - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng vật liệu mềm Kết thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k thép thép giữ số ứng suất khoảng H/3 (H độ cứng thép) Khi tăng ứng suất giá trị tốc độ mòn tăng mạnh hàn seizure xảy Điều vật liệu đối tiếp kim loại khác Tuy nhiên độ cứng, tính chất khác vật liệu đóng vai trò quan trọng ảnh hởng tới tốc độ mòn Thuyết mòn dính Rowe Rowe ®· bỉ xung lý thut mßn cđa archard cã kĨ đến tác dụng lớp màng bề mặt (surface films) W Q=k = k' A 3p o ThĨ tÝch cđa mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại Am Q = km.Am km số cho kim loại trợt độc lập với tính chất chất bôi A trơn hay lớp màng bề mặt Đặt = m tû sè gi÷a diƯn tÝch tiÕp xóc trùc tiÕp A kim loại kim loại thực có lớp bôi tr¬n W Q = k m βA = k m po Theo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) giá trị tính đến kết hợp ứng suất pháp tiếp riêng tải trọng pháp tuyến tĩnh gây po p2 + αs2 = p o2 po Do s = àp (à hệ số ma sát) nên p = 1/ + αµ 1/ W Q = k m + αµ Do ®ã: β po ( ( http://www.ebook.edu.vn ) ) Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN 2.2 Mòn cào xớc Hình 2.4 Sơ đồ (a) bề mặt cứng nhám bề mặt gắn hạt cứng trợt bề mặt mềm (b) hạt cứng tự kẹt bề mặt bề mặt có độ cứng thấp hạt cứng Mòn cào xớc xảy nhấp nhô bề mặt cứng ráp hạt cứng trợt bề mặt mềm phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung biến dạng dẻo nứt tách Trong trờng hợp vật đối tiếp vật liệu dẻo có độ dai va đập cao (kim loại hợp kim), đỉnh nhấp nhô cứng hạt cứng gây nên biến dạng dẻo vật liệu mềm trờng hợp tải nhẹ Trong trờng hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy nứt tách vùng mòn nứt tách biểu chủ yếu Có hai trờng hợp mòn cào xớc Trong trờng hợp thứ (cào xớc hai vật) bề mặt cứng bề mặt cứng hai bề mặt trợt (hình 2.4(a)) Mòn không xảy bề mặt cứng tuyệt đối phẳng nhẵn Trong trờng hợp thứ hai (cào xớc ba vật), bề mặt cứng vật thứ ba, hạt cứng nằm hai bề mặt khác đủ cứng để mài hai bề mặt (hình 2.4(b)) Mòn không xảy hạt mài bé mềm bề mặt trợt Trong nhiều trờng hợp mòn bắt đầu dính tạo nên hạt mòn vùng tiếp xúc chung, hạt mòn sau bị ôxy hoá, biến cứng tích tụ lại nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật Trong số trờng hợp hạt cứng sinh đa vào hệ thống trợt từ môi trờng Các nghiên cứu thực nghiệm mòn hạt cứng cho thấy tợng cào xớc bề mặt mền thể hàng loạt rÃnh song song với hớng trợt Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo lớp dới bề mặt so với mòn dính Tuy nhiên độ cứng tế vi bề mặt mòn tăng từ 10-80% Mòn cào xớc đợc ứng dụng rộng rÃi nguyên công gia công tinh nh mài, đánh bóng vv 2.2.1 Mòn cào xớc biến dạng dẻo 2.2.1.1 Cơ chế mòn Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trình mòn http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN cào xớc xảy theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) cắt Cày tợng tạo rÃnh hạt cứng trợt gây biến dạng dẻo vật liệu mềm Trong trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên rÃnh mà không bị tách Tuy nhiên sau nhiều lần nh phần vật liệu bị tách chế mỏi chu kỳ thấp Quá trình cày gây nên biến dạng dẻo lớp dới bề mặt góp phần vào hình thành mầm vết nứt tế vi Quá trình chịu tải bỏ tải (mỏi chu kỳ thấp ứng suất cao) làm vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với tạo thành mảnh mòn mỏng Trong trờng hợp vật liệu mềm nh indium chì, khối lợng mòn sinh nhỏ vật liệu bị biến dạng dịch chuyển sang hai bên rÃnh Sự hình thành lợng vật liệu dồn ép phía trớc hạt cứng dạng mòn cào xớc Một hạt cứng chà sát bề mặt tạo nên rÃnh lợng vật liệu bị dồn ép phía trớc Điều thờng xảy tỷ số sức bền cắt bề mặt tiếp xúc chung sức bền cắt lòng vật liệu cao (0,5-1) Khi phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rÃnh phần lớn dồn ép phía trớc hạt cứng tạo nên tợng Dạng cắt mòn cào xớc xảy hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rÃnh tách vật liệu khỏi rÃnh dới dạng mảnh mòn có dạng giống nh phoi dây vụn Quá trình xảy chủ yếu cắt lợng vật liệu bị biến dạng sang hai bên rÃnh nhỏ Challen Oxley đà phân tích ba chế độ biến dạng phân biệt mòn cào xớc sử dụng vùng đờng trợt gây nhấp nhô bề mặt lý tởng (chêm 2D) Theo phân tích vật liệu giả thiết tuyệt đối dẻo đỉnh nhấp nhô chịu biến dạng phẳng Hình 2.5(a) chế độ cày vật liệu bị dồn (a) (b) (c) Hình 2.5 Sơ đồ vùng đờng trợt ba chế độ biến dạng vật liệu rắn, tuyệt đối dẻo gây trợt hình nêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN (a) (b) (c) Hình 2.6 Sơ đồ ba chế độ mòn cào xớc profile tơng ứng mặt cắt ngang quan sát SEM (a) chế độ cắt đầu thép trợt đĩa ®ång (b) chÕ ®é dån Ðp vËt liƯu cđa ®Çu thép đĩa thép trắng (c) chế độ cày đầu thép đĩa đồng sang hai bên rÃnh tạo nên hạt cứng Hình 2.5(c) chế độ cắt, vật liệu phía trớc hạt cứng bị cắt bị biến dạng vùng biến dạng thứ tạo thành phoi Hình 2.5(b) chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép phía trớc hạt cứng Sự dính xảy mặt trớc hạt cứng vật liệu bị đẩy dồn khỏi bề mặt Một phần vật liệu bị dồn sang hai bên, phần lại dính phía trớc hạt cứng cuối bị tách giống nh trờng hợp cắt Đối với kim loại dẻo, chế cày, dồn ép cắt đợc quan sát SEM hình 2.6 Hokkirigawa Kato đà nghiên cứu lực liên quan đến chế độ Các Hình 2.7 Các chế độ biến dạng quan sát trợt mũi cầu cứng đồng , thép bon trung bình (45%) thép trắng ôcxtenit hàm số sức bền cắt mặt tiếp xúc độ chìm sâu mũi cầu yếu tố định góc tiếp xúc , mức độ chìm sâu hạt cứng sức bền cắt bề mặt tiếp xúc chung hình 2.7 Mức độ chìm sâu hạt cứng tỷ http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN số chiều sâu rÃnh bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt tỷ số sức bền bề mặt sức bền lòng vật thể Trong trờng hợp hạt cứng có đầu nhọn tồn góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày dồn ép sang cắt Góc tiếp xúc giới hạn phụ thuộc vào vật liệu bị mòn Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày dồn ép sang cắt tăng hệ số ma sát tăng 2.2.1.2 phơng trình định lợng Khảo sát mô hình đơn giản bề mặt mang dÃy nhấp nhô hình nón cứng trợt bề mặt phẳng tạo nên rÃnh có chiều sâu đồng Hình 2.8 nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc) tạo nên rÃnh bề mặt vật liệu mềm với chiều sâu d chiều rộng 2a Giả thiết vật liệu đạt tới giới hạn chảy dới tác dụng tải trọng pháp tuyến Hình 2.8 Một hạt cứng hình nón tiếp xúc trợt với bề mặt vật liệu mềm chế độ mòn cào xớc dW = a H Trong H độ cứng bề mặt vật liệu mềm Thể tích vật liệu bị dịch chuyển khoảng trợt x là: dv = a2xtg 2dWxtgθ dv = Tõ ®ã ta cã: πH Tỉng thĨ tích vật liệu bị dịch chuyển tất nhấp nhô là: Wx (tg)tb v= H Trong (tg)tb giá trị trung bình tất nhấp nhô hình nón gọi yếu tố độ nhám Phơng trình đợc rút từ mô hình đơn giản phân bố hình dáng, chiều cao nhấp nhô vật liệu tích tụ phía trớc nhấp nhô bỏ qua Một phơng trình có dạng tơng tự nh phơng trình Archard cho mòn dính thoả mÃn dải rộng mòn cào xớc là: Wx v = k abr H Kabr hệ số mòn bao hàm tính chất hình học nhấp nhô, xác xuất cắt nhấp nhô có xác xuất cày Vì độ nhám ảnh hởng đến thể tích mòn rõ ràng Giá trị kabr thay đổi dải từ 10-6 đến 10-1 Tốc độ mòn cào xớc thờng lớn gấp khoảng 2-3 lần so với mòn dính Phơng trình mòn cào xớc hai vật thể trờng hợp mòn http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại häc TN cµo x−íc ba vËt thĨ nh−ng hƯ số kabr thấp hạt cứng có xu hớng lăn nhiều trợt Trong trình mòn, tợng cùn nhấp nhô cứng hay hạt cứng xảy làm giảm tốc độ mòn Tuy nhiên, hạt cứng dòn vỡ tạo thành hạt sắc làm tăng tốc độ mòn 2.2.2 Mòn cào xớc nứt tách Hình 2.9 Sơ đồ chế mòn gây hạt cứng sắc trợt mặt phẳng vật liệu dòn nứt ngang (lateral fracture) Khảo sát hạt cứng sắc trợt mặt phẳng vật rắn dòn Khi tải trọng pháp tuyến nhỏ, hạt cứng sắc gây biến dạng dẻo mặt vật rắn mòn xảy biến dạng dẻo Khi tải trọng pháp tuyến vợt qua giá trị mòn nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn K Tải trọng giới hạn tỷ lƯ víi c K c H H/Kc gọi số độ dòn, H độ cứng Kc độ dai va đập Từ hình 2.10 thấy vết nứt ngang phát triển từ ứng suất d gây vật liệu bị biến dạng Chiều dài lớn vết nứt đợc phát Hình 2.10 Sự hình thành phát hạt cứng rút khỏi bề mặt Khi hạt cứng triển vết nứt chu kỳ trợt bề mặt, vết nứt ngang chịu nhấc tải kính đá vôi sử phát triển lên phía tới bề mặt từ vùng dới bề mặt bị biến dạng Các mảnh mòn dụng mũi hình tháp nhọn đợc tách dới dạng mảnh đa diện từ vùng giới hạn đờng nứt ngang tới bề mặt trợt http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN Chiều dài vết nứt c hạt cứng trợt bề mặt vật liệu dòn hình 2.9 đợc xác ®Þnh nh− sau: (E / H )3 / c = α1 / / W / K c H Trong số phụ thuộc vào hình dáng hạt cứng không phụ thuộc vật liệu Chiều sâu d vết nứt ngang hình 2.9 ®−ỵc tÝnh nh− sau: 2/ 1/ E W d = α2 H H Trong đó: số không phụ thuộc vật liệu khác Thể tích lớn vật liệu bị tách hạt cứng đơn vị chiều dài trợt 2dc Nếu N đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải nhấp nhô chịu tải W thể tích mòn đơn vị chiều dài trợt là: (E / H )W / v = α3 N K 1c / H / Trong ®ã α3 hệ số không phụ thuộc vào vật liệu Vì (E/H) không thay đổi nhiều với vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với K 1c / , H5/8 Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W9/8 nghĩa tốc độ mòn nứt ngang tăng nhanh tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến nh biến dạng dẻo Điều ngụ ý hệ số mòn phơng trình mòn không độc lập với tải trọng 2.3 Mòn mỏi Mỏi xuất dới bề mặt xảy tơng ứng với tiếp xúc lăn trợt theo chu kỳ Sự đặt nhấc tải theo chu kỳ nguyên nhân gây vết nứt dới bề mặt Sau số chu kỳ giới hạn vết nứt phát triển tới bề mặt tạo nên mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ Khác với mòn dính cào xớc khối lợng mòn mỏi thông số có ý nghĩa để đánh giá mòn mà số chu kú hay thêi gian lµm viƯc cđa chi tiÕt tr−íc mỏi xảy Sự phát triển vết nứt trở nên mạnh dới tác dụng hoá học (thờng xảy với ceramics) gọi mỏi tĩnh Sự tồn ứng suất kéo nớc đỉnh vết nứt nhiều loại ceramics làm tăng tốc ®é ph¸t triĨn cđa vÕt nøt ®¸ng kĨ T¸c dơng thúc đẩy biến dạng nứt tách tác nhân hoá học làm tăng mòn điều kiện tĩnh động lực lăn trợt 2.3.1 Mỏi tiếp xúc lăn trợt Mỏi tiếp xúc lăn không trợt Mòn dính cào xớc xảy sù tiÕp xóc lý häc trùc tiÕp gi÷a hai bề mặt chuyển động tơng Nếu hai bề mặt bị phân tách lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời vùng tiếp xúc) mòn không xảy Tuy nhiên mặt tiếp xóc chung víi tiÕp xóc nonconforming, øng xt tiÕp xóc lớn Khi không xảy tiếp xúc trực tiếp, bề mặt đối tiếp chịu ứng suất lớn đợc truyền qua màng bôi trơn chuyển động lăn Các chi tiết ổ lăn đợc thiết kế bôi trơn tốt thờng bị hỏng mỏi xảy dới bề mặt Theo phân tích ứng suất đàn hồi Hec, ứng suất nén cực đại xảy bề mặt nhng ứng suất tiếp cực đại lại xuất dới bề mặt khoảng Khi lăn xảy ra, chiều ứng suất tiếp bị đổi dấu bề mặt chi tiết Thời gian để mòn mỏi xảy phụ thuộc vào cờng độ ứng suất tiếp đổi chiều, điều kiện bôi trơn tính chất mỏi vật liệu lăn http://www.ebook.edu.vn 10 Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN chung bề mặt (về danh nghĩa đứng yên) Đây tợng phổ biến phần lớn máy móc bị dao động, vận chuyển lẫn hoạt động Thực chất fretting dạng mòn dính hạt cứng mà tải trọng pháp tuyến gây nên tợng dính đỉnh nhấp nhô chuyển động dao động gây nên cắt đứt tạo nên mảnh mòn Fretting kết hợp với ăn mòn hoá học tợng phổ biến gọi fretting hoá Ví dụ hạt mòn thép đợc tạo hai bề mặt bị ôxy hoá tạo thành ôxuýt Fe2O3 nguồn hạt cứng mặt tiếp xúc chung Bởi bề mặt đợc ép sát với dao động với biên độ nhỏ nên bề mặt không tách rời nh hội để mảnh mòn lọt Dao động tiếp tục xảy tạo mảnh mòn tiếp tục bị ôxy hoá Do mòn đơn vị chiều dài trợt fretting lớn so với mòn dính cào xớc thông thờng Dao động mòn fretting chủ yếu kích động từ bên ngoài, nhng nhiều trờng hợp kết chi tiết chịu ứng suất thay đổi chu kỳ Các vết nứt đợc tạo dạng mòn gọi mỏi fretting Mòn fretting tăng đột ngột biên độ dao động trợt vợt qua dải biên độ giới hạn Với biên độ dao động định, khối lợng mòn đơn vị chiều dài trợt đơn vị tải trọng pháp tuyến tăng tuyến tính theo số chu kỳ dao động tới biên độ dao động đến 100 àm Khi vợt qua biên độ giới hạn này, tốc độ mòn đạt tới số giống nh tốc độ mòn trợt liên tục trợt Điều cho phép đa giới hạn biên độ trợt cho fretting biên độ nhỏ, đặc trng fretting, vận tốc trợt tơng đối nhỏ nhiều so với trợt thông thờng biên độ dao động cao Tốc độ mòn fretting tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến với biên độ trợt cho trớc Trong trợt phận, tần số dao động ảnh hởng tới tốc độ mòn đơn vị chiều dài trợt dải tần số thấp Tăng tốc độ biến dạng tần số cao dẫn đến tăng phá huỷ mỏi ăn mòn hoá học nhiệt độ tăng Tuy nhiên trợt toàn phần tần số có ảnh hởng Để giảm đến mức thấp mòn fretting, máy móc thiết kế phải giảm đến tối thiểu dao động, giảm ứng suất loại trừ việc thiết kế hai phần Mòn vật liệu Quá trình mòn nói chung đợc định lợng tốc độ mòn thể tích hay khối lợng vật liệu bị tách khỏi bề mặt đơn vị thời gian hay đơn vị chiều dài trợt Các dạng khác thứ nguyên nh tỷ số chiều sâu vật liệu mòn đơn vị chiều dài trợt tỷ số thể tích vật liệu tách đơn vị diện tích tiếp xúc đơn vị chiều dài trợt Mòn hàm số phức tạp theo thời gian Từ đồ thị tốc độ mòn thấy tốc độ mòn giữ số giai đoạn sau ®ã cã thĨ thay ®ỉi nÕu cã sù thay ®ỉi chế mòn Mòn trình chạy rà phơ thc vµo tÝnh chÊt vµ cÊu tróc vËt liƯu ban đầu nh trạng thái bề mặt nh độ nhẵn, tồn lớp màng bề mặt Trong giai đoạn chuyển chế mòn, độ nhám bề mặt bị biến đổi biến dạng dẻo Tuy nhiên điều kiện đầu có ảnh hởng tới phá huỷ giai đoạn chuyển đổi thời lợng Giống nh ma sát, tốc độ mòn vật liệu phụ thuộc vào vật liệu đối tiếp cặp vật liệu, trạng thái bề mặt điều kiện làm việc ý nghĩa hệ số mòn liệu mòn công trình công bố thờng nằm giá trị tơng đối giá trị tuyệt đối http://www.ebook.edu.vn 17 Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN Mòn hàm số phức tạp theo thời gian Tốc độ mòn ban đầu thấp sau tăng ngợc lại (hình 2.16) Sau khoảng thời gian định tốc độ mòn giữ số giai đoạn sau cã thĨ thay ®ỉi nÕu cã sù thay ®ỉi vỊ chế mòn trình thí nghiệm mòn Quá trình chạy rà phụ thuộc vào cấu trúc, tính Hình 2.16: Ba trờng hợp giả thuyết thể tích chất ban đầu vật liệu mòn hàm số khoảng cách trợt trạng thái bề mặt giai đoạn chạy rà, ổn định khốc liệt Trong giai đoạn chuyển tiếp độ nhám bề mặt bị biến đổi biến dạng dẻo đỉnh nhấp nhô bề mặt Điều kiện ban đầu ảnh hởng đáng kể đến tốc độ mòn bề mặt trình chạy rà khoảng thời gian chạy rà Một cặp đôi ma sát loại thép cho ma sát mòn cao cặp kim loại khác cho ma sát mòn trung bình trờng hợp có bôi trơn Khác với thép kim loại ceramics trợt so với kim loại với với ceramics khác loại cho hệ số ma sát trung bình nhng mòn lại thấp Polymers chất bôi trơn rắn trợt với bề mặt cứng cho hệ số ma sát thấp nhng mòn lại cao 3.1 Mòn kim loại hợp kim Cặp kim loại Cadmium trợt Cadmium Kẽm trợt kẽm Bạc trợt bạc Đồng trợt đồng Platin trợt platin Thép bon thấp trợt thép bon thấp Thép trắng trợt thép trắng Cadmium trợt thép bon thấp Đồng trợt thép bon thấp Platin trợt thép bon thấp Thép bon tháp trợt đồng Platin trợt bạc Độ cøng Vickers (kg/mm2) 20 38 43 95 138 158 HÖ sè mßn k (x 10-4) 57 530 40 110 130 150 217 20 95 138 95 43 70 0,3 5 1,7 0,3 Bảng 2.1 Hệ số mòn vật liệu mềm cho cặp kim loại kim lọai khác với tải trọng 20N vận tốc trợt 1,8 m/s Các giá trị tiêu chuẩn độ cứng vật liệu mòn mềm cặp vật liệu Các bề mặt kim loại hợp kim tiếp xúc rắn biểu tính dính cao ma sát mòn cao, đặc biệt tiếp xúc bề mặt chân http://www.ebook.edu.vn 18 Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN không cho tốc độ mòn cao Các lớp màng hoá học mỏng hình thành bề mặt tiếp xúc có khả giảm dính dẫn đến giảm ma sát mòn Trong trờng hợp kim loại mềm nh In, Pb Sn tiếp xúc đỉnh nhấp nhô rộng trí tải trọng nhỏ tốc độ mòn cao Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt nh Co Mg nh kim loại cấu trúc nh Mo, Cr biểu ma sát mòn thấp Do Co, Mo Cr nguyên tố hợp kim thông dụng thép để giảm ma sát mòn đồng thời tăng khả chống ăn mòn Nói chung mòn hợp kim thấp nguyên tố nguyên chất Hệ số mòn k cho loạt kim loại giống khác cho bảng 2.1 Thép dạng vật liệu thông dơng nhÊt sư dơng c¶ øng dơng cÊu tróc tribological Trên sở thành phần hoá học (tỷ lệ % nguyên tố hợp kim bon) đặc điểm trình gia công, loạt tính chất vật lý cấu trúc tế vi khác đợc hình thành Khả chống mòn thép có cấu trúc khác hình 2.17 Các liệu mòn số loại thép thí nghiệm kiểu từ 201301 độ cứng đạt 440C thép loại Nitronic cho khả chống mòn tốt thân chúng trợt với điều kiện không bôi trơn Tốc độ mòn thép hợp kim niken cao nằm khoảng thép trắng mactensit ốcstennit Các hợp kim Co có tính chống mòn cao Sự phối hợp vật liệu khác nh thép với đồng Si hợp kim Stellite Các liệu mòn cải thiện khả chống mòn việc thay đổi tính chất lớp bề mặt biện pháp xử lý bề mặt phủ bề mặt vv thống số vận hành nh tải trọng pháp tuyến, tốc độ trợt tơng đối, môi trờng có ảnh hởng lớn đến chế độ mòn nh tốc độ mòn Hình 2.17 Khả chống mòn tơng đối nh hàm số độ cứng theo cấu trúc tế vi khác 3.1.1 ảnh hởng nhiệt độ đến mòn ôxy hoá Sự hình thành lớp màng ôxy hoá bề mặt giảm tốc độ mòn tới hai lần so với làm việc môi trờng khí trơ nhiệt độ thấp, sản phẩm trình ôxy hoá bề mặt hình thành đỉnh nhấp nhô tiếp xúc nhiệt độ cao hơn, ôxy hoá xảy toàn bề mặt ảnh hởng tới mòn Khi sử dụng thép làm đôi ma sát, sản phẩm ôxy hoá hạt mòn phụ thuộc vào điều kiện trợt tốc độ http://www.ebook.edu.vn 19 Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN thấp, hạt mòn chủ yếu -Fe2O3, tốc độ trung bình chủ yếu Fe3O4, tốc độ cao FeO Ôxy phân tử nguyên tố khác hấp thụ bề mặt kim loại ceramics tạo nên liên kết hoá học mạnh với bề mặt Sự khuyếch tán nguyên tố có hoạt tính qua lớp bị chậm dần theo thời gian Tốc độ ôxy hoá sắt nhiều kim loại tuân theo quy luËt parab«n h = Ct / Trong đó: h chiều dày lớp màng ôxy hoá, t giá trị tăng trung bình thời gian, C số parabôn Bởi tợng khuyếch tán phụ thuộc vào tác động nhiệt, tốc độ dày lên lớp màng ôxy hoá trình trợt hàm số nhiệt độ tơng tự nh ôxy hoá điều kiện tĩnh K = e (− Q / RT ) K lµ h»ng số parabôn mô tả tốc độ dày lên lớp màng ôxy hoá, A số Arrhenius (kg2/(m4s)) phản ứng ôxy hoá, Q lợng hoạt tính parabôn liên quan đến ôxuýt (KJ/mole), số khí Arrhenius trờng hợp trợt Hằng số gấp khoảng vài lần số điều kiện tĩnh Điều có nghĩa tốc độ ôxy hoá điều kiện trợt xảy nhanh điều kiện tĩnh nhiều tốc độ khuyếch tán sắt qua lớp màng ôxy hoá tăng 3.1.2 ảnh hởng điều kiện vận hành Hình 2.18 Bản đồ vùng mòn đầu thép trợt khô đĩa thép (pin on disk) không khí nhiệt độ phòng Bản đồ mòn loại trừ ảnh hởng môi trờng đến chế mòn Không có chế mòn đơn xảy dải rộng điều kiện vận hành, thực tế tồn vài chế mòn mà vai trò chúng mòn thay ®ỉi ®iỊu kiƯn vËn hµnh thay ®ỉi Sù chun tiếp chế mòn gây nên thay đổi tốc độ mòn, điều thờng xảy tải trọng tốc độ trợt thay http://www.ebook.edu.vn 20 ... từ 1 0-6 đến 1 0-1 Tốc độ mòn cào xớc thờng lớn gấp khoảng 2 -3 lần so với mòn dính Phơng trình mòn cào xớc hai vật thể trờng hợp mòn http://www.ebook.edu.vn Ma sát mòn phần TS Phan Quang Thế - Bộ... Platin trợt bạc Độ cøng Vickers (kg/mm2) 20 38 43 95 138 158 HÖ sè mßn k (x 1 0-4 ) 57 530 40 110 130 150 217 20 95 138 95 43 70 0 ,3 5 1,7 0 ,3 Bảng 2.1 Hệ số mòn vật liệu mềm cho cặp kim loại kim lọai... đầu ảnh hởng đáng kể đến tốc độ mòn bề mặt trình chạy rà khoảng thời gian chạy rà Một cặp đôi ma sát loại thép cho ma sát mòn cao cặp kim loại khác cho ma sát mòn trung bình trờng hợp có bôi