Giáo trình ma sát mòn - Chương 3

Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


1
Phần 2.
Mòn


1. Khái niệm về mòn
Mòn là hiện tợng phá huỷ bề mặt hay sự tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề
mặt trong chuyển động trợt, lăn hoặc va chạm tơng đối với nhau. Nói chung
mòn xảy ra do sự tơng tác của các nhấp nhô bề mặt.
Trong quá trình chuyển động tơng đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc
có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vợt quá giới hạn dẻo, nhng
chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị tách ra. Sau đó vật liệu
bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc hoặc tách ra thành những
hạt mài rời. Trong trờng hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể
tích hay khối lợng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt
vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, nhng sự
phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lợng
hoặc thể tích của vật cũng là một dạng mòn.
Giống nh ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà là sự
phản ứng của một hệ thống. Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hởng trực tiếp tới
mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Rất sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bề mặt
tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao. Ví dụ các cặp bề mặt tiếp xúc
sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát tơng đối thấp nhng mòn lại
tơng đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhng mòn lại rất thấp.
Thờng hệ số ma sát trợt của đa số cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến
1, nhng tốc độ mòn có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn. Điều này đợc giải thích
là do mòn liên quan đến nhiều hiện tợng đa dạng kết hợp với nhau theo kiểu

không thể dự đoán trớc đợc và thay đổi trong phạm vi rộng.
Mòn có thể có hại hoặc có ích. Khi viết bằng bút chì, mài, đánh bóng, và cạo
là các ví dụ về mòn có lợi. Mòn là điều không mong muốn trong các bộ phận và
chi tiết nh ổ, phớt, bánh răng và cam. Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một
lợng rất nhỏ hoặc nếu nh bề mặt bị quá ráp. Trong các hệ đợc thiết kế tốt về
ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhng ổn định và liên tục.
Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mài trên các bề mặt tiếp xúc chung
có kích thớc lớn hơn khe hở tiếp xúc có thể tạo nên tác dụng nghiêm trọng hơn là
lợng mòn thực tế.
Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác nhau và các
dạng hạt mòn cũng nh các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu.
2. Phân loại mòn
Mòn xảy ra do các tơng tác cơ, điện và/hoặc hoá và nói chung chịu xúc tác
của nhiệt ma sát. Do tơng tác cơ học các vết nứt có thể xuất hiện do hiện tợng
bẻ gãy các liên kết phân tử trong chất dẻo, sự trợt trong kim loại, sự phá vỡ biên
giới hạt trong ceramics hoặc sự phá huỷ bề mặt của composite hoặc vật liệu nhiều
pha. Các vết nứt này sẽ phát triển và tạo ra các hạt mòn.
Mòn bao gồm sáu hiện tợng chính tơng đối khác nhau và có chung một kết
quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trợt đó là: dính (adhesive), abrasive, mỏi bề
mặt (fatigue), va chạm, hoá hay ăn mòn, và điện. Các dạng mòn khác thờng gặp
nh fretting hay ăn mòn fretting là sự kết hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và
va chạm. Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do
các cơ chế dính và abrasive. Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện
tợng xảy ra từ từ.
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


2
Trớc khi lựa chọn vật liệu hoặc các phơng pháp xử lý vật liệu để tăng khả

năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu đợc các quá trình mòn đang
hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết mòn kết hợp với kiến
thức về chế độ tơng tác bề mặt hoặc các tính chất bề mặt.
Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trờng hợp
mòn sinh ra do một cơ chế nhng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế
khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn. Phân tích bề mặt các chi tiết bị
hỏng do mòn chỉ xác định đợc các cơ chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi.
Kính hiển vi và rất nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt đợc sử dụng để phân tích các
bề mặt này.
2.1. Mòn do dính
2.1.1. Khái niệm


Hình 2.1. Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp
xúc chung (1) hoặc lấn vào một trong hai bề mặt (2).
Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn,
phẳng trợt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ
tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dới tác dụng
của tải trọng pháp tuyến, khi sự trợt xảy ra
vật liệu ở vùng này bị trợt (biến dạng dẻo)
dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành
các mảnh mòn rời. Một số mảnh mòn còn
đợc sinh ra do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh
các nhấp nhô.
Một số giả thuyết đợc đa ra để giải
thích cơ chế tách một mảnh vật liệu do dính.
Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trợt, sự
cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung
hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu
tại chỗ tiếp xúc. Trong phần lớn các trờng

hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ hơn sức
bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên
mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không (hình
2.1). Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc,
sự cắt xảy ra vào vùng lân cận của một
trong hai vật thể và dính sang bề mặt đối
tiếp (hình 2.1). Mảnh vật liệu dính này có
dạng hình khối đặc biệt
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả sự dính
của các mảnh mòn dạng cánh
mỏng và dạng hình nêm.
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


3
Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trợt
tơng đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dới tác dụng của ứng suất nén
và tiếp và sự trợt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trợt của các tinh thể
trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trợt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá
mỏng (hình 2.2(a)). Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi
khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình nêm nh trên hình 2.2(b) và dính sang bề mặt
đối tiếp. Quá trình trợt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt
đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy trong
môi trờng hoặc do năng lợng đàn hồi lớn hơn năng lợng dính.
Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai loại vật
liệu đều đợc tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn thờng lớn hơn.
Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu cứng hơn tạo nên các vùng
cục bộ có sức bền thấp. Khi những vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền
cao của vật liệu mền hơn sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn. Những

mảnh mòn loại này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ
tải.
Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn đợc gọi là galling, scuffing,
welding hay smearing.
2.1.2. Các phơng trình định lợng
Định luật mòn dính của a
aa
archard
Giả thiết tiếp xúc đợc tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô
có bán kính a (hình 2.3).



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

Diện tích của mỗi tiếp xúc là: a
2

Mỗi tiếp xúc sẽ đỡ một tải trọng là: p
o
a
2
, trong đó p
o
là giới hạn chảy.
Các bề mặt sẽ dịch chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết
mảnh mòn sinh ra từ mỗi đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích
3
a

3
2

.
Tổng thể tích mòn Q trên một đơn vị chiều dài trợt đợc xác định nh sau:
n
3
a
a
3
1
a2
a
3
2
Q
2
2
3

=

=

=

Trong đó n là tổng số các tiếp xúc và tải trọng pháp tuyến tổng W sẽ là:
W = p
o

a
2
n
Hay:
o
2
p
W
an =

Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


4
Do đó:
o
p3
W
Q =

Nếu chỉ có một phần k các tiếp xúc nhấp nhô gặp nhau và tạo nên hạt mài
thì:
o
p3
W
kQ =


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

Từ phơng trình này có thể rút ra ba quy luật mòn.
- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với quãng đờng trợt;
- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến;
- Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu
mềm hơn.
Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k giữa thép và thép giữ hằng số cho
đến ứng suất khoảng H/3 (H là độ cứng của thép). Khi tăng ứng suất trên giá trị
này tốc độ mòn tăng mạnh hàn và seizure xảy ra. Điều này vẫn đúng khi vật liệu
đối tiếp các kim loại khác. Tuy nhiên ngoài độ cứng, các tính chất khác của vật liệu
cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hởng tới tốc độ mòn.
Thuyết mòn dính của Rowe
Rowe đã bổ xung lý thuyết mòn của archard có kể đến tác dụng của lớp
màng bề mặt (surface films).
Ak
p3
W
kQ
o
'==

Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim
loại A
m
. Q = k
m
.A
m

k
m

là một hằng số cho kim loại trợt và độc lập với các tính chất của chất bôi
trơn hay của lớp màng bề mặt. Đặt
A
A
m
=
là tỷ số giữa diện tích tiếp xúc trực tiếp
kim loại kim loại và thực khi có lớp bôi trơn.
o
mm
p
W
kAkQ ==

Theo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự
kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp
tuyến tĩnh gây ra p
o
.
p
2
+

s
2
=
2
o
p

Do s =
à
p (
à
là hệ số ma sát) nên
( )
21
2
o
1
p
p
/
à+
=

Do đó:
( )
o
21
2
m
p
W
1kQ à+=
/

Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


5
2.2. Mòn do cào xớc



Hình 2.4. Sơ đồ (a) bề mặt cứng và nhám hoặc bề mặt gắn các hạt cứng trợt trên
bề mặt mềm hơn (b) các hạt cứng tự do kẹt giữa các bề mặt trong đó ít nhất một
bề mặt có độ cứng thấp hơn hạt cứng.
Mòn do cào xớc xảy ra khi các nhấp nhô của một bề mặt cứng và ráp hoặc
các hạt cứng trợt trên một bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung
bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Trong trờng hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có
độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt
cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trờng hợp tải nhẹ
nhất. Trong trờng hợp vật liệu dòn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách
khi đó trên vùng mòn nứt tách là biểu hiện chủ yếu.
Có hai trờng hợp mòn do cào xớc. Trong trờng hợp thứ nhất (cào xớc hai
vật) bề mặt cứng là bề mặt cứng hơn trong hai bề mặt trợt (hình 2.4(a)). Mòn sẽ
không xảy ra nếu bề mặt cứng hơn tuyệt đối phẳng và nhẵn. Trong trờng hợp thứ
hai (cào xớc ba vật), bề mặt cứng là vật thứ ba, các hạt cứng nằm giữa hai bề
mặt khác và đủ cứng để mài một trong hai bề mặt này (hình 2.4(b)). Mòn cũng
không xảy ra nếu các hạt mài quá bé hoặc mềm hơn các bề mặt trợt. Trong
nhiều trờng hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung,

các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá, biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo
nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trờng hợp hạt cứng sinh ra và đa vào hệ
thống trợt từ môi trờng.
Các nghiên cứu thực nghiệm về mòn do hạt cứng cho thấy hiện tợng cào
xớc trên bề mặt mền hơn thể hiện bằng hàng loạt các rãnh song song với hớng
trợt. Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo của các lớp dới bề mặt ít hơn so với mòn
do dính. Tuy nhiên độ cứng tế vi của bề mặt mòn tăng từ 10-80%.
Mòn do cào xớc đợc ứng dụng rộng rãi trong các nguyên công gia công
tinh nh mài, đánh bóng vv.
2.2.1. Mòn do cào xớc bằng biến dạng dẻo
2.2.1.1. Cơ chế mòn
Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


6
cào xớc có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép
vật liệu (wedge formation) và cắt.
Cày là hiện tợng tạo rãnh do hạt cứng trợt và gây ra biến dạng dẻo của vật
liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của
rãnh mà không bị tách ra. Tuy nhiên sau nhiều lần nh thế phần vật liệu này có
thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng
dẻo của các lớp dới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết
nứt tế vi. Quá trình chịu tải và bỏ tải tiếp theo (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao)
làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với nhau
tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trờng hợp vật liệu rất mềm nh indium và
chì, khối lợng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang
hai bên của rãnh.
Sự hình thành lợng vật liệu dồn ép ở phía trớc của hạt cứng là một dạng

mòn do cào xớc. Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và
một lợng vật liệu bị dồn ép ở phía trớc của nó. Điều này thờng xảy ra khi tỷ số
giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu
cao (0,5-1). Khi này chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh còn phần
lớn sẽ dồn ép về phía trớc của hạt cứng tạo nên hiện tợng này.
Dạng cắt của mòn do cào xớc xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di
chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dới dạng mảnh mòn có dạng
giống nh phoi dây hoặc vụn. Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lợng vật
liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ.
Challen và Oxley đã phân tích ba chế độ biến dạng phân biệt trên của mòn
do cào xớc sử dụng vùng đờng trợt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tởng
(chêm 2D). Theo phân tích này vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp
nhô chỉ chịu biến dạng phẳng. Hình 2.5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị
dồn

Hình 2.5. Sơ đồ vùng đờng trợt của ba chế độ biến dạng của vật liệu rắn, tuyệt
đối dẻo gây ra bởi sự trợt của hình nêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) sự
hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt.

(a)
(b)
(c)
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


7















Hình 2.6. Sơ đồ ba chế độ của mòn cào xớc và profile tơng ứng của mặt cắt

ngang quan sát trên SEM (a) chế độ cắt của đầu thép trợt trên đĩa đồng (b) chế
độ dồn ép vật liệu của đầu thép trên đĩa thép trắng (c) chế độ cày của đầu thép
trên đĩa đồng

sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng. Hình 2.5(c) chỉ ra chế độ cắt, vật liệu
phía trớc của hạt cứng bị cắt ra do bị biến dạng trong vùng biến dạng thứ nhất tạo
thành phoi. Hình 2.5(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trớc hạt
cứng. Sự dính xảy ra giữa mặt trớc của hạt cứng và vật liệu bị đẩy dồn ra khỏi bề
mặt. Một phần vật liệu này bị dồn sang hai bên, phần còn lại dính ở phía trớc hạt
cứng và cuối cùng bị tách ra giống nh trờng hợp cắt. Đối với kim loại dẻo, các cơ
chế cày, dồn ép và cắt đợc quan sát trên SEM trên hình 2.6.
Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này. Các


Hình 2.7. Các chế độ biến dạng quan sát khi trợt mũi cầu cứng trên đồng

, thép
các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số của sức bền cắt trên
mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu.

yếu tố quyết định là góc tiếp xúc

, mức độ chìm sâu của hạt cứng và sức bền cắt
của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên hình 2.7. Mức độ chìm sâu của hạt cứng là tỷ
(a)
(b)
(c)
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN

8
số giữa chiều sâu rãnh và bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt là tỷ số giữa sức
bền bề mặt và sức bền trong lòng vật thể. Trong trờng hợp hạt cứng có đầu nhọn
sẽ tồn tại một góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày và dồn ép sang cắt. Góc tiếp
xúc giới hạn này phụ thuộc vào vật liệu bị mòn. Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày
và dồn ép sang cắt sẽ tăng khi hệ số ma sát tăng.
2.2.1.2. phơng trình định lợng
Khảo sát mô hình đơn giản trong đó một bề mặt mang một dãy các nhấp nhô
hình nón cứng trợt trên bề mặt phẳng và tạo nên các rãnh có chiều sâu đồng
đều. Hình 2.8 chỉ ra một nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc)

tạo
nên một rãnh trên bề mặt vật liệu mềm hơn với chiều sâu d và chiều rộng 2a. Giả
thiết rằng vật liệu đạt tới giới hạn chảy dới tác dụng của tải trọng pháp tuyến.



Hình 2.8. Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trợt với bề mặt vật liệu mềm hơn
của chế độ mòn do cào xớc.
Ha
2
1
dW
2
=

Trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn. Thể tích vật liệu bị dịch
chuyển trên khoảng trợt x sẽ là:
dv = a

2
xtg


Từ đó ta có:
H
dWxtg2
dv


=

Tổng thể tích vật liệu bị dịch chuyển bởi tất cả các nhấp nhô là:
( )
H
tgWx2
v
tb


=

Trong đó (tg

)
tb
là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là
yếu tố độ nhám.
Phơng trình này đợc rút ra từ một mô hình rất đơn giản bởi vì sự phân bố về
hình dáng, chiều cao nhấp nhô và vật liệu tích tụ ở phía trớc của các nhấp nhô

đều bỏ qua. Một phơng trình có dạng tơng tự nh phơng trình của Archard cho
mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn cào xớc là:
H
Wx
kv
abr
=

K
abr
là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác
xuất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác xuất cày. Vì vậy độ nhám
ảnh hởng đến thể tích mòn rõ ràng. Giá trị của k
abr
thay đổi trong dải từ 10
-6
đến
10
-1
. Tốc độ mòn do cào xớc thờng rất lớn gấp khoảng 2-3 lần so với mòn do
dính.
Phơng trình mòn do cào xớc hai vật thể cũng đúng trong trờng hợp mòn
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


9
do cào xớc ba vật thể nhng hệ số k
abr
thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hớng

lăn nhiều hơn trợt.
Trong quá trình mòn, hiện tợng cùn của các nhấp nhô cứng hay các hạt
cứng xảy ra làm giảm tốc độ mòn. Tuy nhiên, các hạt cứng dòn có thể vỡ ra tạo
thành các hạt mới sắc làm tăng tốc độ mòn.
2.2.2. Mòn do cào xớc bằng nứt tách



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

Khảo sát một hạt cứng sắc trợt trên
mặt phẳng của một vật rắn dòn. Khi tải
trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc
sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật
rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi
tải trọng pháp tuyến vợt qua một giá trị
nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột
ngột tốc độ mòn.

Tải trọng giới hạn tỷ lệ với
c
3
c
K
H
K

trong đó H/K
c
gọi là chỉ số độ dòn, H là độ
cứng và K
c
là độ dai va đập.
Từ hình 2.10 có thể thấy rằng các vết nứt
ngang phát triển từ ứng suất d gây ra khi
vật liệu bị biến dạng. Chiều dài lớn nhất
của vết nứt vì thế chỉ đợc phát hiện khi
hạt cứng rút ra khỏi bề mặt. Khi hạt cứng
trợt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ
phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng
dới bề mặt bị biến dạng. Các mảnh mòn
đợc tách ra dới dạng các mảnh đa diện
từ vùng giới hạn bởi các đờng nứt ngang tới bề mặt trợt.
Hình 2.10. Sự hình thành và phát
triển của vết nứt trong các chu kỳ
chịu và nhấc tải của kính đá vôi sử
dụng mũi hình tháp nhọn.
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


10
Chiều dài vết nứt c của hạt cứng trợt trên bề mặt vật liệu dòn trên hình 2.9

đợc xác định nh sau:
( )
85
8121
c
53
1
W
HK
HE
c
/
//
/
/








=

Trong đó

1
là hằng số phụ thuộc vào hình dáng của hạt cứng không phụ
thuộc vật liệu.

Chiều sâu d của vết nứt ngang trên hình 2.9 đợc tính nh sau:
2152
2
H
W
H
E
d
//












=

Trong đó:

2
là

hằng số không phụ thuộc vật liệu khác. Thể tích lớn nhất của
vật liệu bị tách ra do một hạt cứng trên một đơn vị chiều dài trợt là 2dc. Nếu N

đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải và mỗi nhấp nhô chịu tải là W thì thể
tích mòn trên một đơn vị chiều dài trợt sẽ là:
( )
8521
c
89
3
HK
WHE
Nv
//
/
/
=

Trong đó

3
là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu. Vì (E/H) không thay đổi
nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với
21
c
K
/
, H
5/8
.
Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W
9/8
nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn

tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến nh trong biến dạng dẻo. Điều này ngụ ý rằng
hệ số mòn trong phơng trình mòn không độc lập với tải trọng.
2.3. Mòn do mỏi
Mỏi xuất hiện dới và trên bề mặt xảy ra tơng ứng với tiếp xúc lăn và trợt
theo chu kỳ. Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ có thể là nguyên nhân gây ra các vết
nứt dới hoặc trên bề mặt. Sau một số chu kỳ giới hạn các vết nứt sẽ phát triển tới
bề mặt tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ. Khác với mòn do dính
hoặc cào xớc khối lợng mòn do mỏi không phải là thông số có ý nghĩa để đánh
giá mòn mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trớc khi mỏi xảy ra.
Sự phát triển của vết nứt trở nên mạnh hơn dới tác dụng hoá học (thờng
xảy ra với ceramics) gọi là mỏi tĩnh. Sự tồn tại của ứng suất kéo và hơi nớc ở đỉnh
của vết nứt trong nhiều loại ceramics làm tăng tốc độ phát triển của vết nứt đáng
kể. Tác dụng thúc đẩy biến dạng và nứt tách do tác nhân hoá học làm tăng mòn
trong cả điều kiện tĩnh và động lực của lăn và trợt.
2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trợt
Mỏi tiếp xúc lăn không trợt
Mòn do dính hoặc do cào xớc xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa hai
bề mặt chuyển động tơng đối với nhau. Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp
màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra. Tuy
nhiên nếu trên mặt tiếp xúc chung với tiếp xúc nonconforming, ứng xuất tiếp xúc
rất lớn. Khi này mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn
chịu ứng suất lớn đợc truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn. Các chi
tiết của ổ lăn đợc thiết kế bôi trơn tốt thờng bị hỏng vì mỏi xảy ra dới bề mặt.
Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên
bề mặt nhng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện dới bề mặt một khoảng nào đó.
Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết. Thời
gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cờng độ của ứng suất tiếp đổi chiều,
điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn.
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN

11
Khi một vết nứt về mỏi xuất hiện
dới bề mặt, nó sẽ phát triển và tách
vật liệu vùng bề mặt ra thành những
mảnh mòn mỏng. Bởi vì vật liệu trong
tiếp xúc lăn thờng qua tôi nên bề mặt
thờng cứng do đó các vết nứt xuất hiện
ở bề mặt do ứng suất kéo tạo nên hiện
tợng mỏi bề mặt. Mỏi bề mặt lăn
không trợt đặc trng bỏi sự hình thành
các mảnh mòn lớn sau một số chu kỳ
giới hạn nào đó.
Tuổi thọ của các thành phần ổ lăn
ký hiệu L
10
(đơn vị triệu vòng quay) cho
90% số ổ đợc xác định theo công thức:
L
10
= (C/W)
p

p = 3 đối với ổ bi
p=10/3 đối với ổ đũa
Tuy nhiên tuổi thọ thực của ổ lăn
L
A
còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên:

L
A
= (D)(E)(F)(G)(H)L
10

D là yếu tố vật liệu, E yếu tố điều
kiện làm việc, G là yếu tố vận tốc, H
yếu tố lệch tâm. Các yếu tố này có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1.
Mỏi tiếp xúc vừa lăn vừa trợt
Sự kết hợp giữa lăn và trợt làm dịch chuyển điểm có ứng suất tiếp cực đại
lên gần bề mặt hơn (hình 2.11) do đó vị trí hỏng do mỏi tiến gần bề mặt hơn. Sự
trợt thúc đẩy sự phá huỷ bề mặt do dính. Bôi trơn thích hợp có thể hạn chế đến tối
thiểu ảnh hởng phá huỷ bề mặt do trợt trong điều kiện tiếp xúc này.
Mỏi tiếp xúc trợt
Khi hai bề mặt trợt tơng đối mòn xảy ra do dính và cào xớc. Tuy nhiên có
thể thấy rằng các đỉnh nhấp nhô có thể tiếp xúc và trợt với nhau mà không bị dính
hoặc cào xớc. ứng suất tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô làm cho đỉnh các nhấp nhô
ở một hoặc cả hai bề mặt bị biến dạng dẻo. Sự biến dạng ở bề mặt hoặc dới bề
mặt xảy ra theo chu kỳ là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt (từ mầm vết nứt hoặc
những chỗ trống hoặc vết nứt tế vi có sẵn) ở trên bề mặt hoặc dới bề mặt. Các
vết nứt này tiếp tục phát triển. Sau một số lần tiếp xúc nhất định, các nhấp nhô
này bị phá huỷ và tạo thành hạt mòn. Rất khó có thể chứng minh mỏi là nguyên
nhân mòn chính trong một tập hợp các điều kiện xác định. Archard và Hirst cho
rằng kim loại dính sang bề mặt đối tiếp (material transfer) cuối cùng tách ra thành
những hạt mòn do quá trình mỏi.
Hệ số k trong phơng trình mòn do dính đợc giải thích là xác xuất của một
đỉnh nhấp nhô tiếp xúc tạo ra một mảnh mòn mà không có một giải thích nào về
bản chất vật lý của việc tạo nên mảnh mòn. Mặc dù lý thuyết mòn do dính giải
thích hiện tợng dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp nhng không giải thích đợc

hiện tợng hình thành hạt mòn rời, đặc biệt sự hình thành hạt mòn của vật liệu
cứng hơn khi hai bề mặt trợt trên nhau.
Tất cả những điều này có thể giải thích bằng giải thuyết rằng mòn là một quá
trình mỏi. yếu tố k có thể hiểu rằng một hạt mài đợc tạo ra khi một nhấp nhô có
Hình 2.11. Sự thay đổi của ứng suất
tiếp chính theo chiều sâu dới điểm
tiếp xúc của hai bề mặt cứng khi lăn
không trợt (
0=à
), trợt thuần tuý (
à

lớn), vừa lăn vừa trợt (
à
trung bình), a
là bán kính Hertzian.
Ma sát và mòn phần 2
TS. Phan Quang Thế - Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy - Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học TN


12
số lần tiếp xúc và biến dạng đủ để tạo nên sự nứt vì mỏi. Khi điều này xảy ra, một
hạt mòn rời đợc tạo ra và tất nhiên cơ chế này dùng để giải thích cho sản phẩm
của các hạt mòn hình thành từ cả bề mặt vật liệu rắn hơn và mềm hơn. Cơ chế
mòn do mỏi không loại bỏ khả năng dính của vật liệu sang bề mặt đối tiếp bằng cơ
chế dính nhng dờng nh phần lớn các hiện tợng mòn đều có thể giải thích về
định tính trên khía cạnh mòn do mỏi.
Kragelskii cố gắng xây dựng một lý thuyết mỏi định lợng dựa trên các kết
quả của Tavernelli và Coffin ngời đã chỉ ra rằng trong một dải rộng của vật liệu
biến dạng dẻo tạo ra trong mỗi chu kỳ mỏi có quan hệ với số chu kỳ phá huỷ N

theo công thức sau:
N
p
ail
f
=








2
2



Trong đó:

p
là độ lớn biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ;


fail
là biến dẻo khi phá huỷ trong kéo đúng tâm.
Tuy nhiên Kragelskii dờng nh đã sử dụng tổng biến dạng chứ không phải là
chỉ biến dạng dẻo. Hơn nữa ông đánh giá xấp xỉ cờng độ biến dạng theo hình
dạng hình học của nhấp nhô. Vì thế có thể thấy cho đến nay không có một lý

thuyết mòn do mỏi hoàn thiện nào tồn tại, mặc dù đây là cơ chế mòn dờng nh
đáng tin cậy hơn cơ chế của lý thuyết mòn do dính.
2.4. Mòn do va chạm
Mòn do va chạm gồm 2 loại chính: erosion gây ra bỏi các tia, dòng các hạt
rắn, các hạt chất lỏng và sự vỡ ra của bọt hình thành trong chất lỏng và mòn do va
chạm theo chu kỳ của các vật rắn.
2.4.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)
Khái niệm
Erosion là hiện tợng va chạm của các hạt cứng. Đây là một dạng của mòn
cào xớc do hạt cứng gây ra nhng có đặc trng riêng đó là ứng suất tiếp xúc sinh
ra do năng lợng động lực học của các hạt khi va chạm vào bề mặt. Tốc độ của
hạt, góc va chạm kết hợp với kích thớc của các hạt tạo nên năng lợng va chạm
của chúng tỷ lệ với bình phơng vận tốc. Các hạt mòn do va chạm tách ra khỏi bề
mặt sau một số chu kỳ va chạm nhất
định.
Tơng tự nh mòn do cào xớc
nguyên nhân của mòn do va chạm hạt
cứng là biến dạng dẻo và nứt tách phụ
thuộc vào vật liệu bị mòn và các thông
số của quá trình. Hình 2.12. chỉ ra sự
phụ thuộc của tốc độ mòn vào góc va
chạm, có thể thấy tốc độ mòn của vật
liệu dẻo và dòn là rất khác nhau bởi
chúng xảy ra theo các cơ chế khác
nhau (biến dạng dẻo và nứt tách). Hình
dạng của các hạt cứng ảnh hởng đến
kiểu biến dạng dẻo xảy ra quanh vị trí
va chạm và có quan hệ với lợng vật
liệu bị đẩy ra. Trong trờng hợp vật liệu
dòn, mức độ và sự khốc liệt của vết nứt

phụ thuộc vào độ sắc của các hạt, các
Hình 2.12. Tốc độ mòn va chạm hạt
cứng là một hàm số của góc va chạm

.