MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>NGUYỄN ĐĂNG BÌNH -- PHAN QUANG THẾ </b>

<b>MA SÁT, MỊN VÀ BƠI TRƠN TRONG KỸ THUẬT </b>

<b><small>NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 </small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ... 7 <small>U</small>

MỞ ĐẦU ... 9 <small>U</small>

1. LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MỊN VÀ Bơi TRƠN (TRIBOLOGY) .. 9

2. SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY... 10

3. VAI TRỊ CỦA TRIBOLOGY TRONG CƠNG NGHIỆP ... 12

3.2.1. Phân bố xác suất biên độ và hàm mật độ ... 22

3.2.2. Mô men của hàm xác suất biên độ... 24

3.2.3. Các hàm số phân bố chiều cao hề mặt ... 26

3.2.4. Đường cong diện tích tiếp xúc thực (BAC) ... 27

5.2. Phân bố ứng suất do tải trọng... 32

5.2.1. Tải trọng tập trung dơn ... 32

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

5.4.1.2. Phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc... 41

5.4.1.3. Sự trượt dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến ... 44

5.4.2. Tiếp xúc 3D tổng quát... 47

5.4.3. Tiêu chuẩn cho các chế độ biến dạng ... 52

Chương 2... 54

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT ... 54

1. KHÁI NIỆM CHUNG ... 54

1.1 Các định luật ma sát trượt cơ bản ... 54

2.7 Năng lượng tiêu thụ do ma sát ... 69

2.8. Ảnh hưởng của vật liệu đến ma sát trượt ... 70

2.8.1. Ảnh hưởng của hoạt tính hố học của vật liệu... 70

2.8.2. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ... 70

2.8.3. Ảnh hưởng của biên giới hạt... 71

3. MA SÁT LĂN ... 71

3.1. Khái niệm... 71

3.2. Nguyên nhân của ma sát lăn ... 73

4. MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT... 75

4.1. Các tính chất ma sát, mịn và bơi trơn của vật liệu ở thể rắn ... 75

4.1.1. Các bề mặt kim loại sạch trong chân không ... 75

4.1.2. Các bề mặt kim loại trong khơng khí... 76

4.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng, tính hồ tan và cấu trúc tinh thể ... 76

4.2. Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật ... 77

4.2.1. Ma sát của gỗ, da và đá ... 78

4.2.2. Ma sát của kim loại và hợp kim... 78

4.2.3. Ma sát của kính và ceramics ... 81

4.2.4. Ma sát của vật liệu các bon bao gồm kim cương... 83

4.2.5. Ma sát của chất bôi trơn ở thể rắn... 84

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

3.2. Mòn kim loại và hợp kim... 118

3.2.1. Khái niệm chung ... 118

3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mịn ơxy hố ... 120

3.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành... 121

3.4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn của ổ chất dẻo ... 131

4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN... 132

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

4.5. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ... 136

4.6. Ảnh hưởng của biên giới hạt... 136

1.3.2.3. Phương trình Navier - Stokes... 145

1 3.2.4. Dòng chảy một chiều giữa hai tấm phẳng song song... 147

1.3.2.5. Phương trình Reynolds ... 149

2. MỘT SỐ KIỂU BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT ... 152

2.1. Bôi trơn thuỷ tĩnh... 152

2.2. Bôi trơn thuỷ động ... 155

2.3.2.1. Tiếp xúc trụ tuyệt dối cứng ... 165

2.3.2.2. Tiếp xúc trụ đàn hồi (hình chữ nhật) và độ nhớt thay đổi ... 167

1.1 Vai trò của bề mặt trong giảm ma sát và mòn ... 170

1.2. Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt... 172

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

2. CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN COMPOSITE ... 173

3.1. Khái niệm chung ... 177

3.2. Phủ bay hơi hoá học và ứng dụng... 177

3.4. Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát... 189

3.4.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt... 189

3.4.2. Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại... 191

3.4.3. Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt... 192

4. THẤM ION (ION IMPLANTATION)... 194

4.1. Nguyên tắc ... 194

4.2. Thiết bị thấm ion... 197

4.3. Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion ... 198

4.4. Ion trợ giúp quá trình phủ ... 200

5. THẤM NITƠ VÀ CÁC BON... 201

5.1. Khái niệm chung ... 201

5.2. Nguyên tắc của glow discharge ... 202

5.3. Áp suất riêng của khí ... 203

5.5.2. Các ưu điểm của thấm các bon plasma ... 207

TÀI LIỆU THAM KHẢO... 208

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>LỜI NĨI ĐẦU </b>

Sự nghiệp cơng nghiệp hố và hiện đại hố nước nhà đang địi hỏi những nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng các sản phẩm cơng nghiệp. Ma sát, mịn và bơi trơn (Tribology) có lẽ là những thuật ngữ không xa lạ với các kỹ sư, cán bộ giảng dạy và nghiên cứu. Tuy nhiên để ứng dụng có hiệu quả kiến thức về tribology vào việc thiết kế các cặp đôi ma sát, các nhà thiết kế phải có những hiểu biết sâu và rộng trong lĩnh vực này. Trước yêu cầu đó của xã hội, các tác giả đã viết cuốn sách này làm tài liệu chuyên khảo phục vụ đào tạo Sau đại học cho các chuyên ngành thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí.

Được sự góp ý của các đồng nghiệp, chúng tôi định hướng nội dung chủ yếu của cuốn sách này vào các vấn đề cơ bản về lý thuyết tiếp xúc và ứng suất, lý thuyết ma sát, mịn và bơi trơn cũng như một số biện pháp công nghệ tiên tiến nhằm giảm ma sát và mòn. Cuốn sách được chia làm 5 phần chính theo 5 chương.

Chương 1: Đặc tính và tương tác bề mặt vật rắn Chương 2: Lý thuyết cơ bản về ma sát

Chương 3 : Lý thuyết cơ bản về mòn Chương 4: Bôi trơn trong kỹ thuật

Chương 5: Một vài biện pháp công nghệ bề mặt nhằm giảm ma sát và mòn.

Với mục đích cung cấp cho học viên cao học những kiến thức rất cơ bản về ma sát mịn, bơi trơn và phục vụ cho q trình giảng dạy mơn học "Ma sát và Mòn" tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, các tác giả đã đi từ phân tích lý thuyết cơ bản, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đến các ứng dụng cụ thể của tribology trong kỹ thuật. Ngoài việc sử dụng cuốn sách làm tài liệu chuyên khảo cho học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, các tác giả hy vọng các nghiên cứu sinh trong lĩnh vực này cũng có thể tìm thấy nhiều điều bổ ích cho nghiên cứu của mình.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Chúng tơi muốn bày tỏ tình cảm, lời cám ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ chúng tơi trong q trình hồn thành bản thảo. Chúng tôi cũng không thể không nhắc đến những cảm thông và tạo điều kiện đặc biệt về thời gian của vợ và các con gái trong những ngày bận rộn viết cuốn sách này. Mặc dù cuốn sách đã được chính tác giả và các đồng nghiệp sử dụng làm tài liệu đào tạo Sau đại học, được kiểm tra cẩn thận trước khi xuất bản, nhưng chắc chắn trong tài liệu vẫn cịn nhiều thiếu sót. Chúng tơi mong muốn nhận được và chân thành cám ơn ý kiến đóng góp của bạn đọc. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội.

CÁC TÁC GIẢ

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>MỞ ĐẦU </b>

<b>1. LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MỊN VÀ BƠI TRƠN (TRIBOLOGY) </b>

Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường là ma sát và mịn hay khoa học về bơi trơn. Trong từ điển kỹ thuật Anh - Anh, tribology được định nghĩa là khoa học và công nghệ của các bề mặt tương tác và chuyển động tương đối với nhau, các lĩnh vực liên quan và ứng dụng. Đây là một lĩnh vực khoa học rộng bởi vì tương tác giữa các bề mặt thông qua một giao diện tribology rất phức tạp, yêu cầu kiến thức sâu của nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý, hoá học, toán ứng dụng, cơ học vật rắn, cơ học chất lỏng, nhiệt động lực học, truyền nhiệt, khoa học vật liệu, thiết kế máy, khả năng làm việc và độ tin cậy của chi tiết máy và máy.

Thực ra, con người đã ứng dụng các kiến thức của tribology vào cuộc sống từ rất lâu. Con tầu và bánh xe đã được sử dụng khoảng 3500 năm trước công nguyên nhằm giảm ma sát trong vận chuyển. Người cổ Ai Cập đã biết sử dụng nước để bôi trơn các xe trượt dùng vận chuyển các bức tượng nặng vào năm 1880 trước công nguyên. Trong một ngơi mộ cổ ở Ai Cập xây dựng vài nghìn năm trước cơng ngun cịn để lại các dấu tích, con người đã biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn trong các ổ bánh xe.

Trong thời đại đế chế La Mã, các kỹ sư quân đội thiết kế và chế tạo các máy móc phục vụ chiến tranh và các phương pháp phòng thủ đều quan tâm đến việc ứng dụng các kiến thức tribology. Leonardo Da Vanci (1452-1519) là nhà khoa học đầu tiên đã rút ra một giả thiết khoa học quan trọng về ma sát đó là hệ số ma sát là tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến. Do phát minh của ơng chưa có tác động đến lịch sử nên cuốn sách viết về phát minh này của ông đã không được xuất bản trong vài trăm năm. Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons đã công bố định luật ma sát sau khi nghiên cứu hiện tượng trượt khô giữa hai bề mặt phẳng. Thứ nhất, lực ma sát cản trở sự trượt trên bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến. Thứ hai, độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa. Các

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

quan sát này đã được nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm và bổ sung thêm định luật thứ ba, đó là lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc và phân biệt rõ ma sát tĩnh và động.

Sự phát triển của tribology xảy ra mạnh mẽ vào những năm 1500, đặc biệt là các phát minh vật liệu chế tạo ổ. Năm 1684, Robert Hooke đã khám phá ra sự kết hợp giữa trục thép và vòng kim loại tốt hơn trục gờ và vòng gang trong ổ bánh xe. Sự phát triển tiếp theo của tribology gắn liền với sự phát triển của công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và sự lớn mạnh của công nghiệp khai thác dầu ở các nước Anh, Mỹ, Canada. Vào năm 1668, Isaac Newton đã phát hiện ra các định luật về dòng chất lỏng nhớt, nhưng mãi đến cuối thế kỷ 19 người ta mới hiểu rõ bản chất khoa học của vấn đề bôi trơn ổ lăn. Nguyên tắc bôi trơn thuỷ động được Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm 1884 và được Osborne Raynolds chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1886 đáp ứng yêu cầu về thiết kế ổ có độ tin cậy cao trong máy móc hiện đại.

Mịn bắt đầu được nghiên cứu vào giữa thế kỷ 19. Người đã có những đóng góp đầu tiên vào lĩnh vực này là Ragnar Hoan (1946). Bước vào thế kỷ 20, những kiến thức mới trong lĩnh vực tribology được nhiều nhà khoa học khám phá đặc biệt là Bowden và Tabor (1950, 1964) và sau đó là Bhushan và Gupta (1997).

Tribology đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của cơng nghiệp. Có thể thấy vào những năm 1950, tuổi thọ của một động cơ ô tô chỉ bằng 1/3 tuổi thọ của động cơ ô tô sản suất vào những năm 1975. Một điều rất thú vị là trong các ơ tơ hiện đại có đến trên 2000 các tiếp xúc tribology.

<b>2. SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY </b>

Tiếp xúc giữa phần lớn các bề mặt đều xảy ra tại đỉnh nhấp nhơ bề mặt. Do đó tầm quan trọng của việc nghiên cứu tiếp xúc tại đỉnh nhấp nhơ trong các nghiên cứu về tính chất cơ lý của bề mặt tiếp xúc, tribology đã được nhận thức từ lâu.

</div>