2. CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN
2.2.1. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo
Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) và cắt.
Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của rãnh mà không bị tách ra.
Tuy nhiên, sau nhiều lần như thế phần vật liệu này có thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi với chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết nứt tế vi.
Quá trình chịu tải và bỏ tải tiếp theo (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao) làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với nhau tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trường hợp vật liệu rất mềm như indium và chì, khối lượng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang hai bên của rãnh.
Sự hình thành lượng vật liệu dồn ép ở phía trước của hạt cứng là một dạng mòn do cào xước.
Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và một lượng vật liệu bị dồn ép ở phía trước của nó. Điều này thường xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu cao (0,5 - 1).
Khi này chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh còn phần lớn sẽ dồn ép về phía trước của hạt cứng tạo nên hiện tượng này.
Dạng cắt của mòn do cào xước xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dưới dạng mảnh mòn có dạng giống như phoi dây hoặc vụn.
Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lượng vật liệu bị biến
dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ.
Challen và Oxley đã phân tích ba dạng biến dạng phân biệt trên của mòn do cào xước sử dụng vùng đường trượt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tưởng (chêm 2D). Theo phân tích này vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp nhô chỉ chịu biến dạng phẳng.
Hình 3-5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng.
Hình 3-5(c) chỉ ra chế độ cắt, vật liệu phía trước của hạt cứng bị cắt ra do bị biến dạng trong vùng biến dạng thứ nhất tạo thành phoi. Hình 3- 5(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trước hạt cứng.
Dính xảy ra ở phía trước của hạt cứng và vật liệu bị đẩy dồn ra khỏi bề mặt. Một phần vật liệu này bị dồn sang hai bên, phần còn lại dính ở phía trước hạt cứng và cuối cùng bị tách ra giống như trường hợp cắt.
Đối với kim loại dẻo, các cơ chế cày, dồn ép và cắt được quan sát trên SEM chỉ ra trên Hình 3-6.
Hình 3-5: Sơ đồ vùng đường trượt của ba dạng biến dạng của vật tiện rắn, tuyệt đối dẻo gây ra bởi sự ướt của hình chêm phẳng cứng từ
phải qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt.
Hình 3-6 : Sơ đồ ba chế độ của mòn cào xước và profile tương ứng của mặt cắt ngang quan sát trên SEM. (a) Chế độ cắt của đầu thép trượt trên
đĩa đồng; (b) Chế độ dồn ép vật liệu của đầu thép trên đĩa thép trắng;
(c) Chế độ cày của đầu thép trên đĩa đồng.
Hình 3-7: Các chế độ biến dạng quan sát khi trượt mũi cao cứng trên đồng a. thép các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số
chứa sức bền cắt trên mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu.
Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này. Các yếu tố quyết định là góc tiếp xúc θ , mức độ chìm sâu của hạt
cứng và sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên Hình 3-7. Mức độ chìm sâu của hạt cứng là tỷ số giữa chiều sâu rãnh và bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt là tỷ số giữa sức bền bề mặt và sức bền trong lòng vật thể. Trong trường hợp hạt cứng có đầu nhọn sẽ tồn tại một góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày và dồn ép sang cắt. Góc tiếp xúc giới hạn này phụ thuộc vào tính chất cơ lý vùng bề mặt vật liệu bị mòn. Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày và dồn ép sang cắt sẽ tăng khi hệ số ma sát tăng.
2.2.1.2. Phương trình định lượng
Hình 3-8: Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trượt với bề mặt vật liệu mềm hơn của chế độ mòn do cào xước. Gọi dW là áp lực pháp tuyến
tác dụng lên mặt nhấp nhô hình nón.
Khảo sát mô hình đơn giản trong đó một bề mặt mang một dãy các nhấp nhô hình nón cứng trượt trên bề mặt phẳng và tạo nên các rãnh có chiều sâu đồng đều. Hình 3-8 chỉ ra một nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc) θ tạo nên một rãnh trên bề mặt vật liệu mềm hơn với chiều sâu d và chiều rộng 2a. Giả thiết rằng vật liệu đạt tới giới hạn chảy dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến.
Ta có dW ra2H 2
=1 (3-7)
trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn. Thể tích vật liệu bị dịch chuyển trên khoảng trượt x sẽ là
dv = a2xtgθ Từ đó ta có:
H dWxtg
dv π
θ
= 2
Tổng thể tích vật liệu bị dịch chuyển bởi tất cả nhấp nhô là:
trong đó (tgθ)th là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám.
Phương trình này được rút ra từ một mô hình rất đơn giản bởi vì sự phân bố về hình dáng, chiều cao nhấp nhô và vật liệu tích tụ ở phía trước của các nhấp nhô đều bỏ qua.
Một phương trình có dạng tương tự như phương trình của Archard cho mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn cào xước là
H k WW
v= abr (3 -9)
Kabr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác suất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác suất cày. Vì vậy, độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến thể tích mòn. Giá trị của kabr thay đổi trong dải từ 10-6 đến 10-1. Tốc độ mòn do cào xước thường rất lớn gấp khoảng 2 - 3 lần so với mòn do dính.
Phương trình mòn do cào xước hai vật thể cũng đúng trong trường hợp mòn do cào xước ba vật thể nhưng hệ số kabr thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hướng lăn nhiều hơn trượt.
Trong quá trình mòn, hiện tượng cùn của các nhấp nhô cứng hay các hạt cứng xảy ra làm giảm tốc độ mòn. Tuy nhiên, các hạt cứng dòn có thể vỡ ra tạo thành các hạt mới sắc làm tăng tốc độ mòn.