Ma sát và mòn - Phần 2

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khái niệm về mòn Mòn l 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 n o bị...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ma sát và mòn - Phần 2

Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN Mßn PhÇn 2. 1. Kh¸i niÖm vÒ mßn Mßn l hiÖn t−îng ph¸ huû bÒ mÆt hay sù t¸ch vËt liÖu tõ mét hoÆc c¶ hai bÒ mÆt trong chuyÓn ®éng tr−ît, l¨n hoÆc va ch¹m t−¬ng ®èi víi nhau. Nãi chung mßn x¶y ra do sù t−¬ng t¸c cña c¸c nhÊp nh« bÒ mÆt. Trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi, ®Çu tiªn vËt liÖu trªn bÒ mÆt tiÕp xóc cã thÓ bÞ biÕn d¹ng do øng suÊt ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« v−ît qu¸ giíi h¹n dÎo, nh−ng chØ mét phÇn rÊt nhá hoÆc kh«ng mét chót vËt liÖu n o bÞ t¸ch ra. Sau ®ã vËt liÖu bÞ t¸ch ra tõ mét bÒ mÆt dÝnh sang bÒ mÆt ®èi tiÕp hoÆc hoÆc t¸ch ra th nh nh÷ng h¹t m i rêi. Trong tr−êng hîp vËt liÖu chØ dÝnh tõ bÒ mÆt n y sang bÒ mÆt kh¸c, thÓ tÝch hay khèi l−îng mßn ë vïng tiÕp xóc chung b»ng kh«ng mÆc dï mét bÒ mÆt vÉn bÞ mßn. §Þnh nghÜa mßn nãi chung dùa trªn sù mÊt m¸t cña vËt liÖu, nh−ng sù ph¸ huû cña vËt liÖu do biÕn d¹ng m kh«ng kÌm theo sù thay ®æi vÒ khèi l−îng hoÆc thÓ tÝch cña vËt còng l mét d¹ng mßn. Gièng nh− ma s¸t, mßn kh«ng ph¶i l tÝnh chÊt cña mét vËt liÖu m l sù ph¶n øng cña mét hÖ thèng. C¸c ®iÒu kiÖn vËn h nh sÏ ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi mßn ë bÒ mÆt tiÕp xóc chung. RÊt sai lÇm ®«i khi cho r»ng ma s¸t lín trªn bÒ mÆt tiÕp xóc chung l nguyªn nh©n mßn víi tèc ®é cao. VÝ dô c¸c cÆp bÒ mÆt tiÕp xóc sö dông chÊt b«i tr¬n r¾n v chÊt dÎo cho ma s¸t t−¬ng ®èi thÊp nh−ng mßn l¹i t−¬ng ®èi cao, tr¸i l¹i ceramics cho ma s¸t trung b×nh nh−ng mßn l¹i rÊt thÊp. Th−êng hÖ sè ma s¸t tr−ît cña ®a sè cÆp vËt liÖu thay ®æi trong ph¹m vi tõ 0,1 ®Õn 1, nh−ng tèc ®é mßn cã thÓ thay ®æi trong ph¹m vi rÊt lín. §iÒu n y ®−îc gi¶i thÝch l do mßn liªn quan ®Õn nhiÒu hiÖn t−îng ®a d¹ng kÕt hîp víi nhau theo kiÓu kh«ng thÓ dù ®o¸n tr−íc ®−îc v thay ®æi trong ph¹m vi réng. Mßn cã thÓ cã h¹i hoÆc cã Ých. Khi viÕt b»ng bót ch×, m i, ®¸nh bãng, v c¹o l c¸c vÝ dô vÒ mßn cã lîi. Mßn l ®iÒu kh«ng mong muèn trong c¸c bé phËn v chi tiÕt nh− æ, phít, b¸nh r¨ng v cam. Chi tiÕt cã thÓ ph¶i thay thÕ khi bÞ mßn mét l−îng rÊt nhá hoÆc nÕu nh− bÒ mÆt bÞ qu¸ r¸p. Trong c¸c hÖ ®−îc thiÕt kÕ tèt vÒ ma s¸t, mßn v b«i tr¬n, qu¸ tr×nh mßn x¶y ra rÊt chËm nh−ng æn ®Þnh v liªn tôc. Tuy nhiªn sù sinh ra v tuÇn ho n cña c¸c h¹t m i trªn c¸c bÒ mÆt tiÕp xóc chung cã kÝch th−íc lín h¬n khe hë tiÕp xóc cã thÓ t¹o nªn t¸c dông nghiªm träng h¬n l l−îng mßn thùc tÕ. Trong phÇn n y chóng ta sÏ nghiªn cøu c¸c c¬ chÕ mßn kh¸c nhau v c¸c d¹ng h¹t mßn còng nh− c¸c d÷ liÖu tiªu biÓu vÒ mßn vËt liÖu. 2. Ph©n lo¹i mßn Mßn x¶y ra do c¸c t−¬ng t¸c c¬, ®iÖn v /hoÆc ho¸ v nãi chung chÞu xóc t¸c cña nhiÖt ma s¸t. Do t−¬ng t¸c c¬ häc c¸c vÕt nøt cã thÓ xuÊt hiÖn do hiÖn t−îng bÎ g·y c¸c liªn kÕt ph©n tö trong chÊt dÎo, sù tr−ît trong kim lo¹i, sù ph¸ vì biªn giíi h¹t trong ceramics hoÆc sù ph¸ huû bÒ mÆt cña composite hoÆc vËt liÖu nhiÒu pha. C¸c vÕt nøt n y sÏ ph¸t triÓn v t¹o ra c¸c h¹t mßn. Mßn bao gåm s¸u hiÖn t−îng chÝnh t−¬ng ®èi kh¸c nhau v cã chung mét kÕt qu¶ l sù t¸ch vËt liÖu tõ c¸c bÒ mÆt tr−ît ®ã l : dÝnh (adhesive), abrasive, mái bÒ mÆt (fatigue), va ch¹m, ho¸ hay ¨n mßn, v ®iÖn. C¸c d¹ng mßn kh¸c th−êng gÆp nh− fretting hay ¨n mßn fretting l sù kÕt hîp cña c¸c d¹ng mßn dÝnh, h¹t cøng v va ch¹m. Theo thèng kª, kho¶ng hai phÇn ba mßn x¶y ra trong c«ng nghiÖp l do c¸c c¬ chÕ dÝnh v abrasive. Trõ mßn do mái, mßn do c¸c c¬ chÕ kh¸c l mét hiÖn t−îng x¶y ra tõ tõ. http://www.ebook.edu.vn 1
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN Tr−íc khi lùa chän vËt liÖu hoÆc c¸c ph−¬ng ph¸p xö lý vËt liÖu ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chèng mßn cña chi tiÕt m¸y, cÇn ph¶i hiÓu ®−îc c¸c qu¸ tr×nh mßn ®ang hoÆc cã thÓ x¶y ra b»ng c¸ch ph©n tÝch bÒ mÆt c¸c chi tiÕt mßn kÕt hîp víi kiÕn thøc vÒ chÕ ®é t−¬ng t¸c bÒ mÆt hoÆc c¸c tÝnh chÊt bÒ mÆt. Trong thùc tÕ mßn x¶y ra do mét hoÆc nhiÒu c¬ chÕ. Trong nhiÒu tr−êng hîp mßn sinh ra do mét c¬ chÕ nh−ng cã thÓ ph¸t triÓn do sù kÕt hîp víi c¸c c¬ chÕ kh¸c l m phøc t¹p ho¸ sù ph©n tÝch háng do mßn. Ph©n tÝch bÒ mÆt c¸c chi tiÕt bÞ háng do mßn chØ x¸c ®Þnh ®−îc c¸c c¬ chÕ mßn x¶y ra ë giai ®o¹n cuèi m th«i. KÝnh hiÓn vi v rÊt nhiÒu kü thuËt ph©n tÝch bÒ mÆt ®−îc sö dông ®Ó ph©n tÝch c¸c bÒ mÆt n y. 2.1. Mßn do dÝnh 2.1.1. Kh¸i niÖm H×nh 2.1. S¬ ®å m« t¶ hai kh¶ n¨ng c¾t t¹i tiÕp xóc ®Ønh nhÊp nh« theo bÒ mÆt tiÕp xóc chung (1) hoÆc lÊn v o mét trong hai bÒ mÆt (2). Mßn do dÝnh x¶y ra khi hai bÒ mÆt r¾n, ph¼ng tr−ît so víi nhau. DÝnh x¶y ra t¹i chç tiÕp xóc ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« d−íi t¸c dông cña t¶i träng ph¸p tuyÕn, khi sù tr−ît x¶y ra vËt liÖu ë vïng n y bÞ tr−ît (biÕn d¹ng dÎo) dÝnh sang bÒ mÆt ®èi tiÕp hoÆc t¹o th nh c¸c m¶nh mßn rêi. Mét sè m¶nh mßn cßn ®−îc sinh ra do qu¸ tr×nh mßn do mái ë ®Ønh c¸c nhÊp nh«. Mét sè gi¶ thuyÕt ®−îc ®−a ra ®Ó gi¶i thÝch c¬ chÕ t¸ch mét m¶nh vËt liÖu do dÝnh. Theo gi¶ thuyÕt ®Çu tiªn vÒ mßn do tr−ît, sù c¾t cã thÓ x¶y ra ë bÒ mÆt tiÕp xóc chung hoÆc vÒ phÝa vïng yÕu nhÊt cña hai vËt liÖu t¹i chç tiÕp xóc. Trong phÇn lín c¸c tr−êng hîp, søc bÒn ë chç tiÕp xóc nhá h¬n søc bÒn c¾t ë vïng l©n cËn v c¾t x¶y ra trªn mÆt tiÕp xóc chung, mßn b»ng kh«ng (h×nh 2.1). Trong mét phÇn nhá cña c¸c tiÕp xóc, H×nh 2.2. S¬ ®å m« t¶ sù dÝnh sù c¾t x¶y ra v o vïng l©n cËn cña mét cña c¸c m¶nh mßn d¹ng c¸nh trong hai vËt thÓ v dÝnh sang bÒ mÆt ®èi máng v d¹ng h×nh nªm. tiÕp (h×nh 2.1). M¶nh vËt liÖu dÝnh n y cã d¹ng h×nh khèi ®Æc biÖt http://www.ebook.edu.vn 2
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN Theo gi¶ thuyÕt kh¸c, nÕu søc bÒn dÝnh ®ñ lín ®Ó c¶n trë chuyÓn ®éng tr−ît t−¬ng ®èi, mét vïng cña vËt liÖu sÏ bÞ biÕn d¹ng d−íi t¸c dông cña øng suÊt nÐn v tiÕp v sù tr−ît x¶y ra m¹nh däc theo c¸c mÆt ph¼ng tr−ît cña c¸c tinh thÓ trong vïng biÕn d¹ng dÎo. Nh÷ng d¶i tr−ît n y t¹o th nh c¸c m¶nh mßn d¹ng l¸ máng (h×nh 2.2(a)). NÕu biÕn d¹ng dÎo x¶y ra trªn diÖn réng ë vïng tiÕp xóc ®«i khi m¶nh mßn sinh ra cã d¹ng h×nh nªm nh− trªn h×nh 2.2(b) v dÝnh sang bÒ mÆt ®èi tiÕp. Qu¸ tr×nh tr−ît gi÷a hai bÒ mÆt t¹o ra nhiÒu m¶nh mßn dÝnh sang bÒ mÆt ®èi tiÕp, tÝch tô v t¹o nªn c¸c m¶nh mßn rêi do t¸c dông «xy ho¸ cña «xy trong m«i tr−êng hoÆc do n¨ng l−îng ® n håi lín h¬n n¨ng l−îng dÝnh. Khi hai vËt liÖu kh¸c lo¹i kÕt hîp víi nhau, c¸c m¶nh mßn cña c¶ hai lo¹i vËt liÖu ®Òu ®−îc t¹o th nh tuy nhiªn c¸c m¶nh tõ vËt liÖu mÒm h¬n th−êng lín h¬n. Sù tån t¹i cña c¸c khuyÕt tËt v vÕt nøt trong vËt liÖu cøng h¬n t¹o nªn c¸c vïng côc bé cã søc bÒn thÊp. Khi nh÷ng vïng n y trïng víi c¸c vïng côc bé cã søc bÒn cao cña vËt liÖu mÒn h¬n sÏ t¹o nªn c¸c m¶nh mßn cña vËt liÖu cøng h¬n. Nh÷ng m¶nh mßn lo¹i n y còng cã thÓ t¹o nªn do mái sau mét sè chu kú chÞu t¶i v bá t¶i. Mét sè d¹ng mßn do dÝnh (adhesion) cßn ®−îc gäi l galling, scuffing, welding hay smearing. 2.1.2. C¸c ph−¬ng tr×nh ®Þnh l−îng §Þnh luËt mßn dÝnh cña archard Gi¶ thiÕt tiÕp xóc ®−îc t¹o nªn b»ng mét sè c¸c tiÕp xóc ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« cã b¸n kÝnh a (h×nh 2.3). H×nh 2.3. S¬ ®å m« h×nh lý thuyÕt t¹o ra mét h¹t mßn b¸n cÇu trong tiÕp xóc ma s¸t tr−ît. DiÖn tÝch cña mçi tiÕp xóc l : πa2 Mçi tiÕp xóc sÏ ®ì mét t¶i träng l : poπa2, trong ®ã po l giíi h¹n ch¶y. C¸c bÒ mÆt sÏ dÞch chuyÓn mét kho¶ng 2a qua mçi nhÊp nh« v ta gi¶ thiÕt 2 m¶nh mßn sinh ra tõ mçi ®Ønh nhÊp nh« cã d¹ng nöa h×nh cÇu thÓ tÝch πa 3 . 3 Tæng thÓ tÝch mßn Q trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: 23 πa πa 2 1 3 = ∑ πa 2 = Q=∑ n 2a 3 3 Trong ®ã n l tæng sè c¸c tiÕp xóc v t¶i träng ph¸p tuyÕn tæng W sÏ l : W = poπa2n W Hay: nπa 2 = po http://www.ebook.edu.vn 3
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN W Do ®ã: Q= 3p o NÕu chØ cã mét phÇn k c¸c tiÕp xóc nhÊp nh« gÆp nhau v t¹o nªn h¹t m i W th×: Q=k 3p o Trong ®ã k l hÖ sè x¸c xuÊt mét tiÕp xóc t¹o nªn mét h¹t m i. Tõ ph−¬ng tr×nh n y cã thÓ rót ra ba quy luËt mßn. - ThÓ tÝch vËt liÖu mßn tû lÖ thuËn víi qu·ng ®−êng tr−ît; - ThÓ tÝch vËt liÖu mßn tû lÖ thuËn víi t¶i träng ph¸p tuyÕn; - ThÓ tÝch vËt liÖu mßn tû lÖ nghÞch víi víi giíi h¹n ch¶y hay ®é cøng cña vËt liÖu mÒm h¬n. KÕt qu¶ thùc nghiÖm cho thÊy hÖ sè mßn k gi÷a thÐp v thÐp gi÷ h»ng sè cho ®Õn øng suÊt kho¶ng H/3 (H l ®é cøng cña thÐp). Khi t¨ng øng suÊt trªn gi¸ trÞ n y tèc ®é mßn t¨ng m¹nh h n v seizure x¶y ra. §iÒu n y vÉn ®óng khi vËt liÖu ®èi tiÕp c¸c kim lo¹i kh¸c. Tuy nhiªn ngo i ®é cøng, c¸c tÝnh chÊt kh¸c cña vËt liÖu còng ®ãng vai trß quan träng ¶nh h−ëng tíi tèc ®é mßn. ThuyÕt mßn dÝnh cña Rowe Rowe ®· bæ xung lý thuyÕt mßn cña archard cã kÓ ®Õn t¸c dông cña líp m ng bÒ mÆt (surface films). W Q=k = k' A 3p o ThÓ tÝch cña mßn dÝnh liªn quan ®Õn diÖn tÝch tiÕp xóc trùc tiÕp kim lo¹i-kim lo¹i Am. Q = km.Am km l mét h»ng sè cho kim lo¹i tr−ît v ®éc lËp víi c¸c tÝnh chÊt cña chÊt b«i A tr¬n hay cña líp m ng bÒ mÆt. §Æt β = m l tû sè gi÷a diÖn tÝch tiÕp xóc trùc tiÕp A kim lo¹i kim lo¹i v thùc khi cã líp b«i tr¬n. W Q = k m βA = k m β po Theo Rowe gi¸ trÞ thÝch hîp cho giíi h¹n ch¶y p (ph¸p) l gi¸ trÞ tÝnh ®Õn sù kÕt hîp gi÷a øng suÊt ph¸p v tiÕp chø kh«ng ph¶i chØ riªng do t¶i träng ph¸p tuyÕn tÜnh g©y ra po. p2 + αs2 = p o 2 po Do s = µp (µ l hÖ sè ma s¸t) nªn p = ( ) 1/ 2 1 + αµ 2 ( ) 1/ 2 W Do ®ã: Q = k m 1 + αµ 2 β po http://www.ebook.edu.vn 4
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN 2.2. Mßn do c o x−íc H×nh 2.4. S¬ ®å (a) bÒ mÆt cøng v nh¸m hoÆc bÒ mÆt g¾n c¸c h¹t cøng tr−ît trªn bÒ mÆt mÒm h¬n (b) c¸c h¹t cøng tù do kÑt gi÷a c¸c bÒ mÆt trong ®ã Ýt nhÊt mét bÒ mÆt cã ®é cøng thÊp h¬n h¹t cøng. Mßn do c o x−íc x¶y ra khi c¸c nhÊp nh« cña mét bÒ mÆt cøng v r¸p hoÆc c¸c h¹t cøng tr−ît trªn mét bÒ mÆt mÒm h¬n v ph¸ huû bÒ mÆt tiÕp xóc chung b»ng biÕn d¹ng dÎo hoÆc nøt t¸ch. Trong tr−êng hîp vËt ®èi tiÕp l vËt liÖu dÎo cã ®é dai va ®Ëp cao (kim lo¹i v hîp kim), ®Ønh c¸c nhÊp nh« cøng hoÆc c¸c h¹t cøng sÏ g©y nªn biÕn d¹ng dÎo cña vËt liÖu mÒm h¬n trong c¶ tr−êng hîp t¶i nhÑ nhÊt. Trong tr−êng hîp vËt liÖu dßn cã ®é dai va ®Ëp thÊp, mßn x¶y ra do nøt t¸ch khi ®ã trªn vïng mßn nøt t¸ch l biÓu hiÖn chñ yÕu. Cã hai tr−êng hîp mßn do c o x−íc. Trong tr−êng hîp thø nhÊt (c o x−íc hai vËt) bÒ mÆt cøng l bÒ mÆt cøng h¬n trong hai bÒ mÆt tr−ît (h×nh 2.4(a)). Mßn sÏ kh«ng x¶y ra nÕu bÒ mÆt cøng h¬n tuyÖt ®èi ph¼ng v nh½n. Trong tr−êng hîp thø hai (c o x−íc ba vËt), bÒ mÆt cøng l vËt thø ba, c¸c h¹t cøng n»m gi÷a hai bÒ mÆt kh¸c v ®ñ cøng ®Ó m i mét trong hai bÒ mÆt n y (h×nh 2.4(b)). Mßn còng kh«ng x¶y ra nÕu c¸c h¹t m i qu¸ bÐ hoÆc mÒm h¬n c¸c bÒ mÆt tr−ît. Trong nhiÒu tr−êng hîp mßn b¾t ®Çu do dÝnh t¹o nªn c¸c h¹t mßn ë vïng tiÕp xóc chung, c¸c h¹t mßn n y sau ®ã bÞ «xy ho¸, biÕn cøng v tÝch tô l¹i l nguyªn nh©n t¹o nªn mßn h¹t cøng ba vËt. Trong mét sè tr−êng hîp h¹t cøng sinh ra v ®−a v o hÖ thèng tr−ît tõ m«i tr−êng. C¸c nghiªn cøu thùc nghiÖm vÒ mßn do h¹t cøng cho thÊy hiÖn t−îng c o x−íc trªn bÒ mÆt mÒn h¬n thÓ hiÖn b»ng h ng lo¹t c¸c r·nh song song víi h−íng tr−ît. Trªn mÆt c¾t ngang biÕn d¹ng dÎo cña c¸c líp d−íi bÒ mÆt Ýt h¬n so víi mßn do dÝnh. Tuy nhiªn ®é cøng tÕ vi cña bÒ mÆt mßn t¨ng tõ 10-80%. Mßn do c o x−íc ®−îc øng dông réng r·i trong c¸c nguyªn c«ng gia c«ng tinh nh− m i, ®¸nh bãng vv…. 2.2.1. Mßn do c o x−íc b»ng biÕn d¹ng dÎo 2.2.1.1. C¬ chÕ mßn VËt liÖu t¸ch khái bÒ mÆt th«ng qua biÕn d¹ng dÎo trong qu¸ tr×nh mßn do http://www.ebook.edu.vn 5
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN c o x−íc cã thÓ x¶y ra theo v i chÕ ®é biÕn d¹ng bao gåm c y (plowing), dån Ðp vËt liÖu (wedge formation) v c¾t. C y l hiÖn t−îng t¹o r·nh do h¹t cøng tr−ît v g©y ra biÕn d¹ng dÎo cña vËt liÖu mÒm h¬n. Trong qu¸ tr×nh c y, vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng bÞ dån sang hai bªn cña r·nh m kh«ng bÞ t¸ch ra. Tuy nhiªn sau nhiÒu lÇn nh− thÕ phÇn vËt liÖu n y cã thÓ bÞ t¸ch ra bëi c¬ chÕ mái chu kú thÊp. Qu¸ tr×nh c y còng g©y nªn biÕn d¹ng dÎo cña c¸c líp d−íi bÒ mÆt v cã thÓ gãp phÇn v o sù h×nh th nh mÇm c¸c vÕt nøt tÕ vi. Qu¸ tr×nh chÞu t¶i v bá t¶i tiÕp theo (mái chu kú thÊp v øng suÊt cao) l m c¸c vÕt nøt tÕ vi song song víi bÒ mÆt ph¸t triÓn, lan truyÒn, liªn kÕt víi nhau t¹o th nh c¸c m¶nh mßn máng. Trong tr−êng hîp vËt liÖu rÊt mÒm nh− indium v ch×, khèi l−îng mßn sinh ra rÊt nhá v vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng sÏ dÞch chuyÓn sang hai bªn cña r·nh. Sù h×nh th nh l−îng vËt liÖu dån Ðp ë phÝa tr−íc cña h¹t cøng l mét d¹ng mßn do c o x−íc. Mét h¹t cøng khi ch s¸t trªn bÒ mÆt sÏ t¹o nªn mét r·nh v mét l−îng vËt liÖu bÞ dån Ðp ë phÝa tr−íc cña nã. §iÒu n y th−êng x¶y ra khi tû sè gi÷a søc bÒn c¾t cña bÒ mÆt tiÕp xóc chung ®èi víi søc bÒn c¾t trong lßng vËt liÖu cao (0,5-1). Khi n y chØ mét phÇn vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng sang hai bªn r·nh cßn phÇn lín sÏ dån Ðp vÒ phÝa tr−íc cña h¹t cøng t¹o nªn hiÖn t−îng n y. D¹ng c¾t cña mßn do c o x−íc x¶y ra khi h¹t cøng víi gãc tiÕp xóc lín di chuyÓn t¹o nªn r·nh v t¸ch vËt liÖu ra khái r·nh d−íi d¹ng m¶nh mßn cã d¹ng gièng nh− phoi d©y hoÆc vôn. Qu¸ tr×nh n y x¶y ra chñ yÕu l do c¾t cßn l−îng vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng sang hai bªn r·nh l rÊt nhá. Challen v Oxley ®· ph©n tÝch ba chÕ ®é biÕn d¹ng ph©n biÖt trªn cña mßn do c o x−íc sö dông vïng ®−êng tr−ît g©y ra bëi mét nhÊp nh« bÒ mÆt lý t−ëng (chªm 2D). Theo ph©n tÝch n y vËt liÖu gi¶ thiÕt l tuyÖt ®èi dÎo v c¸c ®Ønh nhÊp nh« chØ chÞu biÕn d¹ng ph¼ng. H×nh 2.5(a) chØ ra chÕ ®é c y trong ®ã vËt liÖu bÞ dån (b) (a) (c) H×nh 2.5. S¬ ®å vïng ®−êng tr−ît cña ba chÕ ®é biÕn d¹ng cña vËt liÖu r¾n, tuyÖt ®èi dÎo g©y ra bëi sù tr−ît cña h×nh nªm ph¼ng cøng tõ ph¶i qua tr¸i (a) c y (b) sù h×nh th nh vËt liÖu dån Ðp (c) c¾t. http://www.ebook.edu.vn 6
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN (c) (a) (b) H×nh 2.6. S¬ ®å ba chÕ ®é cña mßn c o x−íc v profile t−¬ng øng cña mÆt c¾t ngang quan s¸t trªn SEM (a) chÕ ®é c¾t cña ®Çu thÐp tr−ît trªn ®Üa ®ång (b) chÕ ®é dån Ðp vËt liÖu cña ®Çu thÐp trªn ®Üa thÐp tr¾ng (c) chÕ ®é c y cña ®Çu thÐp trªn ®Üa ®ång sang hai bªn cña r·nh t¹o nªn bëi h¹t cøng. H×nh 2.5(c) chØ ra chÕ ®é c¾t, vËt liÖu phÝa tr−íc cña h¹t cøng bÞ c¾t ra do bÞ biÕn d¹ng trong vïng biÕn d¹ng thø nhÊt t¹o th nh phoi. H×nh 2.5(b) chØ ra chÕ ®é h×nh th nh vËt liÖu bÞ dån Ðp ë phÝa tr−íc h¹t cøng. Sù dÝnh x¶y ra gi÷a mÆt tr−íc cña h¹t cøng v vËt liÖu bÞ ®Èy dån ra khái bÒ mÆt. Mét phÇn vËt liÖu n y bÞ dån sang hai bªn, phÇn cßn l¹i dÝnh ë phÝa tr−íc h¹t cøng v cuèi cïng bÞ t¸ch ra gièng nh− tr−êng hîp c¾t. §èi víi kim lo¹i dÎo, c¸c c¬ chÕ c y, dån Ðp v c¾t ®−îc quan s¸t trªn SEM trªn h×nh 2.6. Hokkirigawa v Kato ®· nghiªn cøu lùc liªn quan ®Õn tõng chÕ ®é n y. C¸c H×nh 2.7. C¸c chÕ ®é biÕn d¹ng quan s¸t khi tr−ît mòi cÇu cøng trªn ®ång α, thÐp c¸c bon trung b×nh (45%) v thÐp tr¾ng «cxtenit l h m sè cña søc bÒn c¾t trªn mÆt tiÕp xóc v ®é ch×m s©u cña mòi cÇu. yÕu tè quyÕt ®Þnh l gãc tiÕp xóc θ, møc ®é ch×m s©u cña h¹t cøng v søc bÒn c¾t cña bÒ mÆt tiÕp xóc chung chØ ra trªn h×nh 2.7. Møc ®é ch×m s©u cña h¹t cøng l tû http://www.ebook.edu.vn 7
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN sè gi÷a chiÒu s©u r·nh v b¸n kÝnh tiÕp xóc, søc bÒn c¾t bÒ mÆt l tû sè gi÷a søc bÒn bÒ mÆt v søc bÒn trong lßng vËt thÓ. Trong tr−êng hîp h¹t cøng cã ®Çu nhän sÏ tån t¹i mét gãc tiÕp xóc giíi h¹n chuyÓn tõ c y v dån Ðp sang c¾t. Gãc tiÕp xóc giíi h¹n n y phô thuéc v o vËt liÖu bÞ mßn. Møc ®é ch×m s©u giíi h¹n tõ c y v dån Ðp sang c¾t sÏ t¨ng khi hÖ sè ma s¸t t¨ng. 2.2.1.2. ph−¬ng tr×nh ®Þnh l−îng Kh¶o s¸t m« h×nh ®¬n gi¶n trong ®ã mét bÒ mÆt mang mét d·y c¸c nhÊp nh« h×nh nãn cøng tr−ît trªn bÒ mÆt ph¼ng v t¹o nªn c¸c r·nh cã chiÒu s©u ®ång ®Òu. H×nh 2.8 chØ ra mét nhÊp nh« h×nh nãn ®¬n víi gãc nh¸m (gãc tiÕp xóc) θ t¹o nªn mét r·nh trªn bÒ mÆt vËt liÖu mÒm h¬n víi chiÒu s©u d v chiÒu réng 2a. Gi¶ thiÕt r»ng vËt liÖu ®¹t tíi giíi h¹n ch¶y d−íi t¸c dông cña t¶i träng ph¸p tuyÕn. H×nh 2.8. Mét h¹t cøng h×nh nãn trong tiÕp xóc tr−ît víi bÒ mÆt vËt liÖu mÒm h¬n cña chÕ ®é mßn do c o x−íc. 1 dW = πa 2 H 2 Trong ®ã H l ®é cøng cña bÒ mÆt vËt liÖu mÒm h¬n. ThÓ tÝch vËt liÖu bÞ dÞch chuyÓn trªn kho¶ng tr−ît x sÏ l : dv = a2xtgθ 2dWxtgθ Tõ ®ã ta cã: dv = πH Tæng thÓ tÝch vËt liÖu bÞ dÞch chuyÓn bëi tÊt c¶ c¸c nhÊp nh« l : 2 Wx (tgθ)tb v= πH Trong ®ã (tgθ)tb l gi¸ trÞ trung b×nh cña tÊt c¶ c¸c nhÊp nh« h×nh nãn gäi l yÕu tè ®é nh¸m. Ph−¬ng tr×nh n y ®−îc rót ra tõ mét m« h×nh rÊt ®¬n gi¶n bëi v× sù ph©n bè vÒ h×nh d¸ng, chiÒu cao nhÊp nh« v vËt liÖu tÝch tô ë phÝa tr−íc cña c¸c nhÊp nh« ®Òu bá qua. Mét ph−¬ng tr×nh cã d¹ng t−¬ng tù nh− ph−¬ng tr×nh cña Archard cho mßn dÝnh tho¶ m·n mét d¶i réng cña mßn c o x−íc l : Wx v = k abr H Kabr l hÖ sè mßn bao h m c¶ tÝnh chÊt h×nh häc cña c¸c nhÊp nh«, v x¸c xuÊt c¾t cña c¸c nhÊp nh« chø kh«ng ph¶i chØ cã x¸c xuÊt c y. V× vËy ®é nh¸m ¶nh h−ëng ®Õn thÓ tÝch mßn râ r ng. Gi¸ trÞ cña kabr thay ®æi trong d¶i tõ 10-6 ®Õn 10-1. Tèc ®é mßn do c o x−íc th−êng rÊt lín gÊp kho¶ng 2-3 lÇn so víi mßn do dÝnh. Ph−¬ng tr×nh mßn do c o x−íc hai vËt thÓ còng ®óng trong tr−êng hîp mßn http://www.ebook.edu.vn 8
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN do c o x−íc ba vËt thÓ nh−ng hÖ sè kabr thÊp h¬n bëi v× c¸c h¹t cøng cã xu h−íng l¨n nhiÒu h¬n tr−ît. Trong qu¸ tr×nh mßn, hiÖn t−îng cïn cña c¸c nhÊp nh« cøng hay c¸c h¹t cøng x¶y ra l m gi¶m tèc ®é mßn. Tuy nhiªn, c¸c h¹t cøng dßn cã thÓ vì ra t¹o th nh c¸c h¹t míi s¾c l m t¨ng tèc ®é mßn. 2.2.2. Mßn do c o x−íc b»ng nøt t¸ch H×nh 2.9. S¬ ®å c¬ chÕ mßn g©y ra bëi h¹t cøng s¾c khi tr−ît trªn mÆt ph¼ng cña vËt liÖu dßn do nøt ngang (lateral fracture). Kh¶o s¸t mét h¹t cøng s¾c tr−ît trªn mÆt ph¼ng cña mét vËt r¾n dßn. Khi t¶i träng ph¸p tuyÕn cßn nhá, h¹t cøng s¾c sÏ chØ g©y ra biÕn d¹ng dÎo trªn mÆt vËt r¾n v mßn x¶y ra do biÕn d¹ng dÎo. Khi t¶i träng ph¸p tuyÕn v−ît qua mét gi¸ trÞ n o ®ã mßn do nøt ngang l m t¨ng ®ét ngét tèc ®é mßn. 3 K  T¶i träng giíi h¹n tû lÖ víi  c  K c H trong ®ã H/Kc gäi l chØ sè ®é dßn, H l ®é cøng v Kc l ®é dai va ®Ëp. Tõ h×nh 2.10 cã thÓ thÊy r»ng c¸c vÕt nøt ngang ph¸t triÓn tõ øng suÊt d− g©y ra khi vËt liÖu bÞ biÕn d¹ng. ChiÒu d i lín nhÊt cña vÕt nøt v× thÕ chØ ®−îc ph¸t hiÖn khi H×nh 2.10. Sù h×nh th nh v ph¸t h¹t cøng rót ra khái bÒ mÆt. Khi h¹t cøng triÓn cña vÕt nøt trong c¸c chu kú tr−ît trªn bÒ mÆt, c¸c vÕt nøt ngang sÏ chÞu v nhÊc t¶i cña kÝnh ®¸ v«i sö ph¸t triÓn lªn phÝa trªn tíi bÒ mÆt tõ vïng d−íi bÒ mÆt bÞ biÕn d¹ng. C¸c m¶nh mßn dông mòi h×nh th¸p nhän. ®−îc t¸ch ra d−íi d¹ng c¸c m¶nh ®a diÖn tõ vïng giíi h¹n bëi c¸c ®−êng nøt ngang tíi bÒ mÆt tr−ît. http://www.ebook.edu.vn 9
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN ChiÒu d i vÕt nøt c cña h¹t cøng tr−ît trªn bÒ mÆt vËt liÖu dßn trªn h×nh 2.9 ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:  (E / H )3 / 5  c = α1  1 / 2 1 / 8  W 5 / 8  Kc H    Trong ®ã α1 l h»ng sè phô thuéc v o h×nh d¸ng cña h¹t cøng kh«ng phô thuéc vËt liÖu. ChiÒu s©u d cña vÕt nøt ngang trªn h×nh 2.9 ®−îc tÝnh nh− sau: 2/ 5 1/ 2 E W d = α2    H  H  Trong ®ã: α2 l h»ng sè kh«ng phô thuéc vËt liÖu kh¸c. ThÓ tÝch lín nhÊt cña vËt liÖu bÞ t¸ch ra do mét h¹t cøng trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît l 2dc. NÕu N ®Ønh nhÊp nh« tiÕp xóc víi bÒ mÆt mang t¶i v mçi nhÊp nh« chÞu t¶i l W th× thÓ tÝch mßn trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît sÏ l : (E / H )W 9 / 8 v = α3 N K1 / 2 H 5 / 8 c Trong ®ã α3 l hÖ sè kh«ng phô thuéc v o vËt liÖu. V× (E/H) kh«ng thay ®æi nhiÒu víi c¸c vËt r¾n dßn kh¸c nhau, nªn tèc ®é mßn tû lÖ nghÞch víi K 1 / 2 , H5/8. c Tèc ®é mßn tû lÖ thuËn víi W9/8 nghÜa l tèc ®é mßn do nøt ngang t¨ng nhanh h¬n tuyÕn tÝnh theo t¶i träng ph¸p tuyÕn nh− trong biÕn d¹ng dÎo. §iÒu n y ngô ý r»ng hÖ sè mßn trong ph−¬ng tr×nh mßn kh«ng ®éc lËp víi t¶i träng. 2.3. Mßn do mái Mái xuÊt hiÖn d−íi v trªn bÒ mÆt x¶y ra t−¬ng øng víi tiÕp xóc l¨n v tr−ît theo chu kú. Sù ®Æt v nhÊc t¶i theo chu kú cã thÓ l nguyªn nh©n g©y ra c¸c vÕt nøt d−íi hoÆc trªn bÒ mÆt. Sau mét sè chu kú giíi h¹n c¸c vÕt nøt sÏ ph¸t triÓn tíi bÒ mÆt t¹o nªn c¸c m¶nh mßn lín l m cho bÒ mÆt bÞ rç. Kh¸c víi mßn do dÝnh hoÆc c o x−íc khèi l−îng mßn do mái kh«ng ph¶i l th«ng sè cã ý nghÜa ®Ó ®¸nh gi¸ mßn m l sè chu kú hay thêi gian l m viÖc cña chi tiÕt tr−íc khi mái x¶y ra. Sù ph¸t triÓn cña vÕt nøt trë nªn m¹nh h¬n d−íi t¸c dông ho¸ häc (th−êng x¶y ra víi ceramics) gäi l mái tÜnh. Sù tån t¹i cña øng suÊt kÐo v h¬i n−íc ë ®Ønh cña vÕt nøt trong nhiÒu lo¹i ceramics l m t¨ng tèc ®é ph¸t triÓn cña vÕt nøt ®¸ng kÓ. T¸c dông thóc ®Èy biÕn d¹ng v nøt t¸ch do t¸c nh©n ho¸ häc l m t¨ng mßn trong c¶ ®iÒu kiÖn tÜnh v ®éng lùc cña l¨n v tr−ît. 2.3.1. Mái tiÕp xóc l¨n v tr−ît Mái tiÕp xóc l¨n kh«ng tr−ît Mßn do dÝnh hoÆc do c o x−íc x¶y ra do sù tiÕp xóc lý häc trùc tiÕp gi÷a hai bÒ mÆt chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau. NÕu hai bÒ mÆt bÞ ph©n t¸ch bëi mét líp m ng b«i tr¬n (kh«ng cã h¹t cøng rêi trong vïng tiÕp xóc) mßn kh«ng x¶y ra. Tuy nhiªn nÕu trªn mÆt tiÕp xóc chung víi tiÕp xóc nonconforming, øng xuÊt tiÕp xóc rÊt lín. Khi n y mÆc dï kh«ng x¶y ra sù tiÕp xóc trùc tiÕp, c¸c bÒ mÆt ®èi tiÕp vÉn chÞu øng suÊt lín ®−îc truyÒn qua m ng b«i tr¬n trong chuyÓn ®éng l¨n. C¸c chi tiÕt cña æ l¨n ®−îc thiÕt kÕ b«i tr¬n tèt th−êng bÞ háng v× mái x¶y ra d−íi bÒ mÆt. Theo ph©n tÝch øng suÊt ® n håi cña Hec, øng suÊt nÐn cùc ®¹i x¶y ra trªn bÒ mÆt nh−ng øng suÊt tiÕp cùc ®¹i l¹i xuÊt hiÖn d−íi bÒ mÆt mét kho¶ng n o ®ã. Khi sù l¨n x¶y ra, chiÒu cña øng suÊt tiÕp bÞ ®æi dÊu trªn tõng bÒ mÆt chi tiÕt. Thêi gian ®Ó mßn do mái x¶y ra phô thuéc v o c−êng ®é cña øng suÊt tiÕp ®æi chiÒu, ®iÒu kiÖn b«i tr¬n v tÝnh chÊt mái cña vËt liÖu l¨n. http://www.ebook.edu.vn 10
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN Khi mét vÕt nøt vÒ mái xuÊt hiÖn d−íi bÒ mÆt, nã sÏ ph¸t triÓn v t¸ch vËt liÖu vïng bÒ mÆt ra th nh nh÷ng m¶nh mßn máng. Bëi v× vËt liÖu trong tiÕp xóc l¨n th−êng qua t«i nªn bÒ mÆt th−êng cøng do ®ã c¸c vÕt nøt xuÊt hiÖn ë bÒ mÆt do øng suÊt kÐo t¹o nªn hiÖn t−îng mái bÒ mÆt. Mái bÒ mÆt l¨n kh«ng tr−ît ®Æc tr−ng bái sù h×nh th nh c¸c m¶nh mßn lín sau mét sè chu kú giíi h¹n n o ®ã. Tuæi thä cña c¸c th nh phÇn æ l¨n ký hiÖu L10 (®¬n vÞ triÖu vßng quay) cho 90% sè æ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: L10 = (C/W)p p = 3 ®èi víi æ bi H×nh 2.11. Sù thay ®æi cña øng suÊt p=10/3 ®èi víi æ ®òa tiÕp chÝnh theo chiÒu s©u d−íi ®iÓm Tuy nhiªn tuæi thä thùc cña æ l¨n tiÕp xóc cña hai bÒ mÆt cøng khi l¨n LA cßn phô thuéc v o nhiÒu yÕu tè nªn: kh«ng tr−ît ( µ = 0 ), tr−ît thuÇn tuý (µ LA = (D)(E)(F)(G)(H)L10 D l yÕu tè vËt liÖu, E yÕu tè ®iÒu lín), võa l¨n võa tr−ît (µ trung b×nh), a kiÖn l m viÖc, G l yÕu tè vËn tèc, H l b¸n kÝnh Hertzian. yÕu tè lÖch t©m. C¸c yÕu tè n y cã thÓ lín h¬n hoÆc nhá h¬n 1. Mái tiÕp xóc võa l¨n võa tr−ît Sù kÕt hîp gi÷a l¨n v tr−ît l m dÞch chuyÓn ®iÓm cã øng suÊt tiÕp cùc ®¹i lªn gÇn bÒ mÆt h¬n (h×nh 2.11) do ®ã vÞ trÝ háng do mái tiÕn gÇn bÒ mÆt h¬n. Sù tr−ît thóc ®Èy sù ph¸ huû bÒ mÆt do dÝnh. B«i tr¬n thÝch hîp cã thÓ h¹n chÕ ®Õn tèi thiÓu ¶nh h−ëng ph¸ huû bÒ mÆt do tr−ît trong ®iÒu kiÖn tiÕp xóc n y. Mái tiÕp xóc tr−ît Khi hai bÒ mÆt tr−ît t−¬ng ®èi mßn x¶y ra do dÝnh v c o x−íc. Tuy nhiªn cã thÓ thÊy r»ng c¸c ®Ønh nhÊp nh« cã thÓ tiÕp xóc v tr−ît víi nhau m kh«ng bÞ dÝnh hoÆc c o x−íc. øng suÊt tiÕp xóc ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« l m cho ®Ønh c¸c nhÊp nh« ë mét hoÆc c¶ hai bÒ mÆt bÞ biÕn d¹ng dÎo. Sù biÕn d¹ng ë bÒ mÆt hoÆc d−íi bÒ mÆt x¶y ra theo chu kú l nguyªn nh©n xuÊt hiÖn c¸c vÕt nøt (tõ mÇm vÕt nøt hoÆc nh÷ng chç trèng hoÆc vÕt nøt tÕ vi cã s½n) ë trªn bÒ mÆt hoÆc d−íi bÒ mÆt. C¸c vÕt nøt n y tiÕp tôc ph¸t triÓn. Sau mét sè lÇn tiÕp xóc nhÊt ®Þnh, c¸c nhÊp nh« n y bÞ ph¸ huû v t¹o th nh h¹t mßn. RÊt khã cã thÓ chøng minh mái l nguyªn nh©n mßn chÝnh trong mét tËp hîp c¸c ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh. Archard v Hirst cho r»ng kim lo¹i dÝnh sang bÒ mÆt ®èi tiÕp (material transfer) cuèi cïng t¸ch ra th nh nh÷ng h¹t mßn do qu¸ tr×nh mái. HÖ sè k trong ph−¬ng tr×nh mßn do dÝnh ®−îc gi¶i thÝch l x¸c xuÊt cña mét ®Ønh nhÊp nh« tiÕp xóc t¹o ra mét m¶nh mßn m kh«ng cã mét gi¶i thÝch n o vÒ b¶n chÊt vËt lý cña viÖc t¹o nªn m¶nh mßn. MÆc dï lý thuyÕt mßn do dÝnh gi¶i thÝch hiÖn t−îng dÝnh vËt liÖu sang bÒ mÆt ®èi tiÕp nh−ng kh«ng gi¶i thÝch ®−îc hiÖn t−îng h×nh th nh h¹t mßn rêi, ®Æc biÖt sù h×nh th nh h¹t mßn cña vËt liÖu cøng h¬n khi hai bÒ mÆt tr−ît trªn nhau. TÊt c¶ nh÷ng ®iÒu n y cã thÓ gi¶i thÝch b»ng gi¶i thuyÕt r»ng mßn l mét qu¸ tr×nh mái. yÕu tè k cã thÓ hiÓu r»ng mét h¹t m i ®−îc t¹o ra khi mét nhÊp nh« cã http://www.ebook.edu.vn 11
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN sè lÇn tiÕp xóc v biÕn d¹ng ®ñ ®Ó t¹o nªn sù nøt v× mái. Khi ®iÒu n y x¶y ra, mét h¹t mßn rêi ®−îc t¹o ra v tÊt nhiªn c¬ chÕ n y dïng ®Ó gi¶i thÝch cho s¶n phÈm cña c¸c h¹t mßn h×nh th nh tõ c¶ bÒ mÆt vËt liÖu r¾n h¬n v mÒm h¬n. C¬ chÕ mßn do mái kh«ng lo¹i bá kh¶ n¨ng dÝnh cña vËt liÖu sang bÒ mÆt ®èi tiÕp b»ng c¬ chÕ dÝnh nh−ng d−êng nh− phÇn lín c¸c hiÖn t−îng mßn ®Òu cã thÓ gi¶i thÝch vÒ ®Þnh tÝnh trªn khÝa c¹nh mßn do mái. Kragelskii cè g¾ng x©y dùng mét lý thuyÕt mái ®Þnh l−îng dùa trªn c¸c kÕt qu¶ cña Tavernelli v Coffin ng−êi ®· chØ ra r»ng trong mét d¶i réng cña vËt liÖu biÕn d¹ng dÎo t¹o ra trong mçi chu kú mái cã quan hÖ víi sè chu kú ph¸ huû N theo c«ng thøc sau: 2  2ε f ail    =N  εp    Trong ®ã: εp l ®é lín biÕn d¹ng dÎo sau mçi chu kú; εfail l biÕn dÎo khi ph¸ huû trong kÐo ®óng t©m. Tuy nhiªn Kragelskii d−êng nh− ®· sö dông tæng biÕn d¹ng chø kh«ng ph¶i l chØ biÕn d¹ng dÎo. H¬n n÷a «ng ®¸nh gi¸ xÊp xØ c−êng ®é biÕn d¹ng theo h×nh d¹ng h×nh häc cña nhÊp nh«. V× thÕ cã thÓ thÊy cho ®Õn nay kh«ng cã mét lý thuyÕt mßn do mái ho n thiÖn n o tån t¹i, mÆc dï ®©y l c¬ chÕ mßn d−êng nh− ®¸ng tin cËy h¬n c¬ chÕ cña lý thuyÕt mßn do dÝnh. 2.4. Mßn do va ch¹m Mßn do va ch¹m gåm 2 lo¹i chÝnh: erosion g©y ra bái c¸c tia, dßng c¸c h¹t r¾n, c¸c h¹t chÊt láng v sù vì ra cña bät h×nh th nh trong chÊt láng v mßn do va ch¹m theo chu kú cña c¸c vËt r¾n. 2.4.1. Mßn do va ch¹m cña h¹t cøng (erosion) Kh¸i niÖm Erosion l hiÖn t−îng va ch¹m cña c¸c h¹t cøng. §©y l mét d¹ng cña mßn c o x−íc do h¹t cøng g©y ra nh−ng cã ®Æc tr−ng riªng ®ã l øng suÊt tiÕp xóc sinh ra do n¨ng l−îng ®éng lùc häc cña c¸c h¹t khi va ch¹m v o bÒ mÆt. Tèc ®é cña h¹t, gãc va ch¹m kÕt hîp víi kÝch th−íc cña c¸c h¹t t¹o nªn n¨ng l−îng va ch¹m cña chóng tû lÖ víi b×nh ph−¬ng vËn tèc. C¸c h¹t mßn do va ch¹m t¸ch ra khái bÒ mÆt sau mét sè chu kú va ch¹m nhÊt ®Þnh. T−¬ng tù nh− mßn do c o x−íc nguyªn nh©n cña mßn do va ch¹m h¹t cøng l biÕn d¹ng dÎo v nøt t¸ch phô thuéc v o vËt liÖu bÞ mßn v c¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh. H×nh 2.12. chØ ra sù phô thuéc cña tèc ®é mßn v o gãc va ch¹m, cã thÓ thÊy tèc ®é mßn cña vËt liÖu dÎo v dßn l rÊt kh¸c nhau bëi chóng x¶y ra theo c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau (biÕn d¹ng dÎo v nøt t¸ch). H×nh d¹ng cña c¸c h¹t cøng ¶nh h−ëng ®Õn kiÓu biÕn d¹ng dÎo x¶y ra quanh vÞ trÝ va ch¹m v cã quan hÖ víi l−îng vËt H×nh 2.12. Tèc ®é mßn va ch¹m h¹t liÖu bÞ ®Èy ra. Trong tr−êng hîp vËt liÖu cøng l mét h m sè cña gãc va ch¹m dßn, møc ®é v sù khèc liÖt cña vÕt nøt phô thuéc v o ®é s¾c cña c¸c h¹t, c¸c θ. http://www.ebook.edu.vn 12
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN h¹t s¾c g©y mßn m¹nh h¬n so víi h¹t cïn. §èi víi vËt liÖu dÎo, ng−êi ta ®· quan s¸t ®−îc hai c¬ chÕ mßn c¬ b¶n do va ch¹m cña h¹t cøng ®ã l c¾t (cutting erosion) v c y (ploughing erosion). Tuy nhiªn møc ®é mßn g©y bëi hai c¬ chÕ n y còng phô thuéc v o gãc va ch¹m. ë chÕ ®é c¾t mßn x¶y ra m¹nh nhÊt theo ph−¬ng grazing v chÕ ®é c y theo ph−¬ng vu«ng gãc. §é cøng bÒ mÆt v tÝnh dÎo l hai tÝnh chÊt quan träng nhÊt cña vËt liÖu chèng l¹i mßn do va ch¹m c¾t v biÕn d¹ng dÎo cña h¹t cøng. Mßn do va ch¹m cña c¸c h¹t cøng l mét vÊn ®Ò quan t©m trong m¸y mãc nh− sù va ch¹m cña c¸c h¹t c¸t v o c¸nh tua bin, c¸nh m¸y bay lªn th¼ng, c¸nh qu¹t m¸y bay, ch¾n giã m¸y bay, ®Çu phun c¸t, tua bin than, tua bin thuû lùc b¬m ly t©m sö dông b¬m bïn than. Tuy nhiªn va ch¹m h¹t cøng còng cã nhiÒu øng dông cã lîi trong viÖc l m s¹ch c¸c bÒ mÆt cña chi tiÕt m¸y. Ph−¬ng tr×nh ®Þnh l−îng Xem xÐt hiÖn t−îng liªn quan ®Õn biÕn d¹ng dÎo g©y ra bëi mét h¹t cøng va ch¹m v o mét bÒ mÆt mÒm h¬n víi gãc va ch¹m b»ng 90°. Gi¶ thiÕt h¹t cøng kh«ng bÞ biÕn d¹ng v biÕn d¹ng cña bÒ mÆt l tuyÖt ®èi dÎo víi ®é cøng kh«ng ®æi. T¹i thêi ®iÓm t sau tiÕp xóc ban ®Çu, h¹t cøng víi khèi l−îng dm v vËn tèc v sÏ ®i v o bÒ mÆt víi chiÒu s©u l x v diÖn tÝch mÆt c¾t ngang t−¬ng øng l A(x) phô thuéc v o h×nh d¹ng cña h¹t cøng chØ ra trªn h×nh 2.13. Ph−¬ng tr×nh vi ph©n chuyÓn ®éng cña h¹t cã thÓ viÕt nh− sau: H×nh 2.13. S¬ ®å mßn va ch¹m cña mét h¹t cøng va ch¹m th¼ng gãc v o mét bÒ mÆt mÒm h¬n. d 2x − HA( x) = dm 2 dt NÕu h¹t cøng ®¹t tíi vÞ trÝ nghØ ë ®é s©u d sau kho¶ng thêi gian to th× tæng c«ng cña lùc c¶n b»ng n¨ng l−îng ®éng lùc ban ®Çu cña h¹t d dmv 2 1 ∫ HA( x)dx = 2dmv hay dv = 2 H 2 0 Trong dv l thÓ tÝch cña vËt liÖu bÞ dån ®Èy khái vÕt va ch¹m. NÕu m l khèi l−îng h¹t va ch¹m th×: mv 2 v= 2H V× kh«ng ph¶i tÊt c¶ vËt liÖu bÞ dån ®Èy ®Òu t¹o th nh h¹t mßn nªn nÕu k l hÖ sè tû lÖ víi l−îng vËt liÖu bÞ dån ®Èy t¹o th nh h¹t mßn th×. mv 2 v=k 2H Ph−¬ng tr×nh mßn do va ch¹m cña h¹t cøng th−êng ®−îc viÕt d−íi d¹ng tû sè va ch¹m kh«ng thø nguyªn E b»ng khèi l−îng vËt liÖu bÞ t¸ch ra chia cho khèi l−îng c¸c h¹t cøng va ch¹m v o bÒ mÆt. http://www.ebook.edu.vn 13
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN kρv 2 E= 2H Trong ®ã: ρ l tû träng cña vËt liÖu bÞ mßn. So s¸nh víi ph−¬ng tr×nh mßn do c o x−íc, thÓ tÝch mßn do va ch¹m cña h¹t cøng còng tû lÖ nghÞch víi ®é cøng H. T¶i träng ph¸p tuyÕn ®−îc thay thÕ b»ng mv2. Tuy nhiªn ®©y chØ l m« h×nh ®¬n gi¶n v× trong m« h×nh kh«ng ®Ò cËp ®Õn gãc va ch¹m, h×nh d¸ng v kÝch th−íc cña h¹t cøng. HÖ sè k biÕn thiªn tõ 10-5-10-1. Mßn do va ch¹m cña h¹t cøng do nøt t¸ch v× dßn phô thuéc v o ®é dai va ®Ëp cña vËt liÖu bÞ mßn do va ch¹m. 2.4.2. Mßn do va ch¹m cña c¸c vËt r¾n (percussion) Percussion l va ch¹m cã chu kú cña vËt thÓ r¾n th−êng gÆp ë ®Çu bóa in trong m¸y in, c¸c øng dông ®iÖn c¬ cao tèc v trong c¸c nhÊp nh« bÒ mÆt nh« cao trong æ b«i tr¬n khÝ. Trong phÇn lín c¸c øng dông va ch¹m liªn quan ®Õn tr−ît nghÜa l bao gåm c¶ th nh phÇn ph¸p v tiÕp. Mßn do percussion x¶y ra nhê c¬ chÕ hybrid l sù kÕt hîp cña mét lo¹t c¬ chÕ: dÝnh, h¹t cøng, mái bÒ mÆt, nøt t¸ch v tribochemical. H×nh 2.14. S¬ ®å va ch¹m cña mét ®Çu va ch¹m víi tÊm ph¼ng chuyÓn ®éng ngang. M« h×nh cña mßn do va ch¹m vËt r¾n chØ ra trªn h×nh 2.14 bao gåm ®Çu va ch¹m b¸n kÝnh R h−íng vu«ng gãc víi chuyÓn ®éng cña mét khèi cã vËn tèc u. §Çu va ch¹m cã thÓ coi nh− mét chÊt ®iÓm v ®−îc ®ì b»ng mét lß xo cã ®é cøng k. T¹i thêi ®iÓm ts ®Çu va ch¹m gÆp khèi chuyÓn ®éng ngang. Sau ®ã chóng cïng chuyÓn ®éng cho tíi khi va ch¹m kÕt thóc. Sù biÕn ®æi cña lùc va ch¹m Hec sau mét chu kú cña qu¸ tr×nh va ch¹m chØ ra trªn h×nh 2.15 cã d¹ng qu¶ chu«ng. §Ó ®¬n gi¶n ta gi¶ thiÕt lùc va ch¹m Hec F(t) biÕn thiªn theo quy luËt h×nh sin.  πt  F (t ) = Fo sin  t   i Gi¸ trÞ cùc ®¹i Fo phô thuéc v o h×nh d¹ng h×nh häc, vËt liÖu v c¸c th«ng sè va ch¹m ph¸p tuyÕn. §èi víi mét tiÕp xóc ® n håi cña ®Çu va ch¹m trªn trªn mét tÊm ph¼ng khèi l−îng v« h¹n cã m« ®un ® n håi v« h¹n ta cã: http://www.ebook.edu.vn 14
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN 2/5 3/ 5   4E  5 Fo elastic =  mv 2   R1/ 2  ( ) 2 3  3 1 −ν  ViÕt ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng cña tÊm khèi l−îng v« cïng chuyÓn ®éng theo ph−¬ng ngang. t mx = µ ∫ F (t )dt & 0 Trong ®ã: µ l hÖ sè ma s¸t. Sö dông 2 ph−¬ng tr×nh ®Çu tÝnh thêi gian tr−ît ts t t s ≈ i cos −1 (1 − S ) π πmu Trong ®ã: S= µFo t i S gäi l yÕu tè tr−ît. NÕu S=0, sù va ch¹m vu«ng gãc x¶y ra. NÕu S lín sù tr−ît x¶y ra trong thêi gian d i h¬n trong qu¸ tr×nh va ch¹m. NÕu S ≥ 2, sù tr−ît x¶y ra trong to n bé thêi gian tiÕp xóc. Mßn do va ch¹m tû lÖ thuËn víi yÕu tè tr−ît bëi v× mßn chñ yÕu x¶y ra trong phÇn va ch¹m cña tr−ît t−¬ng ®èi. Va ch¹m ph¸p tuyÕn trªn bÒ mÆt cøng h¬n cã thÓ t¹o nªn c¬ chÕ mßn do mái d−íi bÒ mÆt. Mét va ch¹m x¶y ra cïng sù tr−ît (va ch¹m kÕt hîp) t¹o nªn mái bÒ mÆt v /hoÆc dÝnh, mßn do c o x−íc. C¸c c¬ chÕ mßn riªng biÖt phô thuéc v o h×nh häc, vËt liÖu v c¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh. Víi c¸c vËt liÖu cã ®é dai va ®Ëp H×nh 2.15. S¬ ®å chu kú lùc va cao, sù tham gia cña mái bÒ mÆt cã thÓ ch¹m bá qua. ¸p dông ph©n tÝch mßn do va ch¹m cho va ch¹m cña ®Çu in víi giÊy bao phñ tÊm ph¼ng. Mßn do c o x−íc ®Çu in x¶y ra trong qu¸ tr×nh tr−ît (slipping time). ThÓ tÝch mßn v theo kho¶ng c¸ch tr−ît x cña ®Çu in víi giÊy l : dv(t ) kF (t ) = dx(t ) H Trong ®ã k l hÖ sè mßn, H l ®é cøng cña ®Çu in. Tæng thÓ tÝch mßn sau mçi chu kú va ch¹m l . ts ktFS k v = ∫ F (t )dx(t ) = u i o Víi 0 ≤ S ≤ 2 2πH H 0 kmv 2 2kut i Fo  1  1 −  Víi S ≥ 2 v= = πH  S  2 µH Khi thÓ tÝch mßn trong mét chu kú ®−îc x¸c ®Þnh, mßn tæng sau N chu kú cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng c¸ch nh©n mßn ®¬n vÞ víi N. http://www.ebook.edu.vn 15
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN 2.4. Mßn ho¸ häc Mßn ho¸ häc x¶y ra khi c¸c bÒ mÆt ®èi tiÕp ho¹t ®éng trong m«i tr−êng cã ho¹t tÝnh ho¸ häc. Trong kh«ng khÝ nguyªn tè cã ho¹t tÝnh ho¸ häc nhÊt l «xy, do ®ã mßn ho¸ häc trong kh«ng khÝ ®«i khi gäi l mßn do «xy ho¸. Khi c¸c bÒ mÆt ®èi tiÕp kh«ng cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi, s¶n phÈm ¨n mßn ho¸ häc l líp m ng bÒ mÆt cã cã chiÒu d y nhá h¬n 1µm cã xu h−íng c¶n trë hoÆc ng¨n qu¸ tr×nh ¨n mßn tiÕp tôc ph¸t triÓn. Nh−ng khi tr−ît x¶y ra gi÷a hai bÒ mÆt, líp m ng do ¨n mßn ho¸ häc bÞ cuèn ®i v× thÕ c¸c ph¶n øng ho¸ häc l¹i tiÕp tôc x¶y ra. Mßn ho¸ häc v× vËy cÇn hai ®iÒu kiÖn c¶ ph¶n øng ho¸ häc v chuyÓn ®éng tr−ît t−¬ng ®èi ®Ó l m vì líp m ng ho¸ häc. Mßn ho¸ häc l mét hiÖn t−îng cÇn quan t©m, ®Æc biÖt trong c¸c ng nh c«ng nghiÖp nh− má, tuyÓn kho¸ng, d©y chuyÒn ho¸ häc, xö lý bïn, n−íc th¶i. Mßn ho¸ häc x¶y ra do sù t−¬ng t¸c ho¸ häc hoÆc ®iÖn ho¸ cña bÒ mÆt chi tiÕt víi m«i tr−êng. Mßn ho¸ häc x¶y ra trong m«i tr−êng ¨n mßn, nhiÖt ®é v ®é Èm cao. Mßn ®iÖn ho¸ x¶y ra khi ph¶n øng ho¸ häc ®i kÌm theo víi t¸c dông cña dßng ®iÖn x¶y ra trong qu¸ tr×nh ®iÖn ph©n. Sù tån t¹i cña chÊt b«i tr¬n cã t¸c dông c« lËp c¸c bÒ mÆt tiÕp xóc khái m«i tr−êng ¨n mßn ho¸ häc. Tuy nhiªn c¸c chÊt ¨n mßn cã thÓ ho tan v o chÊt b«i tr¬n nh− n−íc v o dÇu v chÊt b«i tr¬n còng bÞ ph©n tÝch ®Ó trë nªn cã ho¹t tÝnh ho¸ m¹nh h¬n. Khi ¨n mßn ho¸ häc l nguyªn nh©n chÝnh cña mßn, mét t−¬ng t¸c phøc t¹p gi÷a c¸c c¬ chÕ mßn kh¸c nhau lu«n tån t¹i. §Çu tiªn mßn cã thÓ l do dÝnh hoÆc do c o x−íc sau ®ã l sù kÕt hîp cña mßn ho¸ häc v mßn do c o x−íc. øng suÊt tiÕp xóc cao cã thÓ l m t¨ng ¨n mßn côc bé dÉn ®Õn sù t¹o th nh c¸c lç ch©m kim trªn bÒ mÆt. øng suÊt d− trong lßng kim lo¹i cã thÓ g©y ra nøt do kÕt hîp víi sù ¨n mßn trong m«i tr−êng ho¹t tÝnh cao. Hiªn t−îng n y kÕt hîp víi sù tr−ît bÒ mÆt cã thÓ g©y ra mßn m¹nh gièng nh− sù ¨n mßn cña mét pha trong hîp kim æ hai pha. HiÖn t−îng ¨n mßn ®«i khi còng cã lîi, líp m ng «xy ho¸ v c¸c s¶n phÈm cña sù ¨n mßn cã thÓ ng¨n c¶n dÝnh gi÷a ®Ønh c¸c nhÊp nh« v gi¶m mßn kim lo¹i trong ch©n kh«ng. 2.5. Mßn Tribochemical Ma s¸t l m thay ®æi ®éng lùc häc cña c¸c t−¬ng t¸c ho¸ häc gi÷a c¸c bÒ mÆt tr−ît v víi khÝ hoÆc chÊt láng trong m«i tr−êng do t¸c dông sinh nhiÖt trªn bÒ mÆt tiÕp xóc. Ng nh ho¸ häc nghiªn cøu t¸c dông thay ®æi c¸c ph¶n øng ho¸ häc b»ng ma s¸t hoÆc n¨ng l−îng c¬ häc gäi l tribochemistry, mßn bÞ kiÓm so¸t bëi c¸c ph¶n øng n y gäi l mßn ho¸ häc. NhiÖt sinh ra do t−¬ng t¸c ma s¸t ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« l m t¨ng tèc ®é cña ph¶n øng ho¸ häc l c¬ chÕ ®Æc tr−ng nhÊt cña mßn tribochemical. Ngo i nhiÖt do ma s¸t c¸c c¬ chÕ kh¸c bao gåm: sù h×nh th nh c¸c bÒ mÆt s¹ch do hiÖn t−îng ph¸ huû c¸c líp m ng bÒ mÆt, t¨ng tèc hiÖn t−îng khuyÕch t¸n v kÝch thÝch c¬ ho¸ trùc tiÕp liªn kÕt bÒ mÆt. C¸c ph¶n øng tribochemical l nguyªn nh©n mßn «xy ho¸ kim lo¹i, mßn tribochemical cña ceramics, v sù h×nh th nh c¸c líp m ng chÊt dÎo ma s¸t trªn bÒ mÆt tr−ît khi cã sù tån t¹i cña chÊt h÷u c¬, sù ho tan cña Nitrit Silic trong n−íc khi tr−ît m kh«ng bÞ nøt t¸ch. øng dông cña tribochemistry bao gåm sù h×nh th nh sù h×nh th nh líp m ng ma s¸t polymer, mßn v ®¸nh bãng bÒ mÆt kh«ng g©y nøt t¸ch (chemomechanical polishing). 2.6. Mßn fretting HiÖn t−îng fretting x¶y ra khi chuyÓn ®éng dao ®éng víi tÇn sè thÊp (trong kho¶ng v i chôc nan«mÐt ®Õn v i chôc micr«mÐt) x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc http://www.ebook.edu.vn 16
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN chung cña c¸c bÒ mÆt (vÒ danh nghÜa l ®øng yªn). §©y l hiÖn t−îng phæ biÕn bëi v× phÇn lín c¸c m¸y mãc ®Òu bÞ dao ®éng, c¶ khi vËn chuyÓn lÉn khi ho¹t ®éng. Thùc chÊt fretting l mét d¹ng cña mßn do dÝnh v do h¹t cøng m ë ®ã t¶i träng ph¸p tuyÕn g©y nªn hiÖn t−îng dÝnh ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« v chuyÓn ®éng dao ®éng g©y nªn sù c¾t ®øt t¹o nªn c¸c m¶nh mßn. Fretting kÕt hîp víi ¨n mßn ho¸ häc l hiÖn t−îng phæ biÕn nhÊt gäi l fretting ho¸. VÝ dô c¸c h¹t mßn thÐp s¹ch ®−îc t¹o ra gi÷a hai bÒ mÆt sÏ bÞ «xy ho¸ t¹o th nh «xuýt Fe2O3 sÏ l nguån c¸c h¹t cøng trªn mÆt tiÕp xóc chung. Bëi v× c¸c bÒ mÆt ®−îc Ðp s¸t víi nhau v dao ®éng víi biªn ®é rÊt nhá nªn c¸c bÒ mÆt kh«ng bao giê t¸ch rêi nhau v nh− thÕ sÏ kh«ng cã c¬ héi ®Ó c¸c m¶nh mßn n y lät ra ngo i. Dao ®éng tiÕp tôc x¶y ra t¹o ra c¸c m¶nh mßn míi v tiÕp tôc bÞ «xy ho¸ v cø thÕ. Do vËy mßn trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît do fretting cã thÓ lín h¬n so víi mßn do dÝnh v do c o x−íc th«ng th−êng. Dao ®éng trong mßn fretting chñ yÕu do kÝch ®éng tõ bªn ngo i, nh−ng trong nhiÒu tr−êng hîp ®ã l kÕt qu¶ cña mét trong nh÷ng chi tiÕt chÞu øng suÊt thay ®æi chu kú. C¸c vÕt nøt sÏ ®−îc t¹o ra v d¹ng mßn ®ã gäi l mái fretting. Mßn do fretting sÏ t¨ng ®ét ngét khi biªn ®é dao ®éng tr−ît v−ît qua d¶i biªn ®é giíi h¹n. Víi mét biªn ®é dao ®éng nhÊt ®Þnh, khèi l−îng mßn trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît cña mét ®¬n vÞ t¶i träng ph¸p tuyÕn sÏ t¨ng tuyÕn tÝnh theo sè chu kú dao ®éng tíi biªn ®é dao ®éng ®Õn 100 µm. Khi v−ît qua biªn ®é giíi h¹n n y, tèc ®é mßn sÏ ®¹t tíi h»ng sè gièng nh− tèc ®é mßn trong tr−ît liªn tôc v tr−ît khø håi. §iÒu n y cho phÐp ®−a ra mét giíi h¹n trªn cã thÓ cña biªn ®é tr−ît cho fretting. ë biªn ®é nhá, ®Æc tr−ng cña fretting, vËn tèc tr−ît t−¬ng ®èi nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi tr−ît th«ng th−êng mÆc dï biªn ®é dao ®éng cã thÓ cao. Tèc ®é mßn do fretting tû lÖ thuËn víi t¶i träng ph¸p tuyÕn víi biªn ®é tr−ît cho tr−íc. Trong tr−ît bé phËn, tÇn sè dao ®éng Ýt ¶nh h−ëng tíi tèc ®é mßn trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît trong d¶i tÇn sè thÊp. T¨ng tèc ®é biÕn d¹ng ë tÇn sè cao dÉn ®Õn t¨ng ph¸ huû do mái v ¨n mßn ho¸ häc do nhiÖt ®é t¨ng. Tuy nhiªn trong tr−ît to n phÇn tÇn sè Ýt cã ¶nh h−ëng. §Ó gi¶m ®Õn møc thÊp nhÊt mßn do fretting, m¸y mãc thiÕt kÕ ph¶i gi¶m ®Õn tèi thiÓu dao ®éng, gi¶m øng suÊt hoÆc lo¹i trõ viÖc thiÕt kÕ hai phÇn cïng nhau. 3. Mßn vËt liÖu Qu¸ tr×nh mßn nãi chung ®−îc ®Þnh l−îng b»ng tèc ®é mßn l thÓ tÝch hay khèi l−îng vËt liÖu bÞ t¸ch ra khái bÒ mÆt trong mét ®¬n vÞ thêi gian hay mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît. C¸c d¹ng kh¸c cã thÓ kh«ng cã thø nguyªn nh− tû sè chiÒu s©u vËt liÖu mßn trªn mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît hoÆc tû sè thÓ tÝch vËt liÖu t¸ch ra trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch tiÕp xóc v mét ®¬n vÞ chiÒu d i tr−ît. Mßn l mét h m sè phøc t¹p theo thêi gian. Tõ ®å thÞ tèc ®é mßn cã thÓ thÊy r»ng tèc ®é mßn gi÷ h»ng sè trong mét giai ®o¹n n o ®ã sau ®ã cã thÓ thay ®æi nÕu cã sù thay ®æi vÒ c¬ chÕ mßn. Mßn trong qu¸ tr×nh ch¹y r phô thuéc v o tÝnh chÊt v cÊu tróc vËt liÖu ban ®Çu còng nh− tr¹ng th¸i bÒ mÆt nh− ®é nh½n, sù tån t¹i cña líp m ng bÒ mÆt. Trong giai ®o¹n chuyÓn c¬ chÕ mßn, ®é nh¸m bÒ mÆt bÞ biÕn ®æi do biÕn d¹ng dÎo. Tuy nhiªn c¸c ®iÒu kiÖn ®Çu cã ¶nh h−ëng tíi sù ph¸ huû trong giai ®o¹n chuyÓn ®æi v thêi l−îng cña nã. Gièng nh− ma s¸t, tèc ®é mßn cña mét vËt liÖu phô thuéc v o vËt liÖu ®èi tiÕp hoÆc cÆp vËt liÖu, tr¹ng th¸i bÒ mÆt v ®iÒu kiÖn l m viÖc. ý nghÜa cña c¸c hÖ sè mßn hoÆc d÷ liÖu mßn trong c¸c c«ng tr×nh c«ng bè th−êng n»m ë c¸c gi¸ trÞ t−¬ng ®èi h¬n l c¸c gi¸ trÞ tuyÖt ®èi. http://www.ebook.edu.vn 17
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN Mßn l mét h m sè phøc t¹p theo thêi gian. Tèc ®é mßn ban ®Çu cã thÓ thÊp sau ®ã t¨ng hoÆc ng−îc l¹i (h×nh 2.16). Sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh tèc ®é mßn gi÷ h»ng sè trong mét giai ®o¹n sau ®ã cã thÓ thay ®æi nÕu cã sù thay ®æi vÒ c¬ chÕ mßn trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm vÒ mßn. Qu¸ tr×nh ch¹y r phô thuéc v o cÊu tróc, tÝnh H×nh 2.16: Ba tr−êng hîp gi¶ thuyÕt vÒ thÓ tÝch chÊt ban ®Çu cña vËt liÖu mßn l h m sè cña kho¶ng c¸ch tr−ît chØ ra c¸c v c¸c tr¹ng th¸i bÒ mÆt. giai ®o¹n ch¹y r , æn ®Þnh v khèc liÖt Trong giai ®o¹n chuyÓn tiÕp n y ®é nh¸m bÒ mÆt bÞ biÕn ®æi do biÕn d¹ng dÎo ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« bÒ mÆt. §iÒu kiÖn ban ®Çu ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn tèc ®é mßn bÒ mÆt trong qu¸ tr×nh ch¹y r v kho¶ng thêi gian ch¹y r . Mét cÆp ®«i ma s¸t cïng lo¹i thÐp cho ma s¸t v mßn cao cßn c¸c cÆp kim lo¹i kh¸c nhau cho ma s¸t v mßn trung b×nh trong tr−êng hîp cã b«i tr¬n. Kh¸c víi thÐp v kim lo¹i ceramics tr−ît so víi kim lo¹i hoÆc víi chÝnh nã hoÆc víi ceramics kh¸c lo¹i cho hÖ sè ma s¸t trung b×nh nh−ng mßn l¹i rÊt thÊp. Polymers v chÊt b«i tr¬n r¾n tr−ît víi bÒ mÆt cøng cho hÖ sè ma s¸t rÊt thÊp nh−ng mßn l¹i kh¸ cao. 3.1. Mßn kim lo¹i v hîp kim CÆp kim lo¹i §é cøng Vickers HÖ sè mßn k (kg/mm2) (x 10-4) Cadmium tr−ît trªn Cadmium 20 57 KÏm tr−ît trªn kÏm 38 530 B¹c tr−ît trªn b¹c 43 40 §ång tr−ît trªn ®ång 95 110 Platin tr−ît trªn platin 138 130 ThÐp c¸c bon thÊp tr−ît trªn thÐp c¸c 158 150 bon thÊp ThÐp tr¾ng tr−ît trªn thÐp tr¾ng 217 70 Cadmium tr−ît trªn thÐp c¸c bon thÊp 20 0,3 §ång tr−ît trªn thÐp c¸c bon thÊp 95 5 Platin tr−ît trªn thÐp c¸c bon thÊp 138 5 ThÐp c¸c bon th¸p tr−ît trªn ®ång 95 1,7 Platin tr−ît trªn b¹c 43 0,3 B¶ng 2.1. HÖ sè mßn cña vËt liÖu mÒm cho c¸c cÆp kim lo¹i – kim läai kh¸c nhau víi t¶i träng 20N v vËn tèc tr−ît 1,8 m/s. C¸c gi¸ trÞ tiªu chuÈn cña ®é cøng l cña vËt liÖu mßn mÒm h¬n trong mçi cÆp vËt liÖu. C¸c bÒ mÆt kim lo¹i v hîp kim s¹ch ë c¸c tiÕp xóc r¾n biÓu hiÖn tÝnh dÝnh cao do ®ã ma s¸t v mßn cao, ®Æc biÖt tiÕp xóc cña c¸c bÒ mÆt s¹ch trong ch©n http://www.ebook.edu.vn 18
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN kh«ng cho tèc ®é mßn rÊt cao. C¸c líp m ng ho¸ häc máng nhÊt h×nh th nh trªn bÒ mÆt tiÕp xóc ®Òu cã kh¶ n¨ng gi¶m dÝnh dÉn ®Õn gi¶m ma s¸t v mßn. Trong tr−êng hîp kim lo¹i mÒm nh− In, Pb v Sn tiÕp xóc ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« rÊt réng v thËm trÝ khi t¶i träng nhá do ®ã tèc ®é mßn cao. C¸c kim lo¹i cã cÊu tróc lôc gi¸c xÕp chÆt nh− Co v Mg còng nh− c¸c kim lo¹i kh«ng cã cÊu tróc n y nh− Mo, Cr ®Òu biÓu hiÖn ma s¸t v mßn thÊp. Do ®ã Co, Mo v Cr l c¸c nguyªn tè hîp kim th«ng dông trong thÐp ®Ó gi¶m ma s¸t v mßn ®ång thêi t¨ng kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn. Nãi chung mßn cña hîp kim thÊp h¬n c¸c nguyªn tè nguyªn chÊt. HÖ sè mßn k cho mét lo¹t c¸c kim lo¹i gièng v kh¸c nhau cho trong b¶ng 2.1. ThÐp l d¹ng vËt liÖu th«ng dông nhÊt sö dông trong c¶ øng dông cÊu tróc v tribological. Trªn c¬ së cña th nh phÇn ho¸ häc (tû lÖ % cña nguyªn tè hîp kim v c¸c bon) v ®Æc ®iÓm qu¸ tr×nh gia c«ng, mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt vËt lý v cÊu tróc tÕ vi kh¸c nhau ®−îc h×nh th nh. Kh¶ n¨ng chèng mßn cña thÐp cã cÊu tróc kh¸c nhau chØ ra trªn h×nh 2.17. C¸c d÷ liÖu vÒ mßn chØ ra r»ng trong sè c¸c lo¹i thÐp thÝ nghiÖm kiÓu tõ 201- 301 v ®é cøng ®¹t 440C thÐp lo¹i Nitronic cho kh¶ n¨ng chèng mßn tèt khi b¶n th©n chóng tr−ît víi nhau trong ®iÒu kiÖn kh«ng b«i tr¬n. Tèc ®é mßn cña thÐp hîp kim niken cao n»m trong kho¶ng gi÷a thÐp tr¾ng mactensit v ècstennit. C¸c hîp kim trªn nÒn Co còng cã tÝnh chèng mßn cao. Sù phèi hîp vËt liÖu kh¸c nhau nh− thÐp víi ®ång Si v hîp kim Stellite. C¸c d÷ liÖu vÒ mßn còng chØ ra r»ng cã thÓ c¶i thiÖn kh¶ n¨ng chèng mßn b»ng viÖc thay ®æi tÝnh chÊt c¸c líp bÒ mÆt b»ng c¸c biÖn ph¸p xö lý bÒ mÆt hoÆc phñ bÒ mÆt vv… c¸c thèng sè vËn h nh nh− t¶i träng ph¸p tuyÕn, tèc ®é tr−ît t−¬ng ®èi, v m«i tr−êng cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn chÕ ®é mßn còng nh− tèc ®é mßn. H×nh 2.17. Kh¶ n¨ng chèng mßn t−¬ng ®èi nh− l mét h m sè cña ®é cøng theo c¸c cÊu tróc tÕ vi kh¸c nhau. 3.1.1. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn mßn «xy ho¸ Sù h×nh th nh líp m ng «xy ho¸ bÒ mÆt cã thÓ gi¶m tèc ®é mßn tíi hai lÇn so víi l m viÖc trong m«i tr−êng khÝ tr¬. ë nhiÖt ®é thÊp, s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh «xy ho¸ bÒ mÆt chØ h×nh th nh ë ®Ønh c¸c nhÊp nh« tiÕp xóc. ë nhiÖt ®é cao h¬n, «xy ho¸ x¶y ra trªn to n bÒ mÆt v ¶nh h−ëng tíi mßn. Khi sö dông thÐp l m ®«i ma s¸t, s¶n phÈm «xy ho¸ cña c¸c h¹t mßn phô thuéc v o ®iÒu kiÖn tr−ît. ë tèc ®é http://www.ebook.edu.vn 19
Ma s¸t vµ mßn – phÇn 2 TS. Phan Quang ThÕ - Bé m«n C¬ së ThiÕt kÕ m¸y - Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, §¹i häc TN thÊp, c¸c h¹t mßn chñ yÕu l α-Fe2O3, cßn ë tèc ®é trung b×nh chñ yÕu l Fe3O4, ë tèc ®é cao l FeO. ¤xy v c¸c ph©n tö cña c¸c nguyªn tè kh¸c hÊp thô trªn bÒ mÆt cña kim lo¹i v ceramics s¹ch t¹o nªn liªn kÕt ho¸ häc m¹nh víi c¸c bÒ mÆt n y. Sù khuyÕch t¸n cña c¸c nguyªn tè cã ho¹t tÝnh qua líp n y bÞ chËm dÇn theo thêi gian. Tèc ®é «xy ho¸ cña s¾t v nhiÒu kim lo¹i tu©n theo quy luËt parab«n. h = Ct 1 / 2 Trong ®ã: h l chiÒu d y cña líp m ng «xy ho¸, t l gi¸ trÞ t¨ng trung b×nh cña thêi gian, C l h»ng sè cña parab«n. Bëi v× hiÖn t−îng khuyÕch t¸n phô thuéc v o t¸c ®éng cña nhiÖt, tèc ®é d y lªn cña líp m ng «xy ho¸ trong qu¸ tr×nh tr−ît l mét h m sè cña nhiÖt ®é t−¬ng tù nh− «xy ho¸ ë ®iÒu kiÖn tÜnh. K = e (− Q / RT ) K l h»ng sè cña parab«n m« t¶ tèc ®é d y lªn cña líp m ng «xy ho¸, A l h»ng sè Arrhenius (kg2/(m4s)) cña ph¶n øng «xy ho¸, Q l n¨ng l−îng ho¹t tÝnh cña parab«n liªn quan ®Õn «xuýt (KJ/mole), l h»ng sè khÝ Arrhenius trong tr−êng hîp tr−ît. H»ng sè n y gÊp kho¶ng v i lÇn h»ng sè trong ®iÒu kiÖn tÜnh. §iÒu n y cã nghÜa l tèc ®é «xy ho¸ trong ®iÒu kiÖn tr−ît x¶y ra nhanh h¬n ®iÒu kiÖn tÜnh nhiÒu do tèc ®é khuyÕch t¸n cña s¾t qua líp m ng «xy ho¸ t¨ng. 3.1.2. ¶nh h−ëng cña ®iÒu kiÖn vËn h nh H×nh 2.18. B¶n ®å vïng mßn cña ®Çu thÐp tr−ît kh« trªn ®Üa thÐp (pin on disk) trong kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é trong phßng. B¶n ®å mßn lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng ®Õn c¸c c¬ chÕ mßn. Kh«ng cã mét c¬ chÕ mßn ®¬n n o x¶y ra trong mét d¶i réng c¸c ®iÒu kiÖn vËn h nh, thùc tÕ lu«n tån t¹i mét v i c¬ chÕ mßn m vai trß cña chóng ®èi víi mßn thay ®æi khi ®iÒu kiÖn vËn h nh thay ®æi. Sù chuyÓn tiÕp cña c¸c c¬ chÕ mßn chÝnh g©y nªn sù thay ®æi vÒ tèc ®é mßn, ®iÒu n y th−êng x¶y ra khi t¶i träng v tèc ®é tr−ît thay http://www.ebook.edu.vn 20