Giáo trình ma sát mòn - Chương 3

ma sát là hiện tượng tự nhiên và phổ biến trong kỹ thuật, gồm 2 loại ma sát: + ma sát có hại gây mòn chi tiết, sinh nhiệt, giảm hiệu suất máy + ma sát có lợi dùng trong truyền động đai, phanh

Phần 2 Mòn

1 Khái niệm về mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt

Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc

có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị tách ra Sau đó vật liệu

bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc hoặc tách ra thành những hạt mài rời Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật cũng là một dạng mòn

Giống như ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới mòn ở bề mặt tiếp xúc chung Rất sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao Ví dụ các cặp bề mặt tiếp xúc

sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát tương đối thấp nhưng mòn lại tương đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhưng mòn lại rất thấp Thường hệ số ma sát trượt của đa số cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến

1, nhưng tốc độ mòn có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn Điều này được giải thích

là do mòn liên quan đến nhiều hiện tượng đa dạng kết hợp với nhau theo kiểu không thể dự đoán trước được và thay đổi trong phạm vi rộng

Mòn có thể có hại hoặc có ích Khi viết bằng bút chì, mài, đánh bóng, và cạo

là các ví dụ về mòn có lợi Mòn là điều không mong muốn trong các bộ phận và chi tiết như ổ, phớt, bánh răng và cam Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một lượng rất nhỏ hoặc nếu như bề mặt bị quá ráp Trong các hệ được thiết kế tốt về

ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhưng ổn định và liên tục Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mài trên các bề mặt tiếp xúc chung

có kích thước lớn hơn khe hở tiếp xúc có thể tạo nên tác dụng nghiêm trọng hơn là lượng mòn thực tế

Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác nhau và các dạng hạt mòn cũng như các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu

Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính (adhesive), abrasive, mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá hay ăn mòn, và điện Các dạng mòn khác thường gặp như fretting hay ăn mòn fretting là sự kết hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và

va chạm Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính và abrasive Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ

Trước khi lựa chọn vật liệu hoặc các phương pháp xử lý vật liệu để tăng khả năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu được các quá trình mòn đang hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết mòn kết hợp với kiến thức về chế độ tương tác bề mặt hoặc các tính chất bề mặt

Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi Kính hiển vi và rất nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt được sử dụng để phân tích các

được sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô

Một số giả thuyết được đưa ra để giải thích cơ chế tách một mảnh vật liệu do dính Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trượt, sự cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc Trong phần lớn các trường hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không (hình 2.1) Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc,

sự cắt xảy ra vào vùng lân cận của một trong hai vật thể và dính sang bề mặt đối tiếp (hình 2.1) Mảnh vật liệu dính này có dạng hình khối đặc biệt

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả sự dính

của các mảnh mòn dạng cánh

mỏng và dạng hình nêm

Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén

và tiếp và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo Những dải trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng (hình 2.2(a)) Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình nêm như trên hình 2.2(b) và dính sang bề mặt

đối tiếp Quá trình trượt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt

đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy trong môi trường hoặc do năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng dính

Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai loại vật liệu đều được tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn thường lớn hơn

Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu cứng hơn tạo nên các vùng cục bộ có sức bền thấp Khi những vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền cao của vật liệu mền hơn sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn Những mảnh mòn loại này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải

Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn được gọi là galling, scuffing, welding hay smearing

2.1.2 Các phương trình định lượng

Định luật mòn dính của aaaarchard

Giả thiết tiếp xúc được tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô

có bán kính a (hình 2.3)

Hình 2.3 Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong tiếp xúc ma sát trượt

Diện tích của mỗi tiếp xúc là: πa2

Mỗi tiếp xúc sẽ đỡ một tải trọng là: poπa2, trong đó po là giới hạn chảy

Các bề mặt sẽ dịch chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết mảnh mòn sinh ra từ mỗi đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích 3

a3

2

π Tổng thể tích mòn Q trên một đơn vị chiều dài trượt được xác định như sau:

n3

aa3

1a2

a3

2Q

2 2

W = poπa2n Hay:

o

2p

Wa

nπ =

Do đó:

op

W

Q=Nếu chỉ có một phần k các tiếp xúc nhấp nhô gặp nhau và tạo nên hạt mài thì:

op

Wk

Q=

Trong đó k là hệ số xác xuất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài

Từ phương trình này có thể rút ra ba quy luật mòn

- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với quãng đường trượt;

- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến;

- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu mềm hơn

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k giữa thép và thép giữ hằng số cho

đến ứng suất khoảng H/3 (H là độ cứng của thép) Khi tăng ứng suất trên giá trị này tốc độ mòn tăng mạnh hàn và seizure xảy ra Điều này vẫn đúng khi vật liệu

đối tiếp các kim loại khác Tuy nhiên ngoài độ cứng, các tính chất khác của vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới tốc độ mòn

Thuyết mòn dính của Rowe

Rowe đã bổ xung lý thuyết mòn của archard có kể đến tác dụng của lớp màng bề mặt (surface films)

Akp

WkQ

o

'

=

=Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại Am Q = km.Am

km là một hằng số cho kim loại trượt và độc lập với các tính chất của chất bôi trơn hay của lớp màng bề mặt Đặt

p

WkAk

Q= β = βTheo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp tuyến tĩnh gây ra po

p2 + αs2 = 2

op

=

o

2 1 2 m

p

W1

k

Q= +αà / β

độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất Trong trường hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách khi đó trên vùng mòn nứt tách là biểu hiện chủ yếu

Có hai trường hợp mòn do cào xước Trong trường hợp thứ nhất (cào xước hai vật) bề mặt cứng là bề mặt cứng hơn trong hai bề mặt trượt (hình 2.4(a)) Mòn sẽ không xảy ra nếu bề mặt cứng hơn tuyệt đối phẳng và nhẵn Trong trường hợp thứ hai (cào xước ba vật), bề mặt cứng là vật thứ ba, các hạt cứng nằm giữa hai bề mặt khác và đủ cứng để mài một trong hai bề mặt này (hình 2.4(b)) Mòn cũng không xảy ra nếu các hạt mài quá bé hoặc mềm hơn các bề mặt trượt Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá, biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật Trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và đưa vào hệ thống trượt từ môi trường

Các nghiên cứu thực nghiệm về mòn do hạt cứng cho thấy hiện tượng cào xước trên bề mặt mền hơn thể hiện bằng hàng loạt các rãnh song song với hướng trượt Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt ít hơn so với mòn

do dính Tuy nhiên độ cứng tế vi của bề mặt mòn tăng từ 10-80%

Mòn do cào xước được ứng dụng rộng rãi trong các nguyên công gia công tinh như mài, đánh bóng vv…

2.2.1 Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo

2.2.1.1 Cơ chế mòn

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 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 chế độ 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 2.5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn

Hình 2.5 Sơ đồ vùng đường trượt của ba chế độ biến dạng của vật liệu rắn, tuyệt

đối dẻo gây ra bởi sự trượt của hình nêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt

(c)

Hình 2.6 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

sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng Hình 2.5(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 2.5(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trước hạt cứng Sự dính xảy ra giữa mặt 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 trên hình 2.6

Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này Các

Hình 2.7 Các chế độ biến dạng quan sát khi trượt mũi cầu cứng trên đồng α, thép các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số của sức bền cắt trên mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu

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 2.7 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 vật liệu bị mòn Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày

Hình 2.8 Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trượt với bề mặt vật liệu mềm hơn của chế độ mòn do cào xước

Ha2

1

dW = π 2Trong 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

dWxtg2dv

π

θ

=Trong đó (tgθ)tb 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

Wxk

v= abr

Kabr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác xuất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác xuất cày Vì vậy độ nhám

ảnh hưởng đến thể tích mòn rõ ràng 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

2.2.2 Mòn do cào xước bằng nứt tách

Hình 2.9 Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trượt trên mặt phẳng của vật liệu dòn do nứt ngang (lateral fracture)

Khảo sát một hạt cứng sắc trượt trên mặt phẳng của một vật rắn dòn Khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc

sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo Khi tải trọng pháp tuyến vượt qua một giá trị nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn

Tải trọng giới hạn tỷ lệ với c

Từ hình 2.10 có thể thấy rằng các vết nứt ngang phát triển từ ứng suất dư gây ra khi vật liệu bị biến dạng Chiều dài lớn nhất của vết nứt vì thế chỉ được phát hiện khi hạt cứng rút ra khỏi bề mặt Khi hạt cứng trượt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng dưới bề mặt bị biến dạng Các mảnh mòn

được tách ra dưới dạng các mảnh đa diện

từ vùng giới hạn bởi các đường nứt ngang tới bề mặt trượt

Hình 2.10 Sự hình thành và phát

triển của vết nứt trong các chu kỳ

chịu và nhấc tải của kính đá vôi sử

dụng mũi hình tháp nhọn

Chiều dài vết nứt c của hạt cứng trượt trên bề mặt vật liệu dòn trên hình 2.9

được xác định như sau:

8 1 2 1 c

5 3

HK

HE

//

H

WH

Ed

/ /

=Trong đó: α2 làhằng số không phụ thuộc vật liệu khác Thể tích lớn nhất của vật liệu bị tách ra do một hạt cứng trên một đơn vị chiều dài trượt là 2dc Nếu N

đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải và mỗi nhấp nhô chịu tải là W thì thể tích mòn trên một đơn vị chiều dài trượt sẽ là:

8 5 2 1 c

8 9 3

HK

WHEN

//

α

=Trong đó α3 là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu Vì (E/H) không thay đổi nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với 1 2

c

K / , H5/8 Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W9/8 nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến như trong biến dạng dẻo Điều này ngụ ý rằng

hệ số mòn trong phương trình mòn không độc lập với tải trọng

2.3 Mòn do mỏi

Mỏi xuất hiện dưới và trên bề mặt xảy ra tương ứng với tiếp xúc lăn và trượt theo chu kỳ Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ có thể là nguyên nhân gây ra các vết nứt dưới hoặc trên bề mặt Sau một số chu kỳ giới hạn các vết nứt sẽ phát triển tới

bề mặt tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ Khác với mòn do dính hoặc cào xước khối lượng mòn do mỏi không phải là thông số có ý nghĩa để đánh giá mòn mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trước khi mỏi xảy ra

Sự phát triển của vết nứt trở nên mạnh hơn dưới tác dụng hoá học (thường xảy ra với ceramics) gọi là mỏi tĩnh Sự tồn tại của ứng suất kéo và hơi nước ở đỉnh của vết nứt trong nhiều loại ceramics làm tăng tốc độ phát triển của vết nứt đáng

kể Tác dụng thúc đẩy biến dạng và nứt tách do tác nhân hoá học làm tăng mòn trong cả điều kiện tĩnh và động lực của lăn và trượt

2.3.1 Mỏi tiếp xúc lăn và trượt

Mỏi tiếp xúc lăn không trượt

Mòn do dính hoặc do cào xước xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa hai

bề mặt chuyển động tương đối với nhau Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra Tuy nhiên nếu trên mặt tiếp xúc chung với tiếp xúc nonconforming, ứng xuất tiếp xúc rất lớn Khi này mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn chịu ứng suất lớn được truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn Các chi tiết của ổ lăn được thiết kế bôi trơn tốt thường bị hỏng vì mỏi xảy ra dưới bề mặt Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên

bề mặt nhưng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện dưới bề mặt một khoảng nào đó Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết Thời gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tiếp đổi chiều,

điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn

Khi một vết nứt về mỏi xuất hiện dưới bề mặt, nó sẽ phát triển và tách vật liệu vùng bề mặt ra thành những mảnh mòn mỏng Bởi vì vật liệu trong tiếp xúc lăn thường qua tôi nên bề mặt thường cứng do đó các vết nứt xuất hiện

ở bề mặt do ứng suất kéo tạo nên hiện tượng mỏi bề mặt Mỏi bề mặt lăn không trượt đặc trưng bỏi sự hình thành các mảnh mòn lớn sau một số chu kỳ giới hạn nào đó

LA còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên:

LA = (D)(E)(F)(G)(H)L10

D là yếu tố vật liệu, E yếu tố điều kiện làm việc, G là yếu tố vận tốc, H yếu tố lệch tâm Các yếu tố này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1

Mỏi tiếp xúc vừa lăn vừa trượt

Sự kết hợp giữa lăn và trượt làm dịch chuyển điểm có ứng suất tiếp cực đại lên gần bề mặt hơn (hình 2.11) do đó vị trí hỏng do mỏi tiến gần bề mặt hơn Sự trượt thúc đẩy sự phá huỷ bề mặt do dính Bôi trơn thích hợp có thể hạn chế đến tối thiểu ảnh hưởng phá huỷ bề mặt do trượt trong điều kiện tiếp xúc này

Mỏi tiếp xúc trượt

Khi hai bề mặt trượt tương đối mòn xảy ra do dính và cào xước Tuy nhiên có thể thấy rằng các đỉnh nhấp nhô có thể tiếp xúc và trượt với nhau mà không bị dính hoặc cào xước ứng suất tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô làm cho đỉnh các nhấp nhô

ở một hoặc cả hai bề mặt bị biến dạng dẻo Sự biến dạng ở bề mặt hoặc dưới bề mặt xảy ra theo chu kỳ là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt (từ mầm vết nứt hoặc những chỗ trống hoặc vết nứt tế vi có sẵn) ở trên bề mặt hoặc dưới bề mặt Các vết nứt này tiếp tục phát triển Sau một số lần tiếp xúc nhất định, các nhấp nhô này bị phá huỷ và tạo thành hạt mòn Rất khó có thể chứng minh mỏi là nguyên nhân mòn chính trong một tập hợp các điều kiện xác định Archard và Hirst cho rằng kim loại dính sang bề mặt đối tiếp (material transfer) cuối cùng tách ra thành những hạt mòn do quá trình mỏi

Hệ số k trong phương trình mòn do dính được giải thích là xác xuất của một

đỉnh nhấp nhô tiếp xúc tạo ra một mảnh mòn mà không có một giải thích nào về bản chất vật lý của việc tạo nên mảnh mòn Mặc dù lý thuyết mòn do dính giải thích hiện tượng dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp nhưng không giải thích được hiện tượng hình thành hạt mòn rời, đặc biệt sự hình thành hạt mòn của vật liệu cứng hơn khi hai bề mặt trượt trên nhau

Tất cả những điều này có thể giải thích bằng giải thuyết rằng mòn là một quá trình mỏi yếu tố k có thể hiểu rằng một hạt mài được tạo ra khi một nhấp nhô có

Hình 2.11 Sự thay đổi của ứng suất

tiếp chính theo chiều sâu dưới điểm

tiếp xúc của hai bề mặt cứng khi lăn

không trượt (à=0), trượt thuần tuý (à

lớn), vừa lăn vừa trượt (à trung bình), a

là bán kính Hertzian

số lần tiếp xúc và biến dạng đủ để tạo nên sự nứt vì mỏi Khi điều này xảy ra, một hạt mòn rời được tạo ra và tất nhiên cơ chế này dùng để giải thích cho sản phẩm của các hạt mòn hình thành từ cả bề mặt vật liệu rắn hơn và mềm hơn Cơ chế mòn do mỏi không loại bỏ khả năng dính của vật liệu sang bề mặt đối tiếp bằng cơ chế dính nhưng dường như phần lớn các hiện tượng mòn đều có thể giải thích về

định tính trên khía cạnh mòn do mỏi

Kragelskii cố gắng xây dựng một lý thuyết mỏi định lượng dựa trên các kết quả của Tavernelli và Coffin người đã chỉ ra rằng trong một dải rộng của vật liệu biến dạng dẻo tạo ra trong mỗi chu kỳ mỏi có quan hệ với số chu kỳ phá huỷ N theo công thức sau:

N

p

ail f

Trong đó: εp là độ lớn biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ;

εfail là biến dẻo khi phá huỷ trong kéo đúng tâm

Tuy nhiên Kragelskii dường như đã sử dụng tổng biến dạng chứ không phải là chỉ biến dạng dẻo Hơn nữa ông đánh giá xấp xỉ cường độ biến dạng theo hình dạng hình học của nhấp nhô Vì thế có thể thấy cho đến nay không có một lý thuyết mòn do mỏi hoàn thiện nào tồn tại, mặc dù đây là cơ chế mòn dường như

đáng tin cậy hơn cơ chế của lý thuyết mòn do dính

2.4 Mòn do va chạm

Mòn do va chạm gồm 2 loại chính: erosion gây ra bỏi các tia, dòng các hạt rắn, các hạt chất lỏng và sự vỡ ra của bọt hình thành trong chất lỏng và mòn do va chạm theo chu kỳ của các vật rắn

mặt sau một số chu kỳ va chạm nhất

định

Tương tự như mòn do cào xước nguyên nhân của mòn do va chạm hạt cứng là biến dạng dẻo và nứt tách phụ thuộc vào vật liệu bị mòn và các thông

số của quá trình Hình 2.12 chỉ ra sự phụ thuộc của tốc độ mòn vào góc va chạm, có thể thấy tốc độ mòn của vật liệu dẻo và dòn là rất khác nhau bởi chúng xảy ra theo các cơ chế khác nhau (biến dạng dẻo và nứt tách) Hình dạng của các hạt cứng ảnh hưởng đến kiểu biến dạng dẻo xảy ra quanh vị trí

va chạm và có quan hệ với lượng vật liệu bị đẩy ra Trong trường hợp vật liệu dòn, mức độ và sự khốc liệt của vết nứt phụ thuộc vào độ sắc của các hạt, các

Hình 2.12 Tốc độ mòn va chạm hạt

cứng là một hàm số của góc va chạm

θ

hạt sắc gây mòn mạnh hơn so với hạt cùn

Đối với vật liệu dẻo, người ta đã quan sát được hai cơ chế mòn cơ bản do va chạm của hạt cứng đó là cắt (cutting erosion) và cày (ploughing erosion) Tuy nhiên mức độ mòn gây bởi hai cơ chế này cũng phụ thuộc vào góc va chạm ở chế độ cắt mòn xảy ra mạnh nhất theo phương grazing và chế độ cày theo phương vuông góc Độ cứng bề mặt và tính dẻo là hai tính chất quan trọng nhất của vật liệu chống lại mòn do va chạm cắt và biến dạng dẻo của hạt cứng

Mòn do va chạm của các hạt cứng là một vấn đề quan tâm trong máy móc như sự va chạm của các hạt cát vào cánh tua bin, cánh máy bay lên thẳng, cánh quạt máy bay, chắn gió máy bay, đầu phun cát, tua bin than, tua bin thuỷ lực bơm

ly tâm sử dụng bơm bùn than Tuy nhiên va chạm hạt cứng cũng có nhiều ứng dụng có lợi trong việc làm sạch các bề mặt của chi tiết máy

Phương trình định lượng

Xem xét hiện tượng liên quan đến biến dạng dẻo gây ra bởi một hạt cứng va chạm vào một bề mặt mềm hơn với góc va chạm bằng 90° Giả thiết hạt cứng không bị biến dạng và biến dạng của bề mặt là tuyệt đối dẻo với độ cứng không

đổi Tại thời điểm t sau tiếp xúc ban đầu, hạt cứng với khối lượng dm và vận tốc v

sẽ đi vào bề mặt với chiều sâu là x và diện tích mặt cắt ngang tương ứng là A(x) phụ thuộc vào hình dạng của hạt cứng chỉ ra trên hình 2.13 Phương trình vi phân chuyển động của hạt có thể viết như sau:

Hình 2.13 Sơ đồ mòn va chạm của một hạt cứng va chạm thẳng góc vào một bề mặt mềm hơn

2

2

)(

dt

x d dm x

HA =

ưNếu hạt cứng đạt tới vị trí nghỉ ở độ sâu d sau khoảng thời gian to thì tổng công của lực cản bằng năng lượng động lực ban đầu của hạt

2

1)(x dx dmv HA

d

H

dmv dv

2

2

=Trong dv là thể tích của vật liệu bị dồn đẩy khỏi vết va chạm Nếu m là khối lượng hạt va chạm thì:

H

mv v

2

2

=Vì không phải tất cả vật liệu bị dồn đẩy đều tạo thành hạt mòn nên nếu k là

hệ số tỷ lệ với lượng vật liệu bị dồn đẩy tạo thành hạt mòn thì

H

mv k v

2

2

=Phương trình mòn do va chạm của hạt cứng thường được viết dưới dạng tỷ số

va chạm không thứ nguyên E bằng khối lượng vật liệu bị tách ra chia cho khối lượng các hạt cứng va chạm vào bề mặt

v k E

2

2

ρ

=Trong đó: ρ là tỷ trọng của vật liệu bị mòn

So sánh với phương trình mòn do cào xước, thể tích mòn do va chạm của hạt cứng cũng tỷ lệ nghịch với độ cứng H Tải trọng pháp tuyến được thay thế bằng

mv2 Tuy nhiên đây chỉ là mô hình đơn giản vì trong mô hình không đề cập đến góc

va chạm, hình dáng và kích thước của hạt cứng Hệ số k biến thiên từ 10-5-10-1 Mòn do va chạm của hạt cứng do nứt tách vì dòn phụ thuộc vào độ dai va

đập của vật liệu bị mòn do va chạm

2.4.2 Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion)

Percussion là va chạm có chu kỳ của vật thể rắn thường gặp ở đầu búa in trong máy in, các ứng dụng điện cơ cao tốc và trong các nhấp nhô bề mặt nhô cao trong ổ bôi trơn khí Trong phần lớn các ứng dụng va chạm liên quan đến trượt nghĩa là bao gồm cả thành phần pháp và tiếp Mòn do percussion xảy ra nhờ cơ chế hybrid là sự kết hợp của một loạt cơ chế: dính, hạt cứng, mỏi bề mặt, nứt tách

Đầu va chạm có thể coi như một chất điểm và được đỡ bằng một lò xo có độ cứng

k Tại thời điểm ts đầu va chạm gặp khối chuyển động ngang Sau đó chúng cùng chuyển động cho tới khi va chạm kết thúc Sự biến đổi của lực va chạm Hec sau một chu kỳ của quá trình va chạm chỉ ra trên hình 2.15 có dạng quả chuông Để

đơn giản ta giả thiết lực va chạm Hec F(t) biến thiên theo quy luật hình sin

t

t F

t

sin)

(Giá trị cực đại Fo phụ thuộc vào hình dạng hình học, vật liệu và các thông số

va chạm pháp tuyến Đối với một tiếp xúc đàn hồi của đầu va chạm trên trên một tấm phẳng khối lượng vô hạn có mô đun đàn hồi vô hạn ta có:

( )

5 / 2 2 / 1 2

5 / 3 2

13

43

à

&

Trong đó: à là hệ số ma sát Sử dụng 2 phương trình đầu tính thời gian trượt ts

)1(cos 1 S

t

t i

πTrong đó:

i

o t F

mu S

tố trượt bởi vì mòn chủ yếu xảy ra trong phần va chạm của trượt tương đối Va chạm pháp tuyến trên bề mặt cứng hơn

có thể tạo nên cơ chế mòn do mỏi dưới

bề mặt Một va chạm xảy ra cùng sự trượt (va chạm kết hợp) tạo nên mỏi bề mặt và/hoặc dính, mòn do cào xước Các cơ chế mòn riêng biệt phụ thuộc vào hình học, vật liệu và các thông số của quá trình Với các vật liệu có độ dai va đập cao, sự tham gia của mỏi bề mặt có thể

bỏ qua

áp dụng phân tích mòn do va chạm cho va chạm của đầu in với giấy bao phủ tấm phẳng Mòn do cào xước đầu in xảy

ra trong quá trình trượt (slipping time) Thể tích mòn v theo khoảng cách trượt x của đầu in với giấy là:

H

t kF t dx

t

dv ( ))

(

)(

=Trong đó k là hệ số mòn, H là độ cứng của đầu in

Tổng thể tích mòn sau mỗi chu kỳ va chạm là

H

S F t k t dx t F H

k v

F kut H

kmv

12