I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LĂN MIẾT
I.1.1 Sai lệch điểm
Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo 3 chiều không gian. Một số sai lệch điểm điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất
Hình 2-1: Sai lệch trong mạng tinh thể a. Nút trống Frenkel. b. Nút trống Schottky
a) b) e)
c,d. Nguyên tử xen kẽ và thay thế.
e,f. Sai lệch điểm Schottky và Frenkel trong mạng ion.
I.1.2. Sai lệch đường-Lệch
Sai lệch đường, thường gọi là lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo 2 chiều và rất lớn theo chiều thứ ba trong tinh thể.
Lý thuyết đường lệch là cơ sở lý thuyết độ bền. Dựa vào lý thuyết này, có thể giải thích nhiều vấn đề cơ tính của kim loại và hợp kim.
Lệch đường gồm 3 loại cơ bản là:
Lệch biên: Có thể hình dung lệch biên được tạo thành bằng cách trượt ép mô tả hình dưới đây như sau: Cắt tinh thể theo mạt phẳng P, ép phần phía trên mặt phẳng P sao cho phía phải dịch đi một đoạn bằng hằng số mạng, phía trái vẫn giữ nguyên vị trí cũ.
Hình2-2 : Mô hình tạo lệch trên mạng tinh thể.
Lệch xoắn: Có thể hình dung bằng mô hình trượt ép (hình vẽ dưới). Cắt tinh thể lý tưởng theo một nửa mặt phẳng ABCD (hình 2-3a). Xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau sao cho các nguyên tử mặt ngoài xê dịch một đoạn bằng hằng số mạng theo đường CD.
a) b)
Hình 2-3: Mô hình tạo lệch xoắn (a) và sự sắp xếp xung quanh đường lệch (b)
Lệch hỗn hợp: Là lệch bao gồm cả lệch biên và lệch xoắn
I.1.3 Sai lệch mặt
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo 2 chiều và nhỏ theo chiều thứ ba. Trong tinh thể, sai lệch mặt chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể.
a) b) c)
Hình2-4: Mô hình sắp xếp nguyên tử trong biên giới hạt (a), Mô hình biên giới hạt mang hai chiều tạo nên những viên bi ( b) và ảnh tế vi của biên giới hạt của vật liệu đa tinh thể (c).
I.1.4 Sai lệch khối
Những sai lệch có kích thước lớn theo 3 chiều trong mạng tinh thể gọi là sai lệch khối. Từ khía cạnh “vi mô”, có thể kể các sai lệch khối như là các pha thứ
hai tồn tại trên nền hợp kim. Đây là những sai lệch cố ý được tạo ra với mục đích nâng cao độ bền, cải thiện tính chất theo ý muốn. Tuỳ thuộc vào cấu trúc, hình thái tồn tại kích thước (hình 2-4) mà hiệu quả hoá bền của pha thứ hai này sẽ khác nhau.
a) b) c)
Hình 2-5: Sai lệch khối do pha thứ hai: Liền mạng (a), bán liền mạng (b) và không liền mạng (c).
I.2 Biến dạng dẻo và hoá bền biến dạng.
Biến dạng dẻo là biến dạng dư, bắt đầu khi ngoại lực đạt tới giá trị giới hạn- giới hạn chảy C (lúc định luật Húc mất hiệu lực) và không mất đi khi bỏ tải. Biến dạng dư có được do sự dịch chuyển nguyên tử, nhờ phá vỡ các liên kết ban đầu rồi lập lại các liên kết với các lân cận mới, để khi bỏ tải nguyên tử không trở về vị trí xuất phát mà cấu trúc vật liệu vẫn được bảo toàn.
Hình 2-6: Đường cong ứng suất- biến dạngOa. Biến dạng đàn hồi (e-Giới hạn đàn hồi, giới hạn tỉ lệ); ab. Biến dạng dẻo đồng đều (C-Giới hạn chảy, 0,2-
a b c 0 Biến dạng Ứng suất b e 2 , 0 , c
Giới hạn chảy qui ước, b-Giới hạn bền kéo); bc. Biến dạng dẻo cục bộ và phá hủy ( - Biến dạng dư sau phá hủy).
Hoá bền biến dạng là hiện tượng một vật liệu bị biến dạng dẻo trở nên cứng và bền hơn, thường được dùng để cải thiện cơ tính của vật liệu và có thể khử bỏ nhờ nhiệt luyện thích hợp (giai đoạn ab)
Có thể giải thích chi tiết về hiện tượng hoá bền biến dạng dựa trên đường cong biến dạng của đơn tinh thể, mô tả mối quan hệ giữa ứng suất trượt và độ xê dịch (hình vẽ)
Hình 2-7: Đường cong biến dạng đơn tinh thể với a. Mạng lập phương tâm mặt
b. Mạng sáu phương xếp chặt c. Mạng lập phương tâm khối d. Hiện tượng “răng chảy”
Biến dạng dẻo của đơn tinh thể nói chung gồm 3 giai đoạn, với đặc điểm hoá bền khác nhau như trên (hình vẽ)
Giai đoạn 1: Hoá bền tuyến tính với tốc độ nhỏ Giai đoạn 2: Hoá bền tuyến tính với tốc độ lớn. Giai đoạn 3: Hoá bền parabol.
Trong giai đoạn 1, khi ứng suất vượt quá giá trị giới hạn, các lệch mạng từ nguồn chuyển động khắp mặt trượt sơ cấp cho đến khi gặp mặt trượt tự do. Trường hợp không bị cản trở tương ứng với đoạn thẳng nằm ngang. Khi có cản trở (ví dụ tương tác giữa các lệch trượt) đoạn thẳng sẽ dốc với độ nghiêng nhỏ (d/d 104G ) do cần bổ xung thêm ứng suất để lệch tiếp tục trượt được, đó là
a) 1 2 3 1 2 3 3 b) c) d)
hoá bền biến dạng. Do hóa bền nhỏ và trượt chủ yếu trên mặt sơ cấp nên giai đoạn 1 gọi là giai đoạn trượt đơn giản. Lệch tự do và uốn khúc đa dạng là hình thái chủ yếu của cấu trúc lệch.
Giai đoạn 2 được gọi là trượt phức tạp, bắt đầu ở ứng suất đủ cao, khi các hệ trượt thứ cấp có thể hoạt động. Tương tác các lệch thuộc hệ sơ cấp và thứ cấp sẽ tạo ra vô số các cản trở lệch. Vì thế cần phải tiếp tục tăng ứng suất để nguồn hoạt động tạo biến dạng, làm cho hoá bền biến dạng tăng gấp hàng chục lần so với giai đoạn 1. Tương tác giữa hai hệ trượt tạo ra cấu trúc lệch kiểu ô lưới 3 chiều rất không đồng nhất ở giai đoạn này, mà tường ngăn các ô là những búi lệch với mật độ rất cao.
Ở giai đoạn 3, hóa bền biến dạng vẫn tiếp tục nhưng với tốc độ giảm hơn do quá trình thải bền, đồng thời xảy ra khi các lệch trái dấu gặp nhau và hủy lẫn nhau hoặc khi lệch mạng vượt các cản trở (chủ yếu là nhờ trượt ngang) làm cho chướng ngại trở thành đoạn lưới vuông gó với mặt trượt. Trong khi đó các lệch cùng dấu sắp xếp lại trật tự, làm cho các phần tinh thể kề nhau bị quay hoặc nghiêng với nhau. Các quá trình đã làm cho cấu trúc ô lệch hoàn thiện hơn. Tường ngăn ô có thể giảm mật độ lệch và trật tự hơn, trong khi bền trong ô thì nghèo lệch. Trượt ngang xảy ra nếu một phần của lệch tách đã được hợp nhất thành đoạn lệch hoàn chỉnh, quá trình này cần có năng lượng khuyết tât xếp cao. Sự thải bền đó được gọi là phục hồi động học, dẫn đến quan hệ phi tuyến và giai đoạn 3 có tên là hoá bền parabol.
Đối với đa tinh thể thì hiện tượng hoá bền biến dạng lớn gấp hàng chục lần đơn tinh thể. Sở dĩ như vây vì trong đa tinh thể các hạt có định hướng khác nhau và biên giới của chúng cản trở chuyển động lệch mạng. Sự khác nhau về định hướng thể hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong một số ít hạt có định hướng thể hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong một số ít hạt có định hướng thuận lợi (dẻo vi mô). Để lệch có thể trượt được trong toàn bộ đa tinh thể mà vẫn bảo đảm tính liên tục cần phải có ít nhất 5 hệ trượt độc lập hoạt động. Vì vậy ngay từ đầu trượt phức tạp đã xảy ra trong đa tinh thể với ứng suất cao hơn nhiều so với trượt đơn
giản trong đơn tinh thể cùng loại mạng. Biên giới hạt chính là nơi mà các lệch trượt bị dừng lại, tạo thành một tập hợp với số lượng lệch đáng kể, tạo ra một trường ứng suất bổ sung cùng với ngoại lực đủ để kích thích nguồn tạo lệch trong các hạt lân cận hoạt động. Cứ như vậy quá trình biến dạng dẻo được thực hiện từ hạt này sang hạt khác.
Tiếp tục khảo sát đường cong ứng suất- biến dạng của vật liệu. Giai đoạn bc được gọi là giai đoạn biến dạng dẻo cục bộ và phá hủy. Phá hủy là sự tách đứt vật thể do liên kết nguyên tử (ion, phân tử) bị phá vỡ, xảy ra khi ứng suất đạt giá trị giới hạn bền kéo b. Phá hủy dẻo xảy ra khi b<e, tức sau khi vật liệu đã bị biến dạng dẻo nhiều ( >>1%) như một số kim loại. Các dạng phá hủy khác đều trải qua 2 giai đoạn: tạo vết nứt và phát triển vết nứt.
Như vậy, toàn bộ cơ sở lý thuyết sai lệch mạng tinh thể cũng như lý thuyết biến dạng và hoá bền biến dạng cho phép ta tìm ra mối quan hệ định tính giữa các thông số động lực học (ngoại lực tác dụng và giới hạn của ngoại lực tác dụng đến độ bền bề mặt chi tiết, tốc độ quay chi tiết…). Mặt khác có thể tìm ra được hướng chuyển động lệch phù hợp khi tiến hành gia công bề mặt chi tiết bằng biến dạng dẻo, phương pháp khuếch tán các nguyên tử khác vào vật liệu kim loại.
I.3 Các tính chất năng lượng bề mặt vật rắn.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến ma sát là bề mặt vật rắn. Có thể khảo sát sơ bộ các tính chất cơ bản của bề mặt vật rắn.
I.3.1 Các dạng bề mặt của vật rắn.
Người ta phân loại các dạng bề mặt dựa trên các thang về kích cỡ. Cỡ phân tử.
Cỡ vi mô Cỡ vĩ mô.
Khi phân loại các bề mặt ở tầm cỡ phân tử, ta có các liên kết bề mặt với các dạng sau đây:
Các bề mặt vật rắn có liên kết nguyên tử, không có sự tập trung các điện tử, không xuất hiện trường điện tử ở các lớp mặt, bề mặt các chi tiết không có hoạt tính.
Các bề mặt vật rắn có liên kết phân tử, loại này xuất hiện sự tâp trung điện tử tại các khu vực, nếu như vật thể được cấu trúc bởi các phân tử phân cực trên bề mặt sẽ có hiện tượng tập trung điện tích, nhưng ở cường độ yếu.
Bề mặt có liên kết ion, các loại bề mặt sẽ có sự tập trung điện tích và xuất hiện các hiện tượng, tác dụng của các điện trường này vượt ra khỏi cả bề mặt làm cho các bề mặt có đặc tính đặc biệt- Thường gọi là hiện tượng bề mặt.
Các bề mặt vật rắn có liên kết kim loại sẽ có hiện tượng điện tích tập trung từng khu vực nhỏ và xuất hiện các tiểu điện trường.
Ngoài các phân loại dựa trên thang phân tử, chúng ta còn có các dạng phân loại:
Cỡ vi mô, mà sự khác nhau của nó dựa trên cơ sở khuyết tật về cấu trúc ở lớp bề mặt.
Cỡ vĩ mô, dựa trên biến dạng, trạng thái bề mặt, đặc tính và ứng suất. Năng lượng và hoạt tính của lớp bề mặt phụ thuộc vào các nhân tố sau:
- Chế độ công nghệ quá khứ. - Các yếu tố vận hành. - Các yếu tố của môi trường.
Hình 2-8: Dạng cấu trúc bề mặt vật rắn. a. Bề mặt có liên kết nguyên tử.
b. Bề mặt có liên kết giữa các nguyên tử c. Bề mặt có liên kết ion
d. Bề mặt vật rắn kim loại
I.3.2 Tính chất bề mặt của vật rắn.
Bề mặt của vật rắn có cấu trúc tinh thể khác cơ bản bề mặt của chất lỏng, ở chỗ các nguyên tử hoặc phân tử của nó rất hạn chế về sự vận động tự do. Trong các vật rắn không có khả năng vận động của các phân tử bề mặt, chúng bị ràng buộc trong các lưới tinh thể, không có thể vận động tự do. Khi nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến sự tăng khả năng linh hoạt của các phân tử hoặc nguyên tử bề mặt, dẫn đến có sụ khuếch tán của các phân tử này vào bên trong vật thể cũng như làm bay hơi một số nguyên tử hoặc phân tử.
Đến nhiệt độ nào đó có sự chuyển động của các nguyên tử dẫn đến xu hướng làm cân bằng năng lượng ở các vùng mà ở đó giá trị của nó đạt trị số đủ lớn, ví dụ như ở vùng có các kết dính tế vi hoặc ở những chỗ có khe nứt nhỏ.
Lớp bề mặt của vật rắn tồn tại trong một trạng thái ứng suất nhất định nào đó do kết quả của sự không cân bằng của lực tác dụng của các nguyên tử bề mặt có xu hướng xô lệch vị trí của chúng trong mạng tinh thể. Biện pháp công nghệ đặc biệt, hoặc các nhân tố ngoại cảnh tác dụng lên bề mặt có thể làm cho trạng thái
ứng suất tăng lên hoặc giảm đi. Tăng ứng suất dẫn đến sự tăng năng lượng bề mặt, có nghĩa làm tăng khả năng hấp phụ.
Bề mặt vật rắn đặc biệt là bề mặt kim loại thường bị nhiều tạp chất phủ lên do kết quả tác dụng giữa bề mặt kim loại với không khí của môi trường. Vì vậy trên bề mặt xuất hiện các lớp liên kết vật lý (hấp thụ oxy, hơi nước…) cùng với các lớp có liên kết hoá học (liên kết hoá học các lớp oxit, hydroxit, sunfat…).
Như vậy, bằng phương pháp thích hợp, có thể tạo ra một bề mặt có năng lượng hoạt tính cao, kèm theo đó là tăng cường khả năng hấp thụ các lớp màng (liên kết hoá học hoặc hấp thụ vật lý), tạo ra các liên kết ma sát thích ứng.
I.4 Bôi trơn giới hạn với chất bôi trơn rắn.
Một số chất rắn có tác dụng bôi trơn khi chúng tạo ra và giữ chế độ ma sát có bôi trơn giới hạn. Màng giới hạn có độ bền ép cao và độ bền cắt nhỏ. Một số chất rắn có thể hấp thụ lên bề mặt chi tiết máy thoả mãn yêu cầu đó. Để hiểu rõ vấn đề này, có thề đi sâu nghiên cứu ma sát giới hạn và sự hấp phụ bề mặt của chất bối trơn rắn.
Ma sát giới hạn tồn tại khi lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát có độ dày rất mỏng (được gọi là lớp giới hạn có độ dày 0,1 m). Khi đó chất bôi trơn rắn sẽ xuất hiện các tính hấp thụ của chất bôi trơn. Nếu phá hủy lớp bôi trơn này sẽ chuyển sang ma sát khô. Độ bền vững của lớp giới hạn cũng xác định chât lượng hoạt hoá của chất bôi trơn trong khu vực tiếp xúc của các chi tiết máy.
Hấp phụ là quá trình diễn ra ở ranh giới các pha, mà ở đo các thành phần của một pha có số lượng ở lớp bề mặt lớn hơn so với trong lòng của pha đó. Nếu như lớp trên mặt giàu các phân tử của một thành phần so với pha bên trong, khi đó diễn ra hấp phụ dương, trong trường hợp ngược lại ta có hấp phụ âm. Trên các bề mặt của vật rắn tồn tại trường lực phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của nó. Với sự cọ sát bề mặt của vật rắn với các phân tử môi trường, do hiệu quả của sự tác dụng tương hỗ, các phân tử chất bôi trơn dính vào bề mặt của vật rắn. Sự không dịch chuyển các phân tử trên bề mặt do lực hút phân tử (lực Vanderval), được gọi là
hấp phụ vật lý, còn có sự liên kết hoá học của các phân tử trên bề mặt vật rắn gọi là hấp phụ hoá học.
Sự hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học được gọi là sự hút bám. Quá trình ngược lại, tức là quá trình giải phóng các phân tử trên bề mặt được gọi là quá trình giải hấp.
Vật rắn trên đó các phân tử của pha rắn (lỏng, khí) bị hấp phụ lên, được gọi là chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ. Nếu chất bị hấp phụ giải hấp phụ khỏi bề mặt của chất hấp phụ bằng chất hoà tan, thì quá trình này được gọi với cái tên là sự tẩy rửa. Chất hòa tan được gọi là chất rửa
Hấp thụ là qua trình động lực có tính chất thuận nghịch, điều đó có nghĩa các phân tử bị hấp phụ được giữ trên bề mặt vật rắn trong một thời gian nhất định.