Thí nghiêm tribology (Ma sát, mài mòn, bôi trơn)

Kiểm chứng sự thay đổi lực ma sát lăn khi vận tốc lăn và tải trọng tác dụng thay đổi. Đánh giá khả năng chịu mài mòn của thép các bon đã tôi trong môi trường không khí, quan sát bề mặt thép các bon sau khi bị mòn do cào xước, tổ tế vi của thép tại vùng tiếp giáp bề mặt và vùng sâu dưới bề mặt. Kiểm chứng sự nhất quán giữa kết quả thực nghiệm với lý thuyết ngành học Tribology.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ******&****** BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MƠN HỌC: MA SÁT, MỊN VÀ BƠI TRƠN TRONG KỸ THUẬT Học viên: Trần Nam Thắng Lớp: Cao học Kỹ thuật Cơ khí K16 Thái Nguyên, 12/2014 I Mục đích thí nghiệm: Kiểm chứng thay đổi lực ma sát lăn vận tốc lăn tải trọng tác dụng thay đổi Đánh giá khả chịu mài mòn thép bon tơi mơi trường khơng khí, quan sát bề mặt thép bon sau bị mòn cào xước, tổ tế vi thép vùng tiếp giáp bề mặt vùng sâu bề mặt Kiểm chứng quán kết thực nghiệm với lý thuyết ngành học Tribology II Cơ sở lý thuyết: Ma sát lăn: xuất chỗ tiếp xúc hai bề mặt có xu hướng lăn tương đối so với Nói chung, lăn thường kèm với trượt, tượng lăn không trượt xảy hai vật thể có tính đàn hồi, có hình dáng hình học biến dạng vùng tiếp xúc bỏ qua Ngun nhân gây nên ma sát lăn mát lượng dính biến dạng Tuy nhiên đó, thành phần ma sát dính chiếm tỷ lệ nhỏ, liên kết dính hình thành, ứng suất kéo xuất trình hai bề mặt tách vùng sau tiếp xúc cắt tiếp xúc trượt Vì vậy, điều kiện lăn khơng trượt, ngun nhân gây nên ma sát lăn mát lượng biến dạng Trong điều kiện thí nghiệm nêu dây, với việc sử dụng cặp đĩa tiếp xúc có: vật liệu chế tạo (C45), chế độ nhiệt luyện, đạt độ cứng 3437 HRC, thơng số hình học (Ф48 x Ф9 x δ7 mm)… nên xem bỏ qua ma sát trượt hai bề mặt tiếp xúc 2.Mòn: tượng phá hủy bề mặt và/hoặc tách vật liệu vùng bề mặt hai bề mặt tiếp xúc chuyển động tương nhau: trượt, lăn, va chạm Cơ chế mòn là: dính, cào xước, mỏi, va chạm, hóa học, tribochemical, fretting Trong đó, mịn cào xước xảy nhấp nhô bề mặt cứng ráp hạt cứng trượt bề mặt mềm phá hủy bề mặt tiếp xúc chung biến dạng dẻo nứt tách Ở điều kiện thí nghiệm đây, tượng mịn khảo sát chế cào xước Vật liệu chịu mài mòn thép bon C45, nhiệt luyện đạt độ cứng 3437 HRC; bị cào xước hạt cứng gắn bề mặt cứng (bánh mài, giấy ráp) Với đặc trưng vật liệu có độ dẻo độ dai va đập cao, bề mặt khảo sát bị mòn biến dạng dẻo Kết chụp SEM bề mặt mòn giúp quan sát rõ chế Có dạng cào xước: - Do bề mặt cứng hai bề mặt (two body) Ví dụ: mài đá mài - Do hạt cứng nằm bề mặt (three body) Ví dụ: đánh bóng 1.2.1 Mịn cào xước biến dạng dẻo: Thơng qua chế độ: plowing (a) (tạo rãnh), wedge(b) (đùn vật liệu), cắt(c) (cutting) 1.2.2 Mòn cào xước nứt tách: Cơ chế áp dụng với vật liệu dòn theo nguyên lý thép Vật liệu dòn vật liệu không chịu biến dạng dẻo trước bị phá hủy Sơ đồ chế mòn gây hạt cứng sắc trượt mặt phẳng vật liệu dịn thớngang (1ateral-fractture) III Thí nghiệm: 3.2 Thiết bị thí nghiệm: 3.2.1 Thí nghiệm ma sát lăn: Tên thiết bị: GUNT TM 260.01 Servo Hộp điều khiển Trục gá mẫu thử Tải trọng Động Servo: có khả điều chỉnh tốc độ quay theo mong muốn Tải trọng điều chỉnh mức: kg; 10 kg; 20 kg 40 kg 3.2.2 Kiểm tra độ mài mòn: Sử dụng thiết bị kiểm tra độ mài mịn bàn quay Taber 5135 ABASER – hình bên (trên thực tế, thiết bị dùng để thí nghiệm có: 01 kẹp mẫu, cánh tay mài, phận lắp đá mài tải trọng phụ) 3.2.3 Khảo sát tổ chức tế vi bề mặt kim loại: - Thiết bị chụp SEM bề mặt - Kính hiển vi quang học 3.3.Phương pháp thí nghiệm: 3.3.1 Thí nghiệm ma sát lăn: a Chuẩn bị mẫu: Mẫu thí nghiệm: hình vành khăn; đường kính ngồi Ф48 mm; đường kính Ф9 mm; chiều dày δ7 mm - Vật liệu chế tạo: thép C45 - Nhiệt luyện đạt độ cứng: 34 37 HRC - Số lượng: 02 mẫu b Phương pháp tiến hành: Có thí nghiệm thực hiện: cho cặp vật liệu C45-C45 C45-Y8; môi trường khơng khí mơi trường có dầu bơi trơn Ở thí nghiệm: thực số vòng quay mẫu 10, 50, 100, 200 vòng/phút; với mức tải trọng kg; 10 kg; 20 kg 40 kg Giá trị lực ma sát tổng hợp dạng bảng, minh họa đồ thị, thể thay đổi lực ma sát theo tốc độ vòng quay tải trọng Từ tính hệ số ma sát μ cách chia lực ma sát đo cho tải trọng pháp tuyến 3.3.2 Thí nghiệm mài mịn: a Chuẩn bị mẫu: - Mẫu thí nghiệm: dạng đĩa; đường kính bao Ф86 mm; chiều dày δ5 mm + Vật liệu chế tạo: thép C45 + Nhiệt luyện đạt độ cứng: 34…37 HRC + Số lượng: 01 mẫu - Đá mài: thay việc sử dụng đá mài tiêu chuẩn kèm theo máy cách chế tạo bánh mài: + Vành bánh mài đĩa kim loại, đường kính ngồi, chiều dày là: Ф70, Ф16, δ13 mm + Hạt mài: dùng giấy ráp cỡ P180, gắn xung quanh vành bánh mài b Phương pháp tiến hành: - Cân khối lượng mẫu trước sau mài mòn cân tiêu li, ghi nhận kết đến 10-3 gam Chế độ mài mòn: tốc độ quay mẫu 72 vòng/phút; thời gian mài mòn 20 phút - Sử dụng phương pháp suy giảm khối lượng để xác định khối lượng mòn (mất mát) vật mẫu: Wt = A - B (mg) Trong đó: A : khối lượng vật mẫu trước mài mòn B : khối lượng vật mẫu sau mài mòn - Kết hợp với khảo sát số liệu thành viên nhóm thí nghiệm (10 mẫu) để đánh giá mức ảnh hưởng độ cứng bề mặt đến khả mòn vật liệu 3.4 Thí nghiệm khảo sát bề mặt mịn cào xước: a Chuẩn bị mẫu: Sau mài mòn bề mặt mẫu (mục b), tiến hành cắt mẫu theo hình vẽ Diện tích mẫu nằm trọn vùng bề mặt bị cào xước mài mòn b Phương pháp tiến hành: Dùng khăn mềm lau bề mặt bị cào Mẫu chụp tế vi xước; chụp ảnh, quan sát tổ chức tế vi bề mặt máy chụp SEM Đánh bóng, tẩm thực tiết diện bề mặt cắt mẫu; chụp ảnh kính hiển vi quang học vùng tiếp giáp bề mặt vùng sâu bề mặt 3.5 Thí nghiệm đo độ mịn: 3.5.1 Đo độ cứng thép bon C45 Lần Lần Giá trị đo (HRC) 35,6 35,2 3.5.1 Đo mòn - Vận tốc = 72v/ph, thời gian 20 phút - Giấy giáp P180 Lần Độ cứng trung bình 35,9 35,56 Tên mẫu 10 Trọng lượng trước mòn 222.063 227.107 227.273 227.112 227.638 Thép C45 Trọng lượng Lượng sau mòn mòn 222.040 0.023 227.050 0.057 227.200 0.073 227.015 0.097 227.520 0.118 Trọng lượng trước mòn Độ cứng (HRC) Thép Y Trọng lượng Lượng sau mòn mòn Độ cứng (HRC) 36.46 35.56 35.46 34.43 34.36 202.752 202.14 202.436 202.83 202.402 202.66 202.084 202.385 202.79 202.38 0.092 0.056 0.051 0.04 0.022 35.97 36.6 36.83 37.27 38.2 Ta có biểu đồ quan hệ độ cứng với lượng mòn thép cacsbon C45 Do cung Thep C45 37.00 36.50 36.00 35.50 35.00 34.50 34.00 33.50 33.00 0.000 f(x) = - 23.38x + 36.97 R² = 0.95 c45 Linear (c45) 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 Luong mon Ta có biểu đồ quan hệ lượng mòn độ cứng thép Y Do cung Thep Y 38.5 38 37.5 37 36.5 36 35.5 35 34.5 0.01 f(x) = - 30.76x + 38.58 R² = 0.91 Linear () 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Luong mon Kết luận: Qua sánh loại thép rút kết luận : biểu đồ hình ta thấy lượng mịn tăng độ cứng thấp ngược lại So sánh với thép Y lượng mòn thép bon C45 cao lượng mịn thép Y 3.6 Thí nghiệm ma sát: 3.6.1 Xác định lực ma sát đĩa vật liệu thép C45, môi trường khô Tải (N) Tốc độ (v/p) 10 50 100 200 1,2 1,3 1,9 10 1,9 2,1 2,1 2,5 20 2,9 4,2 5,3 6,1 40 7,2 7,6 8,1 Ta có đồ thị mối quan hệ lực ma sát tốc độ vịng quay sau: (tính tốn Excell) 9.00 8.00 7.00 Luc ma sat 6.00 5.00 5N 10 N 20 N 40 N 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 Toc vong quay Ta có đồ thị mối quan hệ giữ lực ma sát tải sau: (tính tốn Excell) 9.00 8.00 7.00 Luc ma sat 6.00 5.00 10 v/p 50 v/p 100 v/p 200 v/p 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 10 15 20 25 30 35 40 45 Tai t rong Nhận xét: - Đối với đĩa vật liệu thép C45, thí nghiệm môi trường khô, tốc độ quay số, tải trọng tăng lực ma sát tăng theo - Ở tốc độ thấp (10; 50 v/p) hay tốc độ cao (100; 200 v/p) tải trọng tăng làm tăng lực ma sát 3.6.2 Xác định lực ma sát đĩa vật liệu thép C45, môi trường dầu: Tải trọng (N) Vận tốc(V/p) 2,1 1,6 0,9 0,9 10 50 100 200 10 2,6 1,6 1,3 1,3 20 6,1 2,3 2,3 2,2 30 9,1 5,3 3,7 3,5 (dầu Catrol Honda SJSAE40) Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc độ quay: 10 Luc ma sat 5N 10 N 20 N 30 N 0 50 100 150 200 250 Toc vong quay Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tải trọng: 10 Luc ma sat 10 v/p 50 v/p 100 v/p 200 v/p 0 10 15 20 25 30 35 Tai t rong Nhận xét: - Đối với đĩa vật liệu thép C45, thí nghiệm mơi trường dầu, tốc độ quay số, tải trọng tăng tăng lực ma sát tăng theo - Trong mơi trường dầu lực ma sát nhỏ môi trường khô 3.6.3 Xác định lực ma sát đĩa khác vật liệu (thép Y thép C45), môi trường khô: Tải trọng (N) Vận tốc(V/p) 10 50 100 200 10 20 30 1,1 0,7 1,05 0,6 2,8 2,1 1,6 1,5 5,3 4,3 3,3 3,2 7,3 5,9 5,5 Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc độ quay: Luc ma sat 5N 10 N 20 N 30 N 0 50 100 150 200 250 Toc vong quay Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc tải trọng: Luc ma sat 10 v/p 50 v/p 100 v/p 200 v/p 0 10 15 20 25 30 35 Tai t rong Nhận xét: - Đối với đĩa vật liệu thép Y C45, thí nghiệm mơi trường khơ, tốc độ quay số, tải trọng tăng lực ma sát tăng theo - mẫu khác vật liệu (Y C45) có lực ma sát lớn hớn so với mẫu vật liệu (C C) mơi trường khơ 3.7 Thí nghiêm chụp SEM: 3.7.1 Nội dung thí nghiệm: - Chụp bề mặt mài mịn mẫu (mẫu lấy từ thí nghiệm 2) thiết bị SEM để quan sát vết xước bề mặt thấy Profile nhấp nhô bề mặt - Cắt mẫu lấy mặt phẳng vuông gốc với bề mặt mài mòn, tiến hành mài mẫu tẩm thực: + Sử dụng Kính hiển vi quang học để quan sát bề mặt mài nhẵn bóng tổ chức kim tương vật liệu + Sử dụng máy SEM để quan sát vùng biên thấy lớp ảnh hưởng bề mặt mẫu bị mài mòn 3.7.2 Kết thí nghiệm: - Tiến hành cắt mẫu thí nghiệm mài mịn đưa lên máy SEM để quan sát hình ảnh bề mặt cho thấy kết sau: - Với độ phóng đại 199 lần quan sát rõ vết xước tạo sau bề mặt mài mịn (xem hình 1) - Và độ phóng đại lớn 827 lần nhìn rõ vết xước chí khuyết tật bề mặt (xem hình 2) Hình 1: Ảnh bề mặt mài mịn chụp máy SEM với độ phóng đại 199x Hình 2: Ảnh bề mặt mài mịn chụp máy SEM với độ phóng đại 827x - Với thiết bị SEM rễ dàng quan sát profile nhấp nhô bề mặt Trên hình thể rõ đỉnh nhấp nhơ khoảng chiều dài Q1 = 89,4µm bề mặt Cắt mẫu lấy mặt phẳng vuông gốc với bề mặt mài mịn, tiến hành mài mẫu, đánh bóng tẩm thực sau đưa lên máy Hiển vi quang học để quan sát hình ảnh tổ chức kim tương cho thấy kết sau: (xem hình 4,5) Thép C45 sau tơi ram trung bình độ cứng 32HRC thu tổ chức Xooc bít hình Ở với độ cứng thép C45 sau tơi ram có độ cứng 32HRC độ cứng trung bình mà Thép C45 đạt thể hình vẽ hạt mầu trắng lớn xen kẽ bề mặt Nếu hạt mầu trắng có kích thước nhỏ phân bố bề mặt độ cứng cao ngược lại - Sau soi tổ chức kim tương đưa mẫu lên máy SEM để quan sát vùng ảnh hưởng vị trí biên sau lớp bề mặt bị mài mịn cho thấy kết sau: (xem hình 6) Hình 3: Ảnh thể biên dạng profile chiều cao chiều sâu vết xước Hình 4: Ảnh bề mặt mẫu sau mài đánh bóng trước tẩm thực Ảnh chụp máy hiển vi quang học Hình 5: Ảnh tổ chức xooc bít thép C45 sau tơi ram có độ cứng 32HRC Ảnh chụp máy hiển vi quang học với độ phóng đại 500 lần với độ phóng đại 500 lần Hình 6: Ảnh máy SEM với độ phóng đại 861x chụp vị trí biên mặt phẳng vng góc với mặt bị mài mịn - Sử dụng cơng cụ máy SEM dễ dàng đo chiều sâu vùng ảnh hưởng D1 = 5,5µm (hình 7) Hình 7: Ảnh chiều sâu lớp ảnh hưởng bề mặt sau mài mòn TÀI LIỆU THAM KHẢO Donald H Buckley, 1981, “Surface effects in Adhesion, Friction, Wear, and Lubrication”, Elsever, Amsterdam - Oxford - New York Nguyễn Đăng Bình, Phan Quang Thế, 2006, “Ma sát, mịn bơi trơn kỹ thuật”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật ... Kiểm tra độ mài mòn: Sử dụng thiết bị kiểm tra độ mài mòn bàn quay Taber 5135 ABASER – hình bên (trên thực tế, thiết bị dùng để thí nghiệm có: 01 kẹp mẫu, cánh tay mài, phận lắp đá mài tải trọng... lượng: 01 mẫu - Đá mài: thay việc sử dụng đá mài tiêu chuẩn kèm theo máy cách chế tạo bánh mài: + Vành bánh mài đĩa kim loại, đường kính ngồi, chiều dày là: Ф70, Ф16, δ13 mm + Hạt mài: dùng giấy... quanh vành bánh mài b Phương pháp tiến hành: - Cân khối lượng mẫu trước sau mài mòn cân tiêu li, ghi nhận kết đến 10-3 gam Chế độ mài mòn: tốc độ quay mẫu 72 vòng/phút; thời gian mài mòn 20 phút