3. MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT
3.2. Mòn kim loại và hợp kim
3.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành
Bản đồ mòn loại trừ ảnh hưởng của môi trường đến các cơ chế mòn.
Không có một cơ chế mòn đơn nào xảy ra trong một dải rộng các điều kiện vận hành, thực tế luôn tồn tại một vài cơ chế mòn mà vai trò của chúng đối với mòn thay đổi khi điều kiện vận hành thay đổi. Sự chuyển tiếp của các cơ chế mòn chính gây nên sự thay đổi về tốc độ mòn, điều này thường xảy ra khi tải trọng và tốc độ trượt thay đổi. Trong một vài
trường hợp sự thay đổi xảy ra theo hàm số của thời gian. Sự thống trị của một cơ chế mòn nào đó tuỳ thuộc sức bền cơ học và mức độ dính ở chỗ tiếp xúc tăng tải trọng pháp tuyến dẫn đến sự phá huỷ cơ học bề mặt do ứng suất tiếp xúc cao. Tăng tải trọng pháp tuyến và vận tốc trượt dẫn đến tăng nhiệt độ trên các lớp bề mặt là nguyên nhân tạo thành các lớp màng hoá học bề mặt (chủ yếu là màng ôxy hoá) đồng thời giảm sức bền cơ học và đôi khi thay đổi cả cấu trúc tế vi bề mặt. Trong điều kiện tích PV lớn, có thể xảy ra hiện tượng chảy cục bộ vùng gần bề mặt.
Hình 3-18: Bản đồ vùng mòn của đầu khô trên đĩa thép (pin on disk) trong không khí ở nhiệt độ trong phòng.
Các vùng mòn cơ học (biến dạng dẻo là chủ yếu) và hoá học (ôxy hoá) cho các cặp vật liệu trượt được vẽ trên một bản đồ mòn đơn (chế độ mòn hay cơ chế mòn) theo áp suất và vận tốc trượt đặc trưng, áp suất đặc trưng là tỷ số giữa áp suất danh nghĩa và độ cứng bề mặt (p/H). Vận tốc trượt đặc trưng là tỷ số giữa vận tốc trượt và vận tốc của dòng nhiệt (1à bán kính của diện tích tiếp xúc danh nghĩa tròn chia cho hệ số thẩm nhiệt) . Hình 3- 18 là bản đồ các vùng mòn của thép trượt trên thép trong không khí của thiết bị đầu trượt trên đĩa (pin-on-disk). Bản đồ này chia
thành các vùng tương ứng với các chế độ mòn khác nhau với các biên là áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt giới hạn. Bên ngoài các giới hạn này mòn do ôxy hoá sẽ chiếm ưu thế ngang với mòn cơ học ở vận tốc thấp.
Từ bản đồ có thể thấy mòn nhẹ và mòn khốc liệt là hai chế độ mòn chính.
Mòn nhẹ tạo nên bề mặt mòn nhẵn còn mòn khốc liệt tạo nên bề mặt ráp với các vết xé sâu và tốc độ mòn cao. Các vùng chuyển tiếp giữa mòn nhẹ và khốc liệt nằm trong một khoảng rộng phụ thuộc vào điều kiện vận hành đó là tải trọng, vận tốc, tải trọng - vận tốc và đôi khi khoảng cách trượt. Mòn nhẹ xảy ra do tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại ở đỉnh các nhấp nhô giảm tới tối thiểu bởi sự hình thành lớp màng ôxy hoá do nhiệt ma sát. Mòn nhẹ xảy ra dưới bốn bộ điều kiện phân biệt sau đây.
Áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt thấp, một lớp màng ôxy hoá có chiều dày khoảng vài nang mét hình thành ngăn tiếp xúc kim loại trực tiếp và không bị phá vỡ do tải nhẹ.
Vận tốc trượt cao hơn, một lớp màng ôxy hoá dày hơn và đòn hơn liên tục tạo ra do nhiệt độ cao. Quá trình ôxy hoá liên tục làm dày lớp màng ôxít.
Tải trọng cao hơn, một lớp bề mặt cứng (mactensit) được tạo thành trên bề mặt thép các bon do nhiệt ma sát cục bộ ở đỉnh nhấp nhô và hiện tượng tôi xảy ra khi nhiệt tản vào bề mặt. Nhiệt độ bề mặt càng cao cũng tạo ra một lớp màng ôxy hoá dày hơn được đỡ bởi lớp tôi cứng bề mặt.
Tốc độ trượt cao hơn, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc tăng lên tạo nên các lớp màng dày. Các lớp màng ôxy hoá có tác dụng giảm dòng nhiệt từ bề mặt vào nền là nguyên nhân làm hiện tượng ôxy hoá trở nên khốc liệt.
Mòn khốc liệt xảy ra trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại dưới ba bộ điều kiện phân biệt sau đây:
Áp suất tiếp xúc lớn và vận tốc trượt nhỏ, áp suất lớn đủ phá vỡ lớp màng mỏng ôxít dẫn dấn tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại ở đỉnh các nhấp nhô.
Áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt trung bình, tải trọng lúc này đủ lớn để phá vỡ các lớp màng ôxy hoá dày hơn nhưng dần được sinh ra.
Cả áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt đều cao, các điều kiện trượt khốc liệt tới mức mà nhiệt độ cục bộ đạt tới nhiệt độ nóng chảy của thép tạo thành một lớp màng lỏng ở chỗ tiếp xúc dẫn đến mòn khốc hệt.