Đề tài Phân tích quá trình ma sát

Mục Lục Phần I : Giới thiệu chung về ma sát............................................................................2 I. Khái niệm .....................................................................................................2 II. Nguyên nhân gây nên ma sát.......................................................................2 III. Phân loại ma sát..........................................................................................2 IV. Ý nghĩa của ma sát.....................................................................................4 Phần II : Phân tích quá trình ma sát............................................................................5 I. Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát............................................................5 II. Những thông số thay đổi của bề mặt ma sát.................................................7 III. Quá trình mòn của các cặp ma sát............................................................11 Phần III : Các thành phần cơ bản của ma sát............................................................14 I. Trạng thái bề mặt ma sát.............................................................................14 II. Lực ma sát và hệ số ma sát........................................................................16 Phần I : Giới thiệu chung về ma sát I, Khái niệm: - Ma sát là sự chống lại chuyển động trong quá trình trượt hoặc lăn khi một vật thể rắn tiếp xúc và di chuyển một cách tiếp tuyến trên một vật thể khác. - Lực tiếp tuyến chống lại chuyển động có hướng ngược với chuyển động gọi là lực ma sát. - Khi 2 vật rắn tiếp xúc nhau dưới tác động của tải trọng (W) và một lực tiếp tuyến F được đặt lên hệ thống, giá trị của lực tiếp tuyến cần thiết để bắt đầu chuyển động tương đối gọi là lực ma sát tĩnh.Lực tiếp tuyến cần thiết để duy trì chuyển động được gọi là lực ma sát động. Lực ma sát tĩnh lớn hơn hoặc bằng lực ma sát động. II, Nguyên nhân gây nên ma sát: -Theo vật lý : Lực hút phân tử giữa các phân tử vật chất - ma sát phụ thuộc vào vật liệu tiếp xúc, thời gian tiếp xúc. - Theo cơ học : "Những gờ lồi lõm của hai bề mặt gài vào nhau" - ma sát phụ thuộc độ nhám bề mặt. III, Phân loại ma sát: 1. Dựa vào động học chuyển động: + Ma sát trượt: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động trượt tương đối, mà vận tốc tại các điểm + Ma sát lăn: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động lăn tương đối, mà vận tốc tại các điểm tiếp xúc cùng giá trị và cùng phương. + Ma sát xoay: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động xoay tương đối, mà vận tốc tại các điểm khác nhau khác nhau về giá trị và phương. +Ma sát hỗn hợp: là tổ hợp của các dạng ma sát trượt, lăn, xoay. 2. Dựa vào sự tham gia của chất bôi trơn: + Ma sát ướt : là ma sát của hai vật rắn khi bề mặt không có điều kiện khẳng định sự tồn tại chất bôi trơn hoặc bất kỳ chất khác. + Ma sát khô : là ma sát giữa hai bề mặt được phân tách bởi các lớp chất lỏng chuy ển động tương đối, mà các ứng xuất tiếp tạo nên lực ma sát. + Ma sát tới hạn : là ma sát của hai vật rắn khi tồn tại giữa hai liên kết của chúng một lớp chất lỏng rất mỏng cỡ phân tử đến 0,1µm với tính chất khác với tính chất của toàn khối bôi trơn. 3. Dựa vào động lực học: + Ma sát tĩnh : là ma sát tương ứng với sự dịch chuyển trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trượt. + Ma sát động : là ma sát xuất hiện trong quá trình chuyển động tương đối của vùng tiếp xúc. 4. Dựa vào đặc tính quá trình ma sát: + Ma sát bình thường: là ma sát khi làm việc ở điều kiện bình thường. Sự phá hoại bề mặt ở chỗ tiếp xúc chỉ diễn ra trong những thể tích kim loại vô cùng nhỏ. Trong quá trình biến dạng và hình thành các cấu trúc bảo vệ thứ cấp đặc trưng cho điều kiện ma sát bình thường, chỉ có những lớp bề mặt với độ dày 200 – 1000 Ǻ tham ra mà thôi. Điều đó có nghĩa là các hiện tượng chủ yếu chỉ tập trung trong các thể tích siêu vi mô của lớp bề mặt. + Ma sát không bình thường: Ma sát không bình thường là ma sát khi làm việc ở điều kiện không bình thường. Trong chế độ ma sát ngoài bình thường, điều kiện tiếp xúc được đặc trưng bởi sự có mặt của các cấu trúc thứ cấp chịu tải có các tính chất nhất định. Bất kỳ sự phá hoại nào của điều kiện ấy điều dẫn tới các hiện tượng không bình thường. Đầu tiên các hiện tượng này xảy ra đồng thời với ma sát ngoài, sau đó chúng làm ma sát ngoài biến chất hoàn toàn, chuyển thành nội ma sát, cắt, và cuối cùng làm đình chỉ chuyển động. IV, Ý nghĩa của ma sát : Ma sát có thể là cần thiết hoặc không. Ví dụ ứng dụng sử dụng ma sát: đi bộ, bánh ô tô chuyển động trên đường, dùng để giữ và nhặt vật, trong cơ cấu phanh, ly hợp, cơ cấu truyền động đai Tuy vậy, trong hầu hết các máy móc có cơ cấu chuyển động trượt hoặc lăn như vòng bi, vòng chặn ma sát là không mong muốn và cần phải được giảm tối thiểu. Phần II : Phân tích quá trình ma sát I. Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát: Chúng ta biết rằng, các chi tiết máy thường làm bằng kim loại và hợp kim. Chúng có cấu tạo tinh thể, ứng với liên kết chặt chẽ nhất giữa các nguyên tử.Trong mạng hoàn thiện, các nguyên tử xắp xếp có chu kỳ điều đặn, theo một chật tự nhất định và kéo dài đến vô cùng, tuy nhiên, trong thực tế, cấu trúc chẩn luôn luôn có sự sai lệch, đó là “lỗ trống”, các nút mạng thiếu nguyên tử hoặc các nguyên tử “biến vị” nằm ở khoảng giữa hai nút mạng. Các nguyên tử này có thể là kim loại hoặc hợp kim gốc. Củng có thể là tạp chất ngẩu nhiên hoặc kim loại gốc. Khi các chi tiết lắp ghép chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái làm việc, bề mặt tiếp xúc sẽ có sự dịch chuyển tương đối với nhau. Các chi tiết sẽ chiệu áp suất và biến dạng dẻo. Biến dạng dẻo của kim loại bao gồm: sự chuyển động và sinh sôi các sai lệch mạng. Nó có thể là quá trình trượt dưới tác dụng của ứng suất theo các phương hoặc theo mặt phẳng tinh thể xác định và được thể hiện dưới dạng một hệ các dải trượt song song trên bề mặt hoặc củng có thể theo dịch chuyển các nguyên tử trong mặt phẳng ứng suất tiếp lớn lớn nhất để chiếm các “lỗ trống” hoặc sự xâm nhập các nguyên tử vào mạng tinh thể đàn hồi củng như sự di chuyển các nguyên tử “biến vị” cùng các “đám mây” điện tử của nó theo phương có thể. Cuối cùng biến dạng dẻo có thể do sự dịch chuyển hoặc sự quay tương đối giữa các hạt với nhau. Hiện tượng biến dạng dẻo trong các lớp mỏng trên bề mặt hai chi tiết lắp ghép chiệu ma sát làm suất hiện các dải trượt trên bề mặt của chúng với tốc độ gồ ghề khoảng 20 Ǻ , có nhiều sai lệch và có độ hoạt hoá cao. Sau một vài chu kỳ trượt, lớp ôxy hoá ban đầu trên các bề mặt bị phá vỡ làm lộ ra khoảng bộ mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo và bị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý”đã bị biến dạng dẻo và bị hoạt hoá ở trên bề mặt của hai chi tiết lắp ghép. Bề mặt “sạch vật lý” có những tính chất đặc biệt: các nguyên tử ở lớp bề mặt dễ bị phát xạ mất điện tử lớp ngoài, hoặc nhập thêm điện tử trở thành các nguyên tử có năng lượng tự do lớn hơn. Cuối cùng các “lỗ trống” và các nguyên tử “biến vị” chúng tạo ra khả năng tương tác vật lý, hoá học mạnh hơn bên trong . Tương tác của chúng với nhau và với môi trường là những tương tác chủ yếu xảy ra khi ma sát. Sau đây sẽ xem xét kỹ một số tương tác đó : 1, Tương tác với các hoạt chất hoá học: Trong trường hợp các bề mặt chi tiết bị biến dạng dẻo, có sự suất hiện các dải thể tích trượt sẽ tạo ra các khoảng bề mặt “sạch vật lý”. Nếu bề mặt “sạch vật lý” đã bị biến dạng dẻo, tiếp xúc với các chất có hoạt tính hoá học mạnh như: O, P, S, thì các chất này có thể hấp phụ vật lý, hoá học trên bề mặt, củng có thể khuếch tán, hoà tan và tạo thành dung dịch rắn hoặc tác dụng với kim loại tạo thành hợp chất. Điều này xuất hiện, tồn tại, mất đi củng như tốc độ tiến triển của mỗi quá trình đối với nhau; ảnh hưởng của mỗi quát trình riêng biệt và tổng hợp các quá trình đối với ma sát, hao mòn rất phức tạp, những chất quan trọng. Chẳng hạn, khi tiếp xúc với Ôxy tuỳ vào điều kiện có thể sảy ra các quá trình sau đây: - Sự hình thành màng Ôxy đã bị phân ly, hấp phụ trên bề mặt chi tiết-hấp phụ hoá học. - Sự liên kết Ôxy thành phân tử trên bề mặt các lớp trước – hấp phụ vật lý. - Sự hình thành màng Ôxy – phản ứng Ôxy hoá. Bề mặt phân cách của màng Ôxy với kim loại gốc, đặc biệt tinh khiết, mới gần phẳng với các hợp kim có dạng sóng với nhiều mấp mô có biên độ khác nhau. Kim loại và Ôxy tác dụng cơ học lẩn nhau. Trong Ôxy thường xuất hiện ứng suất nén, còn trong kim loại ứng suất kéo, điều này tạo điều kiện bong tách Ôxy ra khỏi kim loại dọc theo bề mặt phân cách. 2, Tương tác với các hoạt chất bề mặt. Khi bề mặt “sạch vật lý” của kim loại đã bị biến dạng, đã tiếp xúc với các chất có ngồn ngốc hữu cơ (các axit béo, rượu, xà phòng) hoặc dầu, mỡ là sản phẩm của Cacbuahyđrô có mạch đủ dài, sẽ hấp phụ vật lý trên bề mặt tạo nên lớp định hướng tựa tinh thể, có đặc tính bám dính và xoa trơn. lớp định hướng này chỉ tồn tại trên bề mặt kim loại ở một bề dày giới hạn. Nó chiệu nén và có khả năng trượt dễ dàng. Người ta gọi các chất hấp phụ này là chất hoạt tính bề mặt và lớp định hướng tựa tinh thể này là lớp giới hạn. Khi có ch ất hoạt tính bề mặt hấp phụ, các nguyên tử có độ giảm tự do năng lượng lớn hơn, ứng suất chảy và ứng suất bền của lớp bề mặt kim loại giảm đi. Do đó, công biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm đi rất nhiều. đó là hiện tượng hoá dẻo hấp phụ hay còn gọi là hiệu ứng Rebinder dạng ngoài. Khi biến dạng nếu có chất hoạt tính bề mặt thì bề mặt dày dải trượt nhỏ hơn hàng chục lần (3 – 4µm) so với bề dày dải trượt kim loại tiếp xúc với không khí (50µm). Trong trường hợp có độ giảm bề mặt thật mạnh ở lớp bề mặt thì có thể nảy sinh các vết nứt tế vi, các chất hoạt tính bề mặt chui vào các vết nứt này tạo ra hiệu ứng Rebinder trong ấy và làm cho các vết nứt phát triển nhanh. Đó là hiện tượng “hoá dòn hấp phụ” gọi là hiệu ứng Rebinder dạng trong. Nếu có hoạt chất bề mặt hấp phụ trên bề mặt kim loại nhưng trong môi trường chân không hoặc khí trơ thì có hiệu ứng Rebinder thuần nhất. Giá trị của nó trong trường hợp này lớn gấp trăm ngàn lần trong trường hợp thuần nhất. Hiệu ứng Rebinder dạng ngoài không thuần khiết làm giảm ma sát, tối thiểu hoá bề mặt kim loại bị biến dạng và hao mòn. Song hiệu ứng Rebinder dạng trong có thể gây phá huỷ dòn ở áp suất lớn. Có thể lợi dụng để rút ngắn thời gian rà máy, Còn dạng thuần nhất có thể lợi dụng để tăng năng suất cắt gọt. 3, Hình thành “cầu hàn khuếch tán”. Khi hai bề mặt “sạch vật lý” của cặp ma sát A,B xâm nhập vào nhau, tạo ra khoảng cách nguyên tử giữa chúng thì có thể xảy ra sự khuếch tán kim loại sang nhau, hình thành “cầu hàn khuếch tán” hay còn gọi là “cầu hàn nguội” - sự “kết dính”. Khi cặp ma sát là các kim loại cùng bản chất thì cầu hàn này được gọi là “đồng kết”. Khoảng cách, thời gian và nhiệt độ có ảnh hưởng đến khuếch tán. Như vậy, khi ma sát, tại chổ tiếp xúc xảy ra các tương tác cơ, lý hoá,điện giữa hai chi tiết với nhau (chủ yếu là lớp bề mặt) và với môi trường. kết quả của quá trình tương tác ấy làm hình thành, tồn tại và mất đi theo chu kỳ, những lớp thứ cấp dẩn đến sự hao mòn các chi tiết máy. II. Những thông số thay đổi của chất lượng bề mặt ma sát: Các kết quả nghiên cứu chất lượng bề mặt khi ma sát ngoài vừa trình bày về đại thể đã mở ra một bức tranh về trạng thái còn lại của bề mặt khi bỏ tải. Khi ấy, các thông số động lực học của bề mặt vẩn chưa được xác định. Việc nghiên cứu trạng thái động lực học của bề mặt có thể được tiến hành bằng cách đo nhiệt độ, ứng suất và trị số của thế điện hoá đặc trưng cho sự tồn tại của các màng thụ động. Các kết quả đo nhiệt độ xuất hiện trong quá trình ma sát trình bày ở hình dưới đây: Hình 1.2 : Đồ thị ứng suất làm việc và ứng suất dư trong các lớp bề mặt khi ma sát. I : Trong quá trình làm việc II : Sau khi bỏ tải Hình 1.1: Đồ thị biến thiên nhiệt độ bề mặt khi ma sát. I: Bắt đầu làm việc II : Chế độ ổn định III : Sau khi bỏ tải Hình 1.1 ta thấy có ba giai đoạn chế độ nhiệt. Khi bắt đầu làm việc, nhiệt độ tăng từ nhiệt độ của môi trường (của phòng) tới giá trị ứng với điều kiện tải. Sau đó là thời kỳ bảo hoà, đặc trưng cho điều kiện ma sát ổn định. Sau khi bỏ tải các lớp bề mặt hạ nhiệt độ dần. Hình 1.2 trình bày đồ thị ứng suất làm việc và ứng suất dư. Do bị nung nóng trong thời gian ma sát các lớp bề mặt sẽ bị giản nở. Các ứng suất nén tức thời được hình thành, và với nhiệt độ xác định, chúng có thể gây ra sự nén dẻo kim loại trong các lớp bề mặt. Sau khi bỏ tải và nguội đi, trong lớp làm việc nảy sinh các ứng suất kéo dư, chúng cân bằng với các ứng suất nảy sinh trong phần còn lại của tiết diện kim loại. Người ta quan sát được sự suất hiện như vậy của ứng suất khi ma sát các kim loại tinh và các hợp kim tinh, nghĩa là những loại mà trong chúng không có sự thay đổi lớn về pha cũng như cấu trúc. Trong trường hợp ma sát của các kim loại và hợp kim có cấu trúc gia bền, sự nảy sinh ứng suất tại các lớp bề mặt có thể liên quan không những chỉ với các ứng suất có nguồn gốc nhiệt thuần tuý mà còn với các ứng suất thể tích (cấu trúc) do sự thay đổi pha tạo nên. Sơ đồ mô tả sự biến đổi tính chất trên bề mặt chi tiết máyCác biến đổi cơ bản ở lớp bề mặt Lý - Hóa Nhiệt Cơ học Dính kết Sinh nhiệt Tiếp xúc giữa các mấp mô Thay đổi trường ứng suất-nhiệt độ Bong tách các hạt hao mòn Trao đổi sản phẩm hao mòn giữa 2 bề mặt Phản ứng hóa học Tách các hàn Hàn nối Nung nóng Khuyếch Hấp thụ Giảm ứng suất riêng Bay hơi Nung chảy cục bộ Thay đổi Phân rã các tinh thể Biến dạng các tinh thể Nhìn vào sơ đồ ta thấy sự biến đổi diễn ra chủ yếu do tác dụng của nhiệt, các tác động hoá có tính chất hỗ trợ thúc đẩy quá trình. Các quá trình cơ-nhiệt là tất yếu không thể tránh khỏi trong giai đoạn công nghệ cũng như khi khai thác. Quá trình hoá học được tạo ta với sự điều chỉnh của con người làm cho lớp bề mặt được ổn định và có độ bền cao. Kết quả của các quá trình biến đổi trên lớp bề mặt chi tiết có cấu tạo được biểu diễn trên hình 1.4. Một điểm, đặc điểm cấu trúc của các phân lớp trong quá trình sử dụng có thay đổi nhất là trong quá trình chạy rà. Sự phá huỷ lớp bề mặt đồng nghĩa với phá huỷ các tính chất làm việc cần có cuả bề mặt chi tiết máy dần đến phá huỷ chi tiết máy. III. Quá trình mòn của các cặp ma sát: Trong quá trình mài mòn, các bề mặt ma sát sẽ trượt tương đối với nhau dẫn đến sự cắt và bẻ gãy những nhấp nhô và tạo thành những nhấp nhô mới. Quá trình đó cứ tiếp diễn với sự làm nhẵn các bề mặt ma sát. Có thể phân tích sự mài mòn thành ba hiện tượng: + Sự tương tác của các bề mặt ma sát. + Sự thay đồi xảy ra trong lớp bề mặt kim loại. + Sự phá hủy các bề mặt. 1, Sự tương tác của các bề mặt ma sát: Sự tương tác của các bề mặt có thể là tương tác cơ học hoặc tương tác giữa các phân tử trên hai bề mặt. Tương tác cơ học được biểu hiện bằng sự xâm nhập và móc nối giữa các phần tử nhấp nhô. Tương tác phần tử được biểu hiện bằng sự bám dính, xâm thực do trường lực Vanderwall. Cũng cần chú ý rằng độ giòn và độ dẻo của vật rắn phụ thuộc vào trạng thái chịu lực và trong lớp bề mặt hoạt động có thể xảy ra mọi biến đổi hóa lý gắn liền với quá trình ma sát. 2, Sự thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt kim loại. Sự thay đổi xảy ra trên các bề mặt ma sát là do sự biến dạng, sự tăng lên của nhiệt độ và tác động hóa học của môi trường. 2.1, Sự thay đổi xảy ra do biến dạng: +Biến dạng đàn hồi : Do sự không hoàn thiện của cấu trúc bề mặt, những nhấp nhô vi mô của bề mặt bị biến dạng đàn hồi nhiều lần và trong những điều kiện xác định, chúng có thể dẫn đến sự tróc mỏi hoặc làm rời rạc cấu trúc. + Biến dạng dẻo : Làm thay đổi cấu trúc của lớp vật liệu lớp bề mặt và là sự tổng hợp của bốn quá trình : sự trượt theo các mặt phẳng tinh thể, sự hấp thụ sóng tinh thể, sự lệch các nguyên tử ra khỏi vị trí ban đầu trong mạng cùng với chuyển động nhiệt của chúng và sự phá hủy cấu trúc. + Sự thay đổi cấu trúc bề mặt. Do độ cứng của các thành phần cấu trúc khác nhau và dưới tác động nhiều lần của tải trọng, lúc đầu xảy ra sự mài mòn mạnh nền mềm. Áp suất trên các thành phần cứng tăng ép chúng vào nền mềm. Dưới tác động của lực ma sát, một số bị phá vỡ và dịch chuyển. Đây cũng là lý do cần thiết phải làm giàu thành phần cấu trúc cứng trên bề mặt. 2.2, Sự đàn hồi xảy ra do sự tăng nhiệt độ : Khi làm việc, nhiệt độ lớp bề mặt sẽ tăng. Khi nhiệt độ cao đồng thời biến dạng dẻo sẽ tạo thuận lợi cho quá trình khuyếch tán giữa các bề mặt ma sát, đồng thời làm mềm hóa các lớp bề mặt do quá trình làm nhẵn lớp bề mặt. Sự biến dạng dẻo, sự tăng cao của nhiệt độ và sự biến đổi cấu trúc có thể xảy ra đồng thời hay riêng biệt và gây ra ứng suất trong vật liệu. Ứng suất này có thể lãm rã cấu trúc các bề mặt ma sát. 2.3, Sự thay đổi xảy ra do tác dụng hóa học của môi trường làm việc: Bề mặt kim loại thường bị oxy hóa tạo thành oxit kim loại. Lớp màng này có tính chất khác hẳn lớp kim loại gốc. Chúng mềm và giòn hơn, cản trượt ít hơn và bảo vệ bề mặt khỏi bị xâm thực. Nhờ vậy, lực ma sát giảm và cường độ mài mòn bề mặt ma sát cũng giảm rất nhiều. Cơ chế này cũng giống cơ chế của một số chất bôi trơn hoạt tính, các bề mặt kim loại được phủ những màng hợp chất hóa học có vai trò tương tự màng oxit bảo vệ bề mặt ma sát. Tuy nhiên, khi môi trường làm việc có những chất hóa học có hại cũng như hạt bụi rắn xâm nhập vào giữa các bề mặt ma sát. Quá trình ăn mòn, bào mòn và sói mòn làm tăng nhanh tốc độ mài mòn. 3. Sự phá hủy bề mặt ma sát: Các dạng cơ bản của sự phá hủy bề mặt ma sát như sau: *Sự cắt vi mô : những phần tử cứng của hạt mài hay sản phẩm của sự mài mòn khi xâm nhập vào một độ sâu nhất định sẽ gây nên sự cắt vi mô. Thường chiều sâu thâm nhập không đủ để cắt nên sự cắt vi mô ít xảy ra. *Sự tạo vết xước : khi trượt, phần tử xâm nhập bị ép sẽ đẩy vật liệu về phía trước, sang hai bên và ép xuống phía dưới tạo thành vết xước. Vết xước mất đi khi phần tử xâm nhập được thoát ra khỏi vùng tiếp xúc thực tế; bị đập vỡ, hoặc bị đẩy ra khỏi giới hạn vùng ma sát. * Sự bong tách : trong sự chảy dẻo, vật liệu có thể bị đẩy về một phía của bề mặt ma sát tràn trên các màng oxit và mối liên hệ với kim loại gốc nên dễ bị tách ra khi không còn khả năng tiếp tục chảy. Một nguyên nhân khác là trong tiếp xúc điểm hoặc đường, nếu ứng suất theo chiều sâu của lớp bề mặt lớn hơn độ bền mỏi của vật liệu thì sẽ xuất hiện các vết nứt dẫn đến sự bong tách vật liệu dưới dạng vẩy. * Sự tróc : Là dạng phổ biến của bề mặt chi tiết khi ma sát lăn. Các phần tử bị tróc ra có thể là các phần tử cấu trúc cứng của hợp kim sau khi mòn hết nền mềm, các lớp phần tử của lớp trắng, các hạt nhỏ của gang xám, các phần tử của lớp chống ma sát khi bị mỏi ... Nguyên nhân của sự tróc là do sự tạo thành ứng suất cơ và ứng suất nhiệt. Vì vậy, sự phát triển của vết nứt do hai loại ứng suất trên là dấu hiệu phải phục hồi hoặc loại bỏ chi tiết ấy. * Sự bứt sâu : xuất hiện trong chuyển động tương đối của các vật thể khi mà mối liên kết tạo thành tương tác phần tử giữa hai bề mặt ma sát bền vững hơn liên kết bên trong một hoặc cả hai vật liệu. Sự phá hủy xảy ra trong chiều sâu của một trong các lớp bề mặt. Sản phẩm của sự mài mòn (phá hủy) này bị dính kết nhau và bám dính vào các bề mặt và trở thành môi trường trung gian giữa các bề mặt ma sát. Phần III : Các thành phần cơ bản của ma sát I. Trạng thái bề mặt ma sát : Trạng thái của một bề mặt ma sát bao gồm các thông số như : - Trạng thái hình học của bề mặt - Trạng thái cơ-hóa lý của lớp bề mặt - Ứng suất trong các lớp bề mặt Các thông số này liên quan mật thiết với nhau và đóng vai trò chủ đạo trong quá trình ma sát bề mặt. Nói cách khác, chúng là những yếu tố quyết định chất lượng của một bề mặt ma sát. 1. Trạng thái hình học : Trạng thái hình học của bề mặt chi tiết máy luôn luôn có những biên dạng nhấp nhô, lồi lõm nhất định do quá trình gia công để lại. Tùy thuộc vào công nghệ gia công mà kích thước các biên dạng bề mặt được quy định ở các bậc "hình học vi mô" tức kích thước nhấp nhô bề mặt nằm trong một hình vuông có cạnh vào khoảng một vại milimet hay bậc "hình học siêu vi mô" có kích thước vào khoảng một vài micromet. Ngày nay, với công nghệ chế tạo cơ khí chính xác và ngày càng tinh tế thì trong ma sát học, các biên dạng "siêu vi mô" là vấn đề đang được tập trung nghiên cứu bởi đặc trưng rất đặc biệt của nó; đó là sự không hoàn thiện của nó có liên quan đến cấu trúc bên trong bề mặt kim loại. Trong quá trình làm việc (ma sát), các dải thể tích bề mặt kim loại ( các lớp bề mặt) sẽ được tạo thành và biến dạng. Mặt khác, khi làm việc hai bề mặt ma sát tiếp xúc nhau một cách rời rặc của các điểm tiếp xúc thực của tất cả các điểm trên một đơn vị diện tích và được xác định bởi mức độ tạo dải của bề mặt. Sự tiếp xúc rời rạc này của hai bề mặt ma sát là một trong những lý do chính khiến phải xem quá trình mòn là quá trình ngẫu nhiên và là điểm khởi đầu dẫn tới hiện tượng mỏi khi mài mòn. 2. Trạng thái cơ-hoá lý và ứng suất của các lớp bề mặt : Ngoài sự ảnh hưởng của trạng thái hình học, chất lượng của bề mặt ma sát còn được quyết định bởi tính chất cơ-lý hoá cũng như trạng thái ứng suất của lớp bề mặt. Thông thường, lớp bề mặt này vao khoảng kích thước mạng tinh thể ( vài chục Ăngstron) đến vài phần trăm hoặc phần mười milimét. Chúng được đặc trưng bởi cấu trúc và tính chất khác hẳn kim loại gốc của chi tiết. Yếu tố chính gây nên sự thay đổi tính chất của các lớp bề mặt khi ở trạng thái làm việc là biến dạng dẻo. Trong quá trình biến dạng dẻo, các nguyên tử bị biến vị và làm chúng xuất hiện với sự tập trung rất lớn đồng thời để lại những chỗ khuyết không đồng đều. Điều này gây nên sự hoạt hoá bề mặt và làm phát triển hiện tượng khuyếch tán, dẫn tới hiện tượng oxy hoá các bề mặt ma sát tăng trong điều kiện ma sát bình thường. Nếu điều kiện sử dụng bình thường bị phá huỷ, hiện tượng tróc không cho phép xảy ra. Một tác nhân rất quan trọng nữa của trạng thái các lớp bề mặt là trạng thái ứng suất của chúng. Sự phát sinh ứng suất bị ảnh hưởng rất lớn vào công nghệ chế tạo cũng như điều kiện sử dụng. Do trong thời gian ma sát, các lớp bề mặt sẽ được nung nóng và dãn nở. Các ứng suất nén tức thời được hình thành với một nhiệt độ xác định, chúng có thể gây ra sự nén dẻo kim loại trong các lớp bề mặt. Sau khi bỏ tải và nguội đi, các lớp này sinh các ứng suất căng cân bằng với các ứng suất nảy sinh trong phần còn lại của tiết diện kim loại. Trong trường hợp ma sát xảy ra với các kiem loại và hợp kim, sự xuất hiện của ứng suất trong chúng không có sự thay đổi lớn về pha cũng như về cấu trúc. Trong trường hợp ma sát của các kim loại và hợp kim có cấu trúc giả bền, sự nảy sinh ứng suất tại các lớp bề mặt có thể liên quan không những với ứng suất nhiệt thuần tuý mà còn với các ứng suất thể tích tức có sự thay đổi về cấu trúc hay sự chuyển pha tạo nên. Từ thực nghiệm, với một quá trình ma sát phức tạp với công hao phí do ma sát giữa hai bề mặt ma sát bằng tổng nhiệt năng sinh ra và năng lượng bị hấp thu trên bề mặt (Ứng với điều kiện vật liệu và môi trường nhất định), ta có thể phân tích và chỉ ra được miền làm việc bình thường của quá trình ma sát, trong đó năng lượng bị hấp thụ trênn bề mặt ma sát xem như không đáng kể như hình: Từ việc xác định vúng ma sát bình thường, ta có thể điều khiển một cách có hiệu quả các quá trình ma sát nhằm đạt khả năng chống mòn cũng như điều khiển được tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết máy. II. Lực ma sát và hệ số ma sát: Trong lịch sử phát triển của ma sát học, nhiều nhà khoa học đã tìm cách xây dựng những công thức tính toán lực ma sát. Năm 1779, S.Coulomb đã cho rằng lực ma sát trong ma sát không bôi trơn hoặc bôi trơn giới hạn là tổng của hai sức cản, sức cản A phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc thực và sức cản còn lại tỷ lệ với áp lực pháp tuyến N0 và hệ số ma sát µ. T = A + µN (1.5) Công thức này cho đến nay vẫn được sử dụng trong tinh toán gần đúng. Một điều đáng chú ý là công thức trên chỉ được áp dụng và cũng thực sự chỉ có ý nghĩa trong quá trình ma sát bình thường. Sự phát triển về khoa học cho phép tổng quát hoá về mối quan hệ giữa hệ số ma sát µ với điều kiện ma sát và các yếu tố khác. Do φ=φ(p,v,c) nên ta cũng có : µ = µ(p, v, c) (1.6) Để đơn giản, ta xét ảnh hưởng riêng của từng nhân tố. 1. Quan hệ giữa hệ số ma sát µ với áp suất p : Xét trong trường hợp và c không đổi. Khi đó µ = µ(p) . Hàm này được diễn tả như trên hình 2 Đoạn AB đặc trưng cho một chuyển tiếp nào đó ứng với các trị số P nhỏ. Ở đó không có điều kiện bình thường hoá hoàn toàn quá trình ma sát. Các giá trị áp suất ấy không đủ để tạo giải tới hạn. Trong trường hợp này, khi tăng áp suất từ PA PB thì hàm φ sẽ giãn đến giá trị cực tiểu : φ φmin Đoạn BC là vùng chung nhất, quan trọng nhất, cường độ mòn sẽ nhỏ nhất, φ = φmin . Đây là vùng ma sát bình thường. Năng lượng hấp thụ bề mặt chủ yếu cho sự tạo dải, và hoạt hoá bề mặt chiếm một phần không đáng kể. Trong đoạn này, ta có thể xem Q ≈ A. Đoạn CD là vùng biến dạng mạnh và xảy ra sự phá hoại các cấu trúc thứ cấp bảo vệ. Độ dày của lớp tạo dải vượt quá trị số tới hạn. Quá trình phân rã các cấu trúc giả bền của các lớp hợp kim ... xuất hiện. Trong vùng này, φ φmin . Kết quả cuối cùng là chế độ ma sát không bình thường, và xảy ra phá huỷ bề mặt tiếp xúc như là tróc dập, cào xước .... Khi đó φ = φmax. Như vậy, giới hạn của chế độ ma sát bình thường trong trường hợp được quy định bởi áp suất tới hạn (P0). Khi bề mặt ma sát làm việc ở chế độ ma sát bình thường ( P< P0), cấu trúc thứ cấp trên bề mặt ma sát được hình thành và xác định hệ số ma sát ổn định µ0 cũng như hao mòn cho phép là nhỏ nhất. Khi P ≥ P0 , quá trình ma sát được xem là không bình thường. 2. Quan hệ giữa hệ số ma sát và vận tốc trượt : Cũng tương tự như trên ta xét trường hợp p, c không đổi, khi đó : µ(p, v, c) = µ(v) Đường biểu diễn µ(v) được biểu diễn trên hình 3: Đoạn AB là quá trình chuyển tiếp từ ma sát tĩnh sang ma sát động 0 µ0 Đoạn BC là quá trình làm việc ở chế độ bình thường ứng với hao mòn oxy hoá ổn định: v1 < v < v0 ; µ = µ0 = const Đoạn CD là quá trình làm việc ở chế độ không bình thường, phát triển khi có hiện tượng tróc nhiệt : v > v0 Vậy, vùng làm việc ở chế độ bình thường ( v1 < v < v0 ) được đặc trưng bởi giá trị ổn định µ = µ0 và hao mòn cho phép được quyết định bởi sự tối thiểu hoá chiều dày của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành các cấu trúc thứ cấp.