Bài giảng môn Ma sát học - Phạm Văn Hùng

ắn liền với quá trình mònặ tuổi thọ và độ tin cậy. œ Đ−ợc đặc tr−ng bởi lực ma sát Fms, hoặc hệ số ma sát fms (hoặc có thể ký hiệu là à). Page 2 of 107 2. Mòn: Kết quả của quá trình ma sát ⇒Phá hủy bề mặt ma sát: Giảm kích th−ớc, giảm khối l−ợng, thay đổi cấu trúc bề mặt, ặ Tiến hành bôi trơn (rắn lỏng, khí,) để tăng tuổi thọ và độ tin cậy ™ Hại: œ Thay đổi chế độ lắp ghép của các cặp ma sát, œ Thay đỏi chế độ làm việc của cặp ma sát, œ Làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của cặp ma sát cũng nh− của toàn bộ thiết bị, ™ Đặc điểm: œ Gắn liền với quá trình ma sát œ Quá trình phá hủy tập trung trong một thể tích rất nhỏ của vật liệu œ Phần tử mòn tạo thành là kết quả của nhiều lần t−ơng tác. œ Đ−ợc đặc tr−ng bởi c−ờng độ mòn có thứ nguyên hoạc không có thứ nguyên Ihặ tuổi thọ, độ tin cậy. ™ Phân biệt: œ Mòn bình th−ờng (ổn định) còn gọi là mòn cơ hóa Hk/Hm > 0,6. œ Mòn hạt mài (không bình th−ờng) Hk/Hm < 0,6.Page 3 of 107 3. Lịch sử phát triển của ngành Tribology (Ma sát, mòn, bôi trơn) Ngành khoa học liên ngành, tập trung chủ yếu nghiên cứu quá trình ma sát mòn bình th−ờng (ổn định), quá trình ma sát không bình th−ờng việc tính toán không có ý nghĩa thực tiễn. Quá trình phát triển: Gắn liền với sự phát triển của các ngành khoa học khác (cơ, vật lý, hóa, điện, rung động, vật liệu, ): là khoa học liên ngành. ™ Nghiên cứu về ma sát đã có từ lâu. ™ Lêonadevinci đã xác định hệ số ma sát là hằng số (0,25). ™ Thuần túy cơ học ™ T−ơng tác phân tử khi ma sát [ơ le], đây là giai đoạn nghiên cứu ma sát tĩnh ™ C.Coulomb 1785 phân biệt ma sát tĩnh và ma sát động, ma sát là tổ hợp của 2 loại sức cản: œ 1- Phụ thuộc vào Stx. œ 2-Tỷ lệ tải và không phụ thuộc vào Stx. ™ Lý thuyết tổng hợp: cơ học (biến dạng), t−ơng tác phân tử Bowden, Tabor, Kpa Γe ΛbCKuu ™ Lý thuyết biến vị (sự không hoàn thiện về cấu trúc tinh thể) ⇒ tróc. ™ Lý thuyết mòn trên quan điểm năng l−ợng Kocteukuu.Page 4 of 107 ™Ba tr−ờng phái nghiên cứu: œ Sự t−ơng tác của bề mặt ma sát, biến đổi trong lớp bề mặt⇒ phá hủy chúng. œ Cấu trúc thứ cấp trong bôi trơn giới hạn ⇒ màng bảo vệ. œ áp dụng vật liệu polyme trong cặp ma sát Hiệu quả kinh tế: Theo Jost PETER (Anh) 1966: 0,5 tỷ bảng , 1,6 tỷ USD (Mỹ), hiện nay từ 1 dến 2% thu nhập quốc dân. Micro tribology- micro wear Cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC) 1981. 1985 chế tạo các đầu đọc đĩa cứng, các mô tơ Micromechanical trọng l−ợng 1 àg. Hiện nay với các ổ đĩa cứng (7200vg/ph) các đầu đọc đ−ợc đỡ trên các đệm khí động. Các lớp phủ bảo vệ cũng nh− bôi trơn có chiều dày cực nhỏ. Microtribology Surface Light load Small Mass No Wear Tribology Bulk Material Heavy load Large Mass Wear Nano Tribology Page 5 of 107 4. Nội dung của tribology: Cơ sở lý thuyết vẫn còn đang tiếp tục đ−ợc hoàn thiện, trong một số tr−ờng hợp vẫn căn cứ vào thực nghiệm. ™ Tìm lý thuyết về ma sát, mòn bôi trơn phù hợp với các điều kiện cụ thể, trên cơ sở xác định dạng mòn nào là áp đảo, gắn liền với quá trình ma sát ™ Hệ thống bôi trơn: Chất l−ợng, vật liệu, kết cấu, ⇒ chú ý đến dịch chuyển chọn lọc. ™ Kết cấu không mòn. ™ Chống mòn Hydro. ™ Gia công lần cuối không hạt mài (phủ, thấm nhiệt độ thấp) Page 6 of 107 Ch−ơng I: Chất l−ợng bề mặt và tiếp xúc của bề mặt ma sát ----> Có quan hệ lẫn nhau Đ1. Chất l−ợng bề mặt đặc tính cơ bản và trạng thái. I. Chất l−ợng bề mặt - đặc tính cơ bản 1. Khái niệm chất l−ợng bề mặt: Chất l−ợng bề mặt bao gồm: ™ Các thông số về hình học bề mặt. ™ Tính chất cơ lý hóa của lớp bề mặt. ™ Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt 2. Trạng thái hình học bề mặt: Là sự sai khác của bề mặt thực so với bề mặt lý t−ởng ở các cấp độ vĩ mô, vi mô và siêu vi mô Rmax 1 H b 2 3 ∆ S b Sơ đồ hình học bề mặt của một vật rắn 1 – Sóng; 2 – Nhấp nhô bề mặt; 3 – Sai số hình dang Page 7 of 107 ™ Vĩ mô: Là sự sai khác trên toàn bộ chi tiết (Nhấp nhô trên các kích th−ớc lớn) œ Sóng: Do dao động của máy, chi tiết và dụng cụ. (Hb, Sb) thông th−ờng Sb/Hb > 40. œ Sai số về hình dạng (∆) ™ Vi mô: Là sự sai khác hình dạng và kích th−ớc của các nhấp nhô trong khoảng mm. œ Nhấp nhô tạo thành trong quá trình cắt gọt – chủ yếu do quá trình tách phoi ™ Siêu vi mô: Là nhấp nhô đặc biệt liên quan đến cấu trúc, cũng nh− khuyết tật của kim loại, trong khoảng àm. Chủ yếu là các nhấp nhô thứ cấp, cấu trúc thứ cấp hình thành trong quá trình làm việc. Các thông số siêu vi mô gắn liền với trạng thái của các màng ôxít và các chất lỏng, chất khí bị hấp thụ: Hb ≈ f(D,σ,K) Trong đó: – HSb: Thông số biến dạng siêu vi mô – D: Thông số đặc tr−ng cho cấu trúc tinh thể kim loại – σ: Trị số ứng suất có tác dụng trong thể tích bề mặt kim loại – K: Thông số về dặc tính của các lớp hấp thụ Trạng thái hình học bề mặt ban đầu đ−ợc quyết định do công nghệ gia công. Trong quá trình làm việc trạng thái bề mặt mới sẽ hình thành (trạng thái thứ cấp), chất l−ợng của nó phụ thuộc vào điều kiện làm việc (p,v, môi tr−ờng) ⇒ Quyết định sự hình thành lực ma sát, và c−ờng độ mòn. Page 8 of 107 3. Các tính chất cơ lý hóa: Lớp bề mặt mỏng có chiều dày cỡ Ao (ăng tron) trở lên có đặc điểm khác hoàn toàn về cấu trúc và cơ lý hóa so với kim loại gốc của chi tiết và đ−ợc gọi là vật thể thứ ba. Thông th−ờng bao gồm: ™ Lớp hấp thụ, lực hút hóa học, màng dầu giới hạn – lớp này khi nhiệt độ tăng phá hủy hấp thụ và hình thành màng hóa học ™ Lớp màng oxit kim loại và các hợp chất hóa học khác (S, Cl, P,) ™ Lớp gián đoạn của vật liệu cơ bản. ™ Hiện nay vẫn căn cứ vào các tính chất cơ lý hóa vật liệu cơ bản của chi tiết để tìm ra quan hệ giữa chúng với mòn và ma sát, với điều kiện làm việc xác định. ⇒ Trong quá trình gia công, kim loại bị biến tính ⇒ Trong quá trình làm việc, tính chất cơ lý hóa bị thay đổi ⇒ Biến dạng dẻo⇒ oxy hóa⇒ mòn oxy hóa nảbco bathứthểvật τ τPage 9 of 107 Khi gia công, kim loại bị biến dạng dẻo, khi làm việc ⇒ cơ lý hóa khac đi Thay đổi độ cứng theo chiều sâu khi làm việc ở chế độ bôi trơn tới hạn 1: Vật thể thứ ba 2: Lớp hấp thụ 3: Ôxít và các hợp chất hóa học khác 4: Lớp gián đoạn 5: Kim loại cơ bản Sơ đồ mặt cắt của liên kết ma sát tại điểm tiếp xúc Đồ thị thay đổi độ cứng của lớp bề mặt a- Khi bị ôxy hóa, b- Khi bị tróc loại I 0 0 Khoảng cách so với bề mặt Khoảng cách so với bề mặt Hà Hà ba Page 10 of 107 4. Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt: ™ Trạng thái ứng suất d− trong lớp bề mặt sau gia công. ™ ứng suất lớp bề mặt khi làm việc, th−ờng tập trung trong một thể tích rất nhỏ⇒ gây khuyếch tán và hoạt hóa kim loại ⇒ oxit. Khoảng cách so với bề mặt a 0 Khoảng cách so với bề mặt b 0 - σ - σ +σ+σ ứng suất d− trong các lớp bề mặt của thép a- Khi tiện, b- Khi bị mòn do mỏi Page 11 of 107 II. Trạng thái bề mặt trong quá trình tiếp xúc của cặp ma sát. 1. Trạng thái ban đầu: Bao gồm tất cả các đặc tính ban đầu (hình học, tổ chức tế vi, cơ, lý hóa) của lớp bề mặt mỏng đ−ợc hình thành do công nghệ gia công. 2. Trạng thái làm việc: D−ới tác dụng của các yếu tố ma sát (ngoài): + Tải trọng + Kết cấu + Môi tr−ờng + Tốc độ, + Nhiệt độ + Chất bôi trơn Các đặc tính ban đầu của lớp bề mặt bị thay đổi hình thành trạng thái làm việc của lớp bề mặt. (Cả các đặc tính thay đổi chỉ diễn ra trong khi ma sát) 3. Trạng thái còn lại: Đặc tính hình học không đổi, tính chất lớp bề mặt thay đổi rõ rệt. Page 12 of 107 Sơ đồ trạng thái, đặc tính, yếu tố quyết định của lớp bề mặt Trạng thái Các tính chất hoá - lý - cơ của các lớp bề mặt Các đặc tính Ban đầu Làm việc Còn lại Các yếu tố quyết định Các tác nhân cơ học bên ngoài, biến dạng,khuyếch tán Hình học bề mặt ứng suất trong các lớp bề mặt Nhiệt Tín h chất của vật liệu Tính chất của môi tr−ờng làm việc Page 13 of 107 4. Nâng cao chất l−ơng ban đầu và chất l−ợng làm việc (Cơ học tiếp xúc, cấu trúc bề mặt, điều kiện môi tr−ờng) a. Chất l−ợng bề mặt công nghệ: œ Ph−ơng pháp tạo phôi, œ Ph−ơng pháp nhiệt luyện, œ Ph−ơng pháp gia công lần cuối – chế độ công nghệ œ Kết cấu ⇒Biểu đồ ứng suất ⇒ Bề mặt mới có tăng bền, mòn ít. œ Môi tr−ờng ⇒ Giảm năng l−ợng bề mặt, dễ thoát biến vị lên bề mặt, hóa dẻo và biến dạng trên lớp bề mặt cực mỏng. Các biện pháp công nghệ cải thiện trạng thái hình học và tăng bền lớp bề mặt phải phù hợp và đáp ứng với các thông số cơ học p, v, To và môi tr−ờng làm việc b. Chất l−ợng bề mặt làm việc: (do tải, tác dụng hóa học, trạng thái cấu trúc) Trong điều kiện ma sát mòn bình th−ờng: cân bằng động giữa hình thành và phá hủy cấu trúc thứ cấp ⇒ 2 quá trình khác nhau: œ Thứ nhất: Hình thành lớp màng bề mặt mỏng chuyển vị dẻo (VDH) œ Thứ hai: Hình thành lớp màng bề mặt giòn, rất cứng, dễ bị phá hủy Page 14 of 107 Khi mòn oxy hóa có hai dạng cơ bản: œ Dạng thứ nhất: Màng cấu truc thứ cấp động dịch chuyển điền đầy tất cả các nhấp nhô ⇒ nhẵn bóng cấp 11 – 14, độ cứng lớn hơn kim loại gốc: Thép nhiệt luyện, gang (không có chuyển tiếp rõ ràng với kim loại gốc) œ Dạng thứ hai: Lớp màng cấu trúc thứ cấp mỏng giòn, độ nhẵn cao, độ cứng lớn hơn nhiều kim loại gốc: Hợp kim có gốc kim loại màu, thép nhiệt luyện có độ cứng cao (ma sát lăn) ⇒ không có chuyển tiếp trung gian ⇒ khi bị oxy hóa kim loại và hợp kim chia làm hai nhóm: tăng thể tích 5% và giảm thể tích ⇒ ứng suất d− nén và kéo œ Đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng (ổn định) œ ứng suất làm việc phải đồng đều trên bề mặt, tạo dải và màng oxit sao cho tốc độ oxy hóa lớn hơn tốc độ phá hủy. œ Môi tr−ờng làm việc đảm bảo phát sinh màng bảo vệ thứ cấp. Giảm biến dạng dẻo trong lớp bề mặt. c. Chất l−ợng bề mặt còn lại. œ Giảm nhiệt độ, oxy hóa dừng lại œ Vi mô: Các đỉnh nhấp nhô tạo thành cấu trúc nh− khi tôi Page 15 of 107 œ Nhấp nhô tối −u khi làm việc Đồ thị biến thiên nhiệt độ bề mặt và ứng suất khi ma sát ngoài I – Bắt đầu làm việc; II – Chế độ ổn định ; III – Sau khi bỏ tải Quá trình hình thành nhấp nhô bề mặt tối −u với tải với sự san phẳng và hình thành các nhấp nhô mới. ` a 0 b 0 I Ii Iii I Ii Thời gian Thời gian N h i ệ t đ ộ ứ n g s u ấ t - + Page 16 of 107 5. Một số ph−ơng pháp đánh giá chất l−ợng bề mặt 1. Trạng thái hình học: Có 2 nhóm phụ thuộc độ lớn của nhấp nhô và sai số. Nhóm I: Th−ờng dùng cho các nguyên công tr−ớc nhiệt luyện Th−ờng sử dụng các dụng cụ đo Nhóm II: Th−ờng dùng cho các nguyên công sau nhệt luyện (gia công tinh). Th−ờng sử dụng dụng cụ quang học, kính hiển vi điện tử. 2. Trạng thái cấu trúc lớp bề mặt Th−ờng sử dụng ph−ơng pháp phân tích chụp ảnh tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử ⇒ Xác định cấu trúc tế vi, trạng thái pha. Kiểm tra các khuyết tật th−ờng dùng ph−ơng pháp phân tích Rơnghen Ngoài ra còn phải xác định cấu trục màng trong trạng thái động thông qua các đại l−ợng trung gian: Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc thực (dùng camera hồng ngoại để quan sát), điện thế Page 17 of 107 Đ 2 Các thông số đặc tr−ng của hình học lớp bề mặt Xác định đ−ờng nằm ngang song song với vùng profin đã cho ở d−ới đ−ờng chân nhấp nhô, các tung độ y1, y2, y3 của profin đ−ợc đo trên đ−ờng nằm ngang với các khoảng cách đều nhau. Giá trị thu đ−ợc chia thành 2 nhóm (nhóm trái và nhóm phải). Đ−ờng trung bình đi qua 2 điểm M1M2: ∑= 2/ 1 2/ ' n i n y y ∑= 2/ 1 2/ ' n i n y y x’’ = (xn/2+xn)/2 ;x’ = (x1+ xn/2)/2; 1. Xác định đ−ờng trung bình của profin vùng khảo sát: dựa vào nguyên tắc trung bình Page 18 of 107 ™ Đ−ờng đỉnh profin A1A2 là đ−ờng cách đều với đ−ờng trung bình và đi qua đỉnh cao nhất của profin với chiều dài khảo sát (mẫu) L ™ Đ−ờng chân của profin B1B2 là đ−ờng cách đều đ−ờng trung bình và đi qua điểm thấp nhất của profin trong khoảng khảo sát L ™ Rmax: Độ cao lớn nhất của nhấp nhô (khoảng cách từ đ−ờng đỉnh đến đ−ờng chân nhấp nhô) ∑= 6 1 max max 5 1 i RR ™ Rp: Khoảng cách từ đỉnh nhấp nhô tới đ−ờng trung bình. dx L L o a xyR ∫= )(1 2. Xác định các thông số đặc tr−ng của bề mặt hình học ™ Ra: Độ lệch trung bình của profin đ−ợc đọc trực tiếp trên thiết bị profinlometer/surface-analyzer ∑= 5 15 1 PiP RR Page 19 of 107 ™ Rz: Độ sai lệch của nhấp nhô theo chiều cao đ−ợc xác định theo 10 điểm: )|H||H|(R iminimaxZ ∑∑ += 5 1 5 15 1 Hmax: Độ lệch lớn nhất của profin so với đ−ờng trung bình. Hmin: Độ lệch nhỏ nhất của profin so với đ−ờng trung bình. Profin bề mặt nhấp nhô a L Ra Z x L b a c Chân Profile khảo sát Chân Profile trung bình Đỉnh Profile khảo sát Đỉnh Profile trung bình 0 10,5 0,1 0,2 0,3 0,5 tp = bν tp = ηp l x = R m a x a 1 a 3 a 2 a1 R m a x R m a x R B C ∆l0,1 x y∆l0,2 ∆l0,3 h d r L Page 20 of 107 ™ tm: Chiều dài t−ơng đối của profin trên đ−ờng trung bình. ∑= 5 1 mim t 5 1t Trong đó: ∑= l mimi lLt 11 ∆ ∆lmi - chiều dài mặt cắt của nhấp nhô trên đ−ờng trung bình L - chiều dài khoảng khảo sát Đ−ờng cong phân bố profin theo độ cao của nhấp nhôPage 21 of 107 ™ Xây dựng đ−ờng cong phân bố trong hệ tọa độ t−ơng đối (không phụ thuộc vào đơn vị) œ Tỷ số của độ sâu thâm nhập và Rmax⇒ ai/Rmax đ−ợc thể hiện trên trục tung. œ Tỷ số Σ∆l/L đ−ợc thể hiện ở trục hoành (tổng chiều dài của các đỉnh nhấp nhô trên cùng một mức). υυ bx) R a.(b A A L L t maxc pp p ===∆= ∑ ∆Lp – Chiều dài profin ở mức p Ap – Diện tích của các đỉnh nhấp nhô ở mức p, b,υ - Thông số của đ−ờng cong phân bố nhấp nhô bề mặt: Đối với tiếp xúc của hai bề mặt nhấp nhô thông số: 1 R R .t2;) R R(tb a p m p max m −== υυ 2 2macx 1 1max 21 2max1max21 21 R.R )RR(b.b.Kb; υυ υυ υυυ ++=+= Page 22 of 107 Trong đó : ™Bán kính trung bình của đỉnh nhấp nhô: Mài (cấp bề mặt 6-7): rn = 4-10, rd = 100 -300 (àm) ™Hện nay đánh giá tổng hợp chất l−ợng hình học của bề mặt bằng thông số tổ hợp: Mài phẳng vật liệu thép đạt cấp 9. Rmax = 2,4 R = 550 b = 2,3 ; υ = 1,6 ∆ = 2,64. 10-3 Các thông số bề mặt của các nguyên công khác nhau đã đ−ợc xác định trong sổ tay Tribology. υ∆ /1maxb.r R= dn r.rr = )1( )1()1(K 21 21 ++ ++= υυΓ υΓυΓ rn rd Page 23 of 107 Đ 3. Tiếp xúc ma sát của các bề mặt nhấp nhô ™ Đặc tính tiếp xúc trong lần đàu và lần kế tiếp là hoàn toàn khác nhau – Dẻo ⇒ Đàn hồi ™ Đặc tr−ng hình học của bề mặt công nghệ và tính chất của bề mặt kim loại nền xác định đặc tính của tiếp xúc ma sát trong quá trình chạy rà. ™ Sau quá trình chạy rà ⇒ Tính chất và hình học bề mặt không thay đổi, ở các đỉnh nhấp nhô, biến dạng đàn hồi chiếm −u thế ™ Đặc điểm nổi bật của cặp ma sát ngoài là rời rạc của các điểm tiếp xúc giữa hai bề mặt , ™ Các thông số tiếp xúc thay đổi trong phạm vi rộng khi tải thay đổi. Đặc tính rời rạc đ−ợc thể hiện ở 3 loại diện tích tiếp xúc: Aa, Ac, Ar. 1. Diện tích tiếp xúc danh nghĩa: Aa. Tổng diện tích hình học của các diện tích tiếp xúc thực tế có thể xảy ra. Aa phụ thuộc vào hình dạng và kích th−ớc của vật thể tiếp xúc. Bị giảm do sóng bề mặt và sai số hình dạng Ar Ac Aa Sơ đồ tiếp xúc của hai bề mặt ma sát Page 24 of 107 2. Diện tích tiếp xúc vòng : Ac Diện tích hình thành do biến dạng của các thể tích bề mặt cục bộ của vật thể (còn gọi là diện tích tiếp xúc vòng) Ac phụ thuộc vào: œ Đặc tính nhấp nhô của bề mặt (chủ yếu là sóng của bề mặt) œ Tải. Đặc tr−ng cho vùng ma sát và vùng mòn, thông th−ờng: Ac = (5 ữ 15)%Aa 3. Diện tích tiếp xúc thực: Ar ™ Tổng diện tích tiếp xúc thực tế tế vi của vật thể Ar (tạo thành từ các đỉnh nhấp nhô rời rạc trong tiếp xúc) ™ Phụ thuộc vào tải và đặc tính nhấp nhô. œ Ar th−ờng rất nhỏ, không quá (0,01ữ 0,1)% Aa rccaa P;ANP;ANp === K h i t ă n Page 25 of 107 4. Tiếp xúc của bề mặt trong quá trình ma sát ™Tiếp xúc tĩnh: Lực ma sát tạo vùng đình trệ, nó hạn chế biến dạng ™Tiếp xúc ma sát động: Ar tăng lên, biến dạng của bề mặt tăng lên ⇒ bề mặt linh động ™Cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi các màng oxit mỏng trên bề mặt là đặc tr−ng của quá trình mòn bình th−ờng. ™Tiếp xúc đ−ợc thể hiện trong hai giai đoạn – bề mặt công nghệ, - bề mặt làm việc. ™Điều kiện của ma sát mòn bình th−ờng: œKhông có sự phá hủy kim loại gốc œBiến dạng dẻo và mòn chỉ xảy ra trên lớp thứ cấp (vật thể thứ 3) hình thành khi ma sát. œCó cân bằng động của tất cả các quá trình nhằm ổn định việc hình thành và phá hủy cấu trúc thứ cấp. Hay nói cách khác: Amàng/Aa = const. Page 26 of 107 Ch−ơng 2: Ma sát Đ 1. Khái niệm cơ bản 1. Ma sát ngoài. ™ MSN là quá trình tiêu hao năng l−ợng khi hai vật thể rắn có chuyển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc thực d−ới tác động của tải trọng ngoài. ™ Ma sát là quá trình rất phức tạp và phụ thuộc vào: œ Biến đổi của các quá trình diễn ra trên Ar và lớp bề mặt hình thành tại vùng tiếp xúc thực œ Chất l−ợng của bề mặt khi tham gia ma sát. œ Điều kiện và môi tr−ờng ma sát. ™ Chất l−ợng ma sát đ−ợc đánh giá bằng lực ma sát œ Lực ma sát là lực có xu h−ớng cản trở chuyển động t−ơng đối của các vật rắn, xuất hiện tại các điểm tiếp xúc thực, khi vật thể này chuyển động t−ơng đối trên bề mặt vật thể khác. œ Lực ma sát khởi động là lực ma sát xuất hiện trong các dịch chuyển ban đầu, còn đ−ợc gọi là lực bám dính, xuất hiện trong các khớp ma sát tr−ợt chuyển động không liên tục œ Lực ma sát tĩnh là toàn bộ LMS tại thời điểm chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái tr−ợt hoàn toàn. œ Lực ma sát động là LMS xuất hiện trong quá trình chuển động t−ơng đối ở vùng tiếp xúc. Page 27 of 107 œ Lực ma sát tr−ợt có xu h−ớng cản trở chuyển động theo ph−ơng tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc A A' B Lực ma sát Fms 0 Dịch chyển ban đầu Gián đoạn Tr−ợt hoàn toàn dịch chuyển λ Sự phụ thuộc của lực ma sát vào giá trị dịch chuyển L Sau trạng thái dịch chuyển ban đầu là trạng thái tr−ợt ổn định với Fms= const Page 28 of 107 2. đại l−ợng đặc tr−ng của ma sát: Trong kỹ thuật sử dụng 3 đại l−ợng: ™ Hệ số ma sát: Tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến f =Fms/N ™ Hệ số ma sát khi va đập: Tỷ số của sự thay đổi về mặt động l−ợng của vật thể theo hai h−ớng tiếp tuyến và pháp tuyến. nn tt vd mvmv mvmv f 12 12 − −= ™ Hệ số mất mát năng l−ợng do ma sát: fw= Wms/Wtổng Page 29 of 107 Đ 2 phân loại ma sát 1. Căn cứ vào dạng chuyển động ™ Ma sát tr−ợt: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động tr−ợt t−ơng đối ™ Ma sát lăn: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động lăn t−ơng đối ™ Ma sát xoay: Ma sát xảy ra giữa hai bề mặt có chuyển động xoay t−ơng đối ™ Ma sát hỗn hợp: Các dạng ma sát theo chuyển động 2. Căn cứ vào điều kiện bề mặt ™ Ma sát không có chất bôi trơn: Là ma sát của hai vật rắn trên bề mặt không có điều kiện khẳng định rõ ràng chất bôi trơn hay bất kỳ chất nào, đôi khi còn đ−ợc gọi là ma sát khô. Page 30 of 107 ™ Ma sát giới hạn: Là ma sát của hai vật rắn có tồn tại giữa liên kết của chúng một lớp chất bôi trơn cỡ phân tử đến 0,0001 mm, nó có tính chất hoàn toàn khác với tính chất của toàn khối chất bôi trơn ™ Ma sát −ớt: Là ma sát giữa hai bề mặt đ−ợc phân tách bởi các lớp chất lỏng có chuyển động t−ơng đối với nhau, trong đó ứng suất tiếp tạo thành lực ma sát. ™ Ma sát nửa −ớt: Là ma sát có đồng thời cả ma sát −ớt và ma sát giới hạn. 3. Căn cứ vào điều kiện làm việc ™ Ma sát bình th−ờng: Là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc bình th−ờng (ổn định). Đặc tr−ng bởi sự cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi lớp màng oxít có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát ™ Ma sát không bình th−ờng: Là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc không bình th−ờng. Nó th−ờng đ−ợc thể hiện ở nhiệt độ của cặp ma sát. Cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi bị phá vỡ. 4. Căn cứ theo động lực học tiếp xúc ™ Ma sát tĩnh xuất hiện trong quá trình dịch chuyển ban đầu, lực ma sát ngăn cản biến dạng lớp bề mặt ™ Ma sát động xuất hiện trong quá trình chuyển động t−ơng đối – lực ma sát động sẽ thúc đẩy quá trình biến dạng trên lớp bề mặt ⇒ tăng Ar Page 31 of 107 Đ 3. Các định luật cơ bản về ma sát Các định luật về bảo toàn năng l−ợng, chuyển động và các nguyên lý cực tiểu đ−ợc áp dụng trong điều kiện ma sát và mòn bình th−ờng, nghĩa là quan hệ giữa các dạng t−ơng tác khác nhau trong quá trình ma sát mang tính chất hoàn toàn xác định. 1. Định luật thứ nhất. Công của lực ma sát ngoài bằng tổng nhiệt sinh ra và các năng l−ợng đ−ợc hấp thụ (chủ yếu do kim loại). A = Q + E A - Công của lực ma sát Q – Nhiệt sinh ra E – Năng l−ợng do kim loại hấp thụ ™ Công ma sát ngoài không bao giờ biến hoàn toàn thành nhiệt: A > Q ™ Năng l−ợng hấp thụ không bao giờ bằng không: E≠ 0 ™ E/A = f(p,v,c). Hàm năng l−ợng hấp thụ t−ơng đối của bề mặt ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu và điều kiện ma sát Page 32 of 107 Vì vậy: Có khả năng điều khiển quá trình ma sát bằng cách điều chỉnh cân bằng năng l−ợng để có tỷ số E/A nhỏ nhất và ổn định. 2. Định luật thứ hai: Lực ma sát là tổng của các lực thành phần đ−ợc dùng để làm tiến triển các quá trình cơ lý hóa tất yếu, ứng với điều kiện tiếp xúc nhất định của các vật thể ma sát. Fms = F1+F2 +F3+F4 +.+ F8 + F9kbt + F9bt + F10 F1 – Lực ma sát trong các lớp thủy khí động, F2 – Lực ma sát tựa thủy động – bán tr−ợt (các lớp biên) F3 – Lực cản tr−ợt trong các lớp giới hạn F4 – Lực tạo dải tiếp xúc trong lớp bề mặt rất mỏng F5 – Lực tạo ra dao động đàn hồi trong các lớp d−ới bề mặt F6 – Lực làm biến dạng các thể tích bề mặt vĩ mô F7 – Lực phá hủy các liên kết bám dính, khuyếch tán F8 – Lực t−ơng tác tr−ờng phân tử, tr−ờng Vandecvan, tr−ờng bề mặt với các khuyết tật của cấu trúc phân tử F9kbt – LựcLực phá hủy thể tích vĩ mô của kim loại F9bt – Lực phá hủy khuyết tật tích lũy và các cấu trúc thứ cấp F10 – Năng l−ợng bị khuyếch tán ra ngoài (phát xạ âm) ™ F1 & F2 xảy ra khi bôi trơn thủy khí động, ™ F3 đến F9bt, F10 xảy ra trong quá trình ma sát bình th−ờng ™ F6 đến F9kbt, F10 xảy ra trong quá trình ma sát không bình th−ờng Page 33 of 107 Quá trình ma sát bình th−ờng và không bình th−ờng t−ơng ứng với các dạng liên kết khác nhau Quá trình ma sát bình th−ờng đ−ợc đặc tr−ng bằng tính ổn định của hệ số ma sát và nó có giấ trị nhỏ nhất 3. Định luật thứ ba: Ba trạng thái biến dạng – ứng suất ứng với một tổ hợp các thông số (vật liệu, môi tr−ờng) nhất định có một vùng của thông số cơ học (p,v), trong đó tích phân của hàm năng l−ợng hấp thụ t−ơng đối trên bề mặt ma sát lấy trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu ∫ =v minA )v(E Kết luận: Ba định luật trên cho phép phân tích quá trình ma sát phức tạp và chỉ ra miền bình th−ờng trong đó gần nh− toàn bộ công ma sát biến thành nhiệt Sơ đồ vị trí các vùng ma sát bình th−ờng và không bình th−ờng, Ba trạng thái biến dạng, ứng suất Page 34 of 107 4. Quy luật mòn thực nghiệm: ™ Đ−ờng cong Stribech: Phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc và áp lực I - Ma sát khô II – Ma sát giới hạn III – Ma sát −ớt IV – Ma sát khi bôi trơn rối ™ Phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp lực pth1 pth2 p f 0 I – Vùng ổn định – mòn oxy hóa II – Vùng chuyển tiếp III – Vùng biến dạng và phá hủy – mòn không bình th−ờng (tróc, cào x−ớc)Page 35 of 107 ™ Phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc tr−ợt I – Vùng ổn định – mòn oxy hóa II – Vùng chuyển tiếp – không bình th−ờng ứng với tróc loại I (V<Vth’) III – Vùng không bình th−ờng – không bình th−ờng ứng với tróc loại II(V>Vth’’) Vth1 Vth2 Page 36 of 107 Đ 4. Bản chất của ma sát ngoài # Bản chất ma sát ngoài rất phức tạp, là tổng hợp của các quá trình cơ lý hóa diễn ra đồng thời. # Ma sát ngoài diễn ra trong diện tích tiếp xúc rất nhỏ không quan sát đ−ợc trực tiếp. 1. Biến dạng khi ma sát (đàn hồi hoặc dẻo) ™ Biến dạng – là phản ứng chóng lại tác dụng ngoại lực của các vật thể vật lý ™ Biến dạng – Là quá trình chủ yếu ảnh h−ởng đến ma sát ngoài. œ Thay đổi diện tích tiếp xúc œ Phát triển các biến dạng vật lý œ Gây các hiện t−ợng dẫn xuất khác 2. Bám dính và khuếch tán khi ma sát ™ T−ơng tác vật lý của các bề mặt ma sát đ−ợc thể hiện bởi hiện t−ợng bám dính và khuyếch tán. Xuất hiện các liên kết giữa các bề mặt của các vật thể tại vùng tiếp xúc thực œ Bám dính tĩnh: Sức cản chống tách ly ban đầu. œ Bám dính động: Sức cản chống tách ly ở các giai đoạn khác nhau œ Lực bám dính là lực cản chuyển động t−ơng đối của hai vật thể theo ph−ơng vuông góc với bề mặt ma sát. Lực phân tử và lực bám dính không sinh công ảnh h−ởng Fms, là nguyên nhân hình thành thành phần ma sát cơ học (Sự cản trở tr−ợt của các lớp vì biến dạng trong ma sát tr−ợt) Page 37 of 107 œ Khuyếch tán: là quá trình thâm nhập và phân tán các nguyên tử, phân tử giữa các bề mặt tiếp xúc ma sát. Hiện t−ợng này đ−ợc áp dụng trong ph−ơng pháp chuyển dịch chọn lọc 3. Phá hủy khi ma sát ™ Kết quả cuối cùng của quá trình ma sát là sự phá hủy bề mặt ma sát bởi sự bong tách hoặc cào x−ớc tạo ra các phần tử mòn. œ Do biến dạng đ−ợc lặp đi lặp lại nhiều lần œ Do dính kết và khuyếch tán lặp đi lặp lại làm tăng thể tích các phần tử chuyển dời. Lực ma sát. Là tổng lực cản trở gây biến dạng bề mặt ma sát và lực liên kết giữa các phần tử trong liên kết bám dính, khuyếch tán, bong tách Fms = Fch + Fpt f = fpt + fch œ Thành phần biến dạng th−ờng nhỏ. œ Thành phần phân tử có tính chất quyết định ™ Điều này thể hiện rõ trong ma sát không chất bôi trơn: œ Th−ờng có tr−ơt theo kiểu b−ớc nhảy: rung khi khởi động, rít khi phanh, rung khi dao tiện cắt œ Màng oxit và bụi có ảnh h−ởng nhiều đến lực ma sát: lực ma sát phân tử, diện tích tiếp xúc.Page 38 of 107 4. Ma sát khi bôi trơn giới hạn: Bôi trơn giới hạn xảy ra khi bề mặt ma sát bị phân tách bởi một chất bôi trơn rất mỏng có chều dày cỡ phân tử đến 0,1àm, có tính chất hoàn toàn khác toàn khối chất bôi trơn. ™ Bôi trơn bằng màng dầu œ Do sức bền nén cao, sức bền tiếp tuyến và sức bến liên kết với bề mặt ma sát rất nhỏ. œ Giảm lực ma sát từ 2- 10 lần so với ma sát khô œ Giảm mòn 100 lần Cơ chế: œ D−ới tác dụng của tải ⇒ biến dạng ⇒ tồn tại màng dầu và có thể có sự thâm nhập của bề mặt nh−ng không phá hủy màng. œ Lực ma sát là tổng của sức cản tr−ợt lớp giới hạn và sức cản cầy xới bởi phần diện tích thâm nhập. œ Diện tích tiếp xúc nhỏ ⇒ biến dạng dẻo ⇒ nhiệt độ tăng ⇒ phá hủy màng cục bộ⇒ bám dính ⇒ tăng lực ma sát œ Do tính linh động và khả năng hấp thụ nên có khả năng tự phục hồi màng dầu. œ ảnh h−ởng của sóng ⇒ diện tích tiếp xúc giảm ⇒ tiếp xúc dẻo œ ảnh h−ởng của oxy làm oxy hóa các chất trong dầu tạo thành các hợp chất liên kết bền vững với kim loại. Vì vậy ⇒ pha thêm phụ gia vào dầu Page 39 of 107 A A BB Sơ đồ sự tr−ợt của vật rắn khi bôi trơn giới hạn A - Đoạn truyền tải trọng B - Đoạn tiếp xúc ™ Bôi trơn giới hạn với chất rắn: Graphit,disulfit molipdel MoS2, sulfit bạc, chì xốp Tạo màng giới hạn có độ bền nén rất cao, độ bền cắt rất nhỏ œ MoS2: T−ơng tự nh− G, dùng ở nhiệt độ thấp và trong chân không. ắ Khi có ẩm hệ số ma sát tăng do sự có mặt của l−u huỳnh ắ ở nhiệt độ 5830C tạo thành các hạt rắn œ Graphit: Có độ cứng ở ph−ơng vuông góc với mặt phẳng của các lớp trong mạng tinh thể xấp xỉ bằng kim c−ơng, độ bền ở các ph−ơng song song với các lớp rất nhỏ. ắ Hệ số ma sát f = 0,03 – 0,04 ắ Khi có ẩm và màng oxit kim loại sẽ tăng c−ờng độ bám dính vào kim loại Cấu truc tinh thể Graphit Page 40 of 107 œ Kim loại mềm (không bị biến cứng, không tạo thành dung dịch rắn).⇒ Babit, đồng thanh chì, hợp kim đồng ắ Màng kim loại mềm có bền nén tốt. ắ Khi có chuyển động sẽ dẫn đến sự cắt trong kim loại mềm, diện tích tiếp xúc không lớn (nền cứng) lực ma sát giảm. 5. Ma sát khi bôi trơn −ớt Bề mặt ma sátbị phân tách hoàn toàn bởi lớp bôi trơn lỏng œ áp suất dầu cân bằng với ngoại lực œ Các lớp dầu có khoảng cách > 0,5 àm với bề mặt chuyển động tự do với nhau œ Lực ma sát phụ thuộc vào: ắ Độ nhớt của dầu ắ Giá trị bằng tổng lực cản của các lớp dầu theo chiều dày của màng dầu. œ Theo chiều dày màng dầu gồm có: ắ Các phần tử hoạt tính hấp thụ vào bề mặt kim loại ắ Lớp giới hạn ắ Rối vi mô ắ Dòng chảy tầng. Sơ đồ mặt cắt của bề mặt kim loại và lớp vật liệu bôi trơn lỏng Page 41 of 107 6. Ma sát khi bôi trơn nửa −ớt Bôi trơn nửa −ớt là đồng thời có cả bôi trơn −ớt và bôi trơn giới hạn œ Tải cân bằng với lực pháp tuyến của các phần bề mặt tiếp xúc và áp suất thủy động của dầu bôi trơn. œ Lực ma sát bằng tổng lực t−ơng tác bề mặt theo ph−ơng tiếp tuyến và sức cản nhớt. œGồm có hai dạng: ắ Bề mặt ma sát thu hẹp thành các khe hẹp tạo ra dòng chảy và lực nâng nh−ng không đủ để tiếp nhận toàn bộ tải ắ Độ nhấp nhô tạo thành các nêm dầu vi mô, hình thành ngay cả khi vận tốc nhỏ 1. Cấu trúc kim loại ban đầu 2. Tinh thể bị biến dạng có h−ớng 3. Tinh thể bị phá huỷ, bị oxy hoá và lớp hấp thụ bề mặt 4. Lớp phân tử mônô 5. Lớp giới hạn 6. Vùng chuyển động với vi mô 7. Dòng dầu chảy tầng Page 42 of 107 Sơ đồ nêm dầu vi mô thuỷ động do các nhấp nhô bề mặt khi chuyển động t−ơng đối tạo nên. h0 – Khe hở nhỏ nhất a – Chiều dài nêm dầu Page 43 of 107 Đ 5. Tính toán hệ số ma sát Fms = Fpt + Fch ⇒ f = fpt + fch 1. Công thức tính hệ số ma sát theo th−c nghiệm Fms = f.N f – hệ số ma sát N – Tải trọng pháp tuyến, Theo Leonardvinci f = 0,25 2. Coulomb Fms = A+ B.N Hay f = (a/n) +B A - Đặc tr−ng cho mối t−ơng tác giữa hai vật thể ma sát 3. Tabor và bowden Thành phần biến dạng là không đáng kể so với thành phần ma sát phân tử fpt = τ/pt τ − Độ bền cắt của vật liệu mềm hơn pt – áp lực chảy f = 0,17 – 0,2Page 44 of 1 7 4. Công thức R.Kinh và Tabor : (2.15) Trong đó : K – Là hệ số thực nghiệm Khi f0 = 0 và K = 1 ⇒ công thức Tabor và Bowden 5. Công thức R.T.Spurr và T.P.Navcomb có mối quan hệ (2.16) Trong đó : D - Là đ−ờng kính mẫu thử d - Là chiều rộng vết đ−ờng tr−ợt 6. Công thức Rabinowic tính hệ số ma sát cho tiếp xúc dẻo: (2.17) Trong đó : τ và PT - sức bền cắt và giới hạn chảy Wab - Năng l−ợng bám dính θ - Góc nghiêng của nhâp nhô a - Bán kính vùng bám dính T 0 .Kff σ τ+= D3 d4 f Π= ⎟⎠