Sự tạo thành bề mặt mòn là kết quả tổng hợp của nhiều tác nhân cơ bản, nhƣng khác nhau về cƣờng độ và hình thức của các biến đổi về tính năng cơ lý hóa của vật liệu dƣới tác động của yếu tố bên ngoài (môi trƣờng, áp suất, nhiệt độ, dạng ma sát, tốc độ dịch chuyển tƣơng đối…). Trong quá trình ma sát, tập hợp các dạng trên sẽ xác định dạng mòn. Sự đa dạng của vật liệu và điều kiện làm việc quyết định tính năng đa dạng của quá trình mòn cặp ma sát.
Nguyên lý do B.I Costetxki đƣa ra, về quá trình chủ yếu và quá trình kèm theo của hiện tƣợng mòn, có ý nghĩa quyết định trong cách phân loại. Theo nguyên lý đó, dạng mòn chủ yếu là quá trình áp đảo trong tổng thể các quá trình xảy ra. Dạng mòn có thể xác định gần đúng bằng dấu hiệu bên ngoài nhƣ dạng bề mặt ma sát. Để có thể nhận định đầy đủ cần có sự phân tích thành phần và tính chất cơ lý của bề mặt mỏng.
Những dạng hƣ hỏng bề mặt ma sát không thuộc khái niệm mòn theo nghĩa thông thƣờng nhƣ trong thực tế cũng nên xem xét những dạng hƣ hỏng này cùng với mòn.
a) Mài mòn
Là một quá trình khi có môi trƣờng hạt mài trong vùng ma sát. Có hai dạng mài mòn đó là mài mòn cơ hóa và mài mòn cơ học: - Mài mòn cơ hóa xảy ra khi
- Mài mòn cơ học xảy ra khi ( hƣ hỏng không cho phép) Trong đó: Hk là độ cứng của kim loại.
Hm là độ cứng của hạt mài.
Mòn hạt mài xảy ra với các thiết bị và máy móc hoạt động trong nghành nông nghiệp, xây dựng, giao thông… Chúng còn xuất hiện trong những cặp lắp ghép chịu ma sát của nhiều loại thiết bị cơ khí, thủy lực khí nén, do có các hạt mài cứng lọt vào vùng ma sát theo không khí, dầu bôi trơn, nhiên liệu hoặc khi gia công tinh lần cuối bằng hạt mài. Trong nhiều trƣờng hợp mài mòn còn do chính các phần tử mòn cũng đƣợc hình thành trong quá trình ma sát. Những cấu trúc cứng của các bề mặt ma sát phức hợp cũng có tác dụng gây mòn hạt mài.
Dạng và cơ chế phá hủy đƣợc xác định do tƣơng tác của bề mặt ma sát đối với môi trƣờng hạt mài, thực chất là trƣợt của các hạt mài cũng gây biến dạng dẻo kim loại, thâm nhập vào nhau ở những chỗ tiếp xúc, phá hủy thể tích bề mặt không phân tách phân tử mòn hoặc tạo phôi té vi.
Có hai dạng biểu hiện rõ rệt quá trình mài mòn dựa trên đặc tính tƣơng tác giữa hạt mài với bề mặt kim loại.
Dạng thứ nhất là phá hủy cơ hóa là chủ yếu: biến dạng dẻo của thể tích bề mặt, sự oxy hóa của chúng và sự phá hủy lớp màng vừa hình thành.
Dạng thứ hai là phá hủy cơ học các lớp kim loại bề mặt chiếm ƣu thế, thâm nhập của các dạng hạt mài, phá hủy các thể tích kim loại bề mặt không tách hạt kim loại gốc hoặc có tạo phoi tế vi. Dạng này thuộc các quá trình hƣ hỏng không cho phép xảy ra khi có ma sát.
b) Mòn ôxy hóa
bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo do ôxy không khí hay của dầu bôi trơn hấp thụ trên bề mặt. Mòn ôxy hóa thể hiện ở sự hình thành các lớp màng hấp thụ hóa học, của các hợp chất hóa học giữa kim loại với ôxy và sự bong tách của lớp màng ấy ra khỏi bề mặt ma sát. Mòn ôxy hóa là quá trình ổn định tính cân bằn động giữa phá hủy và phục hồi các lớp màng ôxit, đặc trƣng cho điều kiện sử dụng bình thƣờng của cặp ma sát.
c) Tróc
Là quá trình phá hủy không cho phép bề mặt ma sát do kết quả hình thành mối liên kết kim loại cục bộ, biến dạng và phá hủy các liên kết ấy, kèm theo sự bong tách các hạt kim loại hay bám dính các hạt ấy lên bề mặt tiếp xúc.
Tróc xuất hiện khi ma sát trƣợt với vận tốc dịch chuyển tƣơng đối nhỏ và áp suất trƣợt quá giới hạn chảy trên những đoạn tiếp xúc thực, đặc biệt khi không có lớp dầu bôi trơn, lớp màng ôxyt bảo vệ và trong chân không. Có hai loại tróc sau đây:
- Tróc loại 1:
Các liên kết kim loại tạo ra trong tróc loại 1 khi các thể tích kim loại bề mặt bị biến dạng mạnh là do tính dẻo không nhiệt của vật liệu. Khi đó biến dạng dẻo gây nén thay đổi trạng thái bề mặt, phá hủy các màng ôxyt và các lớp màng dầu bôi trơn hấp thụ, làm cho trên bề mặt tiếp xúc ma sát lộ ra nhƣng đoạn bề mặt kim loại thuần khiết.
Bản chất của tróc loại 1 là sự dịch gần của các đoạn thuần khiết đến khoảng cách tƣơng tác của lực liên kết nguyên tử, xảy ra quá trình khuyếch tán giữa kim loại tiếp xúc nhau và tạo thành mối liên kết kim loại, cản trở chuyển động tƣơng đối của bề mặt ma sát, nên cuối cùng nó bị phá hủy để bảo toàn chuyển động.
Tróc loại 1 phụ thuộc rất nhiều vào tính chất cơ học và tính chất vật lý của nhiên liệu, vào giới hạn bền, giới hạn chảy, kiểu mạng tinh thể, khả năng hòa tan và cấu trúc điện tử…
Tróc loại 1 là một trong những dạng hỏng nguy hiểm nhất, không đƣợc phép xảy ra đối với một cặp ma sát làm việc bình thƣờng, theo hình 2.4.
Hình 2.4 Mô hình cấu trúccủa lớp bềmặt khi tróc loại 1
- Tróc loại 2 (tróc nhiệt):
Là quá trình hƣ hỏng không đƣợc phép của bề mặt ma sát với sự xuất hiện các liên kết các liên kết kim loại cục bộ do bị nung nóng, làm mềm, biến dạng và tiếp xúc của bề mặt sạch tạo nên. Tróc nhiệt phụ thuộc vào tính ổn định nhiệt, độ cứng nhiệt, nhiệt dung, tính dẫn nhiệt của cặp vật liêu ma sát. Tróc nhiệt là hiện tƣợng khá nguy hiểm và khá phổ biến.
Tốc độ hình thành các mối liên kết kim loại vƣợt quá tốc độ của các quá trình khác và chiếm ƣu thế. Do xuất hiện một nhiệt lƣợng vƣợt quá giới hạn cho phép đối với loại vật liệu đã cho, gây nên biến dạng vật liệu, làm lộ ra các đoạn bề mặt kim loại thuần khiết cùng với sự dịch sát của hai bề mặt tiếp xúc ma sát đến khoảng cách vào khoảng bán kính giữa các nguyên tử. Mô hình cấu trúc của tróc loại 2 theo hình 2.5.
Hình 2.5 Mô hình cấutrúc của cáclớp bềmặt khibị tróc loại 2
Tróc loại 2 thƣờng xuất hiện khi ma sát trƣợt với vận tốc dịch chuyển tƣơng đối lớn và áp suất riêng lớn, tạo ra gradian lớn, tăng nhiệt độ cao trong lớp kim loại chịu ma sát và trạng thái dẻo nhiệt của nó. Trạng thái này khử bền kim loại, làm mềm lớp bề mặt. Tróc loại 2 có thể xuất hiện trong quá trinh ma sát khô hoặc bôi trơn giới hạn, giữa kim loại có cơ tính khác nhau.
Trên thực tế sử dụng thì tróc loại 2 thƣờng xuất hiện nhiều nhất ở những cặp ma sát làm việc trong điều kiện bôi trơn giới hạn ổn định, nên điều kiện này bị phá hủy khi ngƣng cung cấp chất bôi trơn thích hợp.
- Mòn do mỏi:
Là do quá trình hƣ hỏng do mỏi xuất hiện ở nhƣng chi tiết chịu ma sát lăn và kết quả của sự phá hoại mãnh liệt các lớp kim loại bề mặt trong điều kiện đặc biệt của trạng thái ứng suất.
Đặc tính chủ yếu và sự phát triển chủ yếu của hƣ hỏng đƣợc xác định bởi các quá trình biến dạng dẻo lặp đi lặp lại, bởi sự tăng bền và giảm bền của các lớp bề mặt kim loại, bởi sự phát sinh các ứng suất dƣ và bởi hiện tƣợng mỏi đặc biệt.
Sự phá hủy bề mặt khi hƣ hỏng mỏi đƣợc đặc trƣng bởi sự xuất hiện các vết nứt tế vi, vết lõm trên vật thể.
Mòn do mỏi tồn tại trong quá trình ma sát của các kim loại rắn và các kim loại mềm có độ dẻo cao có đặc điểm riêng biệt.
phối, cạp con lăn đĩa đệm, cặp ma sát lăn trƣợt.
Mô hình cấu trúc của các lớp bề mặt ma sát bị phá hủy do mỏi đƣợc biểu diễn trên hình 2.6.
Hình 2.6. Mô hình cấu trúc lớp bề mặt ma sát bị phá hủy do mỏi.
- Mòn fretting:
Đặc trƣng cho phá hủy bề mặt ma sát, xuất hiện khi có ôxy hóa với cƣờng độ cao hoặc tróc với chuyển vị nhỏ của bề mặt lắp ghép. Quá trình fretting xuất hiện khi có ma sát trƣợt với những chuyển động tịnh tiến khứ hồi rất nhỏ và khi có tác dụng của tải trọng động.
Dạng phá hủy bề mặt do mòn fretting xuất hiện trên nhiều loại vật liệu khác nhau, nó có thể xuất hiện ngay cả khi ma sát khô và ngay cả trong điều kiện có bôi trơn.
Mòn fretting là một trong những dạng hỏng nguy hiểm nhất hay xuất hiện ở các dạng chi tiết máy chịu tải trọng động, rung động, theo hình 2.7.
Hình 2.7 Mô hình cấu trúc của các lớp bề mặt khi mòn Fretting (a): tróc;b):oxy hoá động)
Quá trình fretting xuất hiện ở nhũng bộ phận và những cặp lắp ghép rất khác nhau, ngay cả khi trong nhƣng bộ phận và cặp lắp ghép không làm việc.
- Mòn ép lún là biến dạng thể tích vĩ mô của kim loại gắn liền với sự thay đổi hình dáng cục bộ với các tải trọng lớn hơn giới hạn chảy.
Biến dạng ép lún kích thƣớc của chi tiết và của máy bi thay đổi nhƣng khối lƣợng vẫn giữ nguyên.
Hiện tƣợng ép lún có thể xuất hiện trong quá trình ma sát và cũng có thể xuất hiện do sự di truyền các ứng lực không liên quan đén trƣợt hay lăn của các bề mặt.