Tài liệu Bài giảng môn học Ma sát học - TS. Phạm Văn Hùng pdf

Bài giảng môn học
Ma sát học
TS. Phạm Văn Hùng
Bộ môn: Máy Và Ma Sát Học

Page 1 of 107


Nhập môn
1. Ma sát:
Hiện t ợng kỳ lạ của thiên nhiên- đang tiếp tục nghiên cứu
Có nhiều ứng dụng:
Nhiệt, lửa, ...
Phanh hÃm, tăng tốc độ phản ứng hóa học,
Hàn, đánh bóng,
Ghi và đọc dữ liệu,

Hại:
Tổn hao công suất.
Sinh nhiệt làm thay đổi bền, tổ chức cac bon, hydro, tạo thành các
ôxit

ơ Đặc điểm:
Là quá trình tự tổ chức:

Có thể dẫn đến phá hủy.
Giảm ma sát, mòn.
Gắn liền với quá trình mòn ồ tuổi thọ và độ tin cậy.
Đ ợc đặc tr ng bởi lực ma sát Fms, hoặc hệ số ma sát fms (hoặc có
Page 2 of 107
thể ký hiệu lµ ).

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, ồ
Tiến hành bôi trơn (rắn lỏng, khí,) để tăng tuổi thọ và độ tin cậy
ơ Hại:
Thay đổi chế độ lắp ghép của các cặp ma sát,
Thay đỏi chế độ làm việc của cặp ma sát,
Làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của cặp ma sát cũng nh
của toàn bộ thiết bị,
ơ Đặc điểm:
Gắn liền với quá trình ma sát
Quá trình phá hủy tập trung trong mét thĨ tÝch rÊt nhá cđa
vËt liƯu
PhÇn tư mòn tạo thành là kết quả của nhiều lần t ơng tác.
Đ ợc đặc tr ng bởi c ờng độ mòn có thứ nguyên hoạc
không có thứ nguyên Ih ồ tuổi thọ, độ tin cậy.
ơ Phân biệt:
Mòn bình th ờng (ổn định) còn gọi là mòn cơ hóa Hk/Hm >
0,6.
Page 3 of 107
Mòn hạt mài (không bình th ờng) Hk/Hm < 0,6.


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.
ơ Nghiên cứu về ma sát đà có từ lâu.
ơ Lêonadevinci đà xác định hệ số ma sát là hằng số (0,25).
ơ Thuần túy cơ học
ơ T ơng tác phân tử khi ma sát [ơ le], đây là giai đoạn
nghiên cứu ma sát tĩnh
ơ C.Coulomb 1785 phân biệt ma sát tĩnh và ma sát động,
ma sát là tổ hợp của 2 loại sức cản:
1- Phụ thuộc vào Stx.
2-Tỷ lệ tải và không phụ thuộc vào Stx.
ơ Lý thuyết tổng hợp: cơ học (biến dạng), t ơng tác phân tử
Bowden, Tabor, Kpa e bCKuu
ơ Lý thuyết biến vị (sự không hoàn thiện về cấu trúc tinh thể)
tróc.
Page 4 of 107
ơ Lý thuyết mòn trên quan điểm năng l ợng Kocteukuu.


ơBa tr ờng phái nghiên cứu:
Sự t ơng tác của bề mặt ma sát, biến đổi trong lớp bề
mặt
phá hủy chúng.
Cấu trúc thứ cấp trong bôi trơn giới hạn
màng bảo
vệ.
áp dụng vật liệu polyme trong cặp ma sát

Hiệu quả kinh tÕ:
Theo Jost PETER (Anh) 1966: 0,5 tû b¶ng , 1,6 tû USD (Mü), hiÖn
nay tõ 1 dÕn 2% thu nhËp quốc dân.

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 g.
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.

Tribology
Bulk Material
Heavy load
Large Mass
Wear

Microtribology
Surface
Light load
SmallofMass
Page 5 107
No Wear

Nano Tribology


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.
ơ 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
ơ Hệ thống bôi trơn: Chất l ợng, vật liệu, kết cấu,
chú ý đến
dịch chuyển chọn lọc.
ơ Kết cấu không mòn.
ơ Chống mòn Hydro.
ơ Gia công lần cuối không hạt mài (phủ, thấm nhiệt độ thấp)

Page 6 of 107


ơ

xú

ủ

l ợ

ặt và
át

ặt

Đ1. Chất l ợng bề mặt
đặc tính cơ bản và trạng thái.

l ợ
ặ t - đặ

c ơ bản
1.
Khái niệm chất l ợng bề mặt:
Chất l ợng bề mặt bao gồm:
ơ Các thông số về hình học bề mặt.
----> Cã quan
¬ TÝnh chÊt c¬ lý hãa cđa líp bỊ mặt.
hệ lẫn nhau
ơ Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt
2.
Trạng thái hình học bề mặt:
Là sự sai khác của bỊ mỈt thùc so víi bỊ mỈt lý t ëng ở các cấp độ
vĩ mô, vi mô và siêu vi mô
R m ax

Sb

1
Hb

2
3

Sơ đồ hình họcPage 7mặt của một vật rắn
bề of 107
1 Sóng; 2 Nhấp nhô bề mặt; 3 Sai số hình dang


ơ Vĩ mô: Là sự sai khác trên toàn bộ chi tiết (Nhấp nhô trên các kích th ớc lớn)
Sóng: Do dao động của máy, chi tiết và dụng cụ. (Hb, Sb) thông th ờng

Sb/Hb > 40.
Sai số về hình dạng ( )
ơ Vi mô: Là sự sai khác hình dạng và kích th ớc của các nhấp nhô trong
khoảng mm.
Nhấp nhô tạo thành trong quá trình cắt gọt chủ yếu do quá trình tách
phoi
ơ Siêu vi mô: Là nhấp nhô đặc biệt liên quan đến cấu trúc, cũng nh khuyết tật
của kim loại, trong khoảng m.
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, ,K)
Trong đó:
HSb: Thông số biến dạng siêu vi mô
D: Thông số đặc tr ng cho cấu trúc tinh thể kim loại
: 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
Quyết định
l ợng của nó phụ thuộc vào điều kiện làm việc (p,v, môi tr ờng)
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:
ơ 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
ơ Lớp màng oxit kim loại và các hợp chất hóa học khác (S, Cl,
P,)
ơ Lớp gián đoạn của vật liệu cơ bản.
ơ 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
Page 9 of
Biến dạng dẻo
oxy hóa107 mòn oxy hóa vật thể thứ ba
co b ¶ n


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
H

H

0

Sơ đồ mặt cắt của liên kết
ma sát tại điểm tiếp xúc
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

0
Khoảng cách
so với bề mặt

a

Khoảng cách
so với bề mặt

b

Đồ thị thay đổi độ cứng của lớp bề mặt
a- Khi bị ôxy hóa, b- Khi bị tróc loại I

Page 10 of 107


4. Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt:
ơ Trạng thái ứng suất d trong lớp bề mặt sau gia công.
ơ ứng suất lớp bề mặt khi làm việc, th ờng tập trung trong một
oxit.

thể tích rất nhỏ
gây khuyếch tán và hoạt hóa kim loại

0

0
Khoảng cách
so với bề mặt

Khoảng cách
so với bề mặt

-

a

-

b

ứng suất d trong các lớp bề mặt cđa thÐp
Page 11 of 107
a- Khi tiƯn, b- Khi bÞ mßn do mái


ạ
củ
1.

ặp

ái

át.

ặ

á

ì

ú

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

Ban đầu

Làm việc

Còn lại

Các đặc tính

Hình học
bề mặt

Các tính chất hoá - lý - cơ
của các lớp bề mặt

ứng suất trong
các lớp bề mặt

Các yếu tố quyết định

Các tác nhân cơ học bên
ngoài, biến dạng,khuyếch tán

Nhiệt

Tín h chÊt cđa
vËt liƯu

Page 13 of 107

TÝnh chÊt cđa m«i
tr êng lµm viƯc


Nâ
l ơ
đầ u v à
l ợ
làm ệc
(Cơ học tiếp xúc, cấu trúc bề mặt, điều kiện môi tr ờng)
l ợ
ặ t cô
ệ:
Ph ơng pháp tạo phôi,
Ph ơng pháp nhiệt luyện,
Ph ơng pháp gia công lần cuối chế độ công nghệ
Kết cấu Biểu đồ ứng suất

Bề mặt mới có tăng bền,
mòn ít.
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

ợ
trạng thái cấu trúc)

ặ

à

ệc: (do tải, tác dụng hóa học,

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:
Thứ nhất: Hình thành lớp màng bề mặt mỏng chuyển vị dẻo (VDH)
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:
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)
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
ứng suất d nén và kéo
thể tích 5% và giảm thể tích
Đảm bảo điều kiện làm việc bình th ờng (ổn định)
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.
Môi tr ờng làm việc đảm bảo phát sinh màng bảo vệ
thứ cấp. Giảm biến dạng dẻo trong lớp bề mặt.
ợ
ặ
ò
ạ
Giảm nhiệt độ, oxy hóa dừng lại
Vi mô: Các đỉnh nhấp nhô tạo thành cấu tróc nh khi t«i
Page 15 of 107


ứng suất

Nhiệt độ

+

0
0

I

Ii

Iii
Thời gian

a

Thời gian

-

I

Ii
b

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
Nhấp nhô tối u khi làm việc

Quá trình hìnhPage 16 of 107 nhô bề mặt tối u
thành nhấp

với tải với sự san phẳng và hình thành các nhấp nhô mới. `


Mộ
1.

ố
ơ
á
á
ợ
ặt
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 C ác
ô
ố đặ
c ủa hì
họ
ớ

ặt

Xác định đ ờng n»m ngang song song víi vïng profin ®· cho ë 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:

x = (x1+ xn/2)/2;

y'

n/2
1

yi
n/2

Page 18 of 107

x’’ = (xn/2+xn)/2 ;

y'

n/2

yi

1

n/2


ơ 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
ơ 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
ơ Rmax: Độ cao lớn nhất của nhấp nhô (khoảng cách từ đ ờng đỉnh đến
đ ờng chân nhấp nhô)

1
5

R max

6

1

Rmaxi

ơ Rp: Khoảng cách từ đỉnh nhấp nhô tới đ ờng trung bình.
R

Xác đ

c ác

ô

P

1
5

5

R

Pi

1

ố đặ

ủ

ặ t hì

ọc

ơ Ra: Độ lệch trung bình của profin đ ợc đọc trực tiếp trên thiết bị
profinlometer/surface-analyzer

1

L

Ra Page 19 of 107y ( x) dx
L

o


ơ Rz: Độ sai lệch của nhấp nhô theo chiều cao đ ợc xác định theo 10
điểm:
1
R
( |H |
| H |)
5
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.
5

5

Z

max i

min i

1

1

Z

Ra

x
L

a

L

a

b

l0,1

c

Đỉnh Profile trung bình
Đỉnh Profile khảo sát

a1

0

h

RBC

r
Rmax

x

x=

Chân Profile trung bình

a
Rmax

0,5
Rmax

y

l0,3
l0,2

0,1
0,2

0,3

a3

a2

d

Chân Profile khảo sát
L

Page 20 of 107

Profin bề mặt nhấp nhô

1

0,5
tp = b

1

tp =

p

l


ơ tm: Chiều dài t ơng đối của profin trên đ ờng trung bình.

t

m

Trong đó:

t

1
mi

5

1
5

L

t

mi

1

l

l

mi

1

lmi - chiều dài mặt cắt của nhấp nhô trên đ ờng trung bình
L - chiều dài khoảng khảo sát

Đ ờng cong phân bốPage 21 of theo độ cao của nhấp nhô
profin 107


ơ Xây dựng đ ờng cong phân bố trong hệ tọa độ t ơng đối (không
phụ thuộc vào đơn vị)
ai/Rmax đ ợc thể hiện
Tỷ số của độ sâu thâm nhập và Rmax
trên trục tung.
Tỷ số l/L đ ợc thể hiện ở trục hoành (tổng chiều dài của các
đỉnh nhấp nhô trên cùng một mức).
Lp
L

tp

Ap
Ac

b.(

a
Rmax

)

bx

Lp Chiều dài profin ở mức p
Ap Diện tích của các đỉnh nhấp nhô ở mức p,
b, - Thông số của đ ờng cong phân bố nhấp nhô bề mặt:
Rp
Rmax
b tm (
) ;
2tm .
1
Rp
Ra
Đối với tiếp xúc của hai bề mặt nhấp nhô thông số:
1

2

; b

K .b1 .b2 ( Rmax 1 Rmax 2 )
Rmax 1 1 .Rmacx 2 2
Page 22 of 107

1

2

Trong đó :

K

(

1

(

1) (
1

2

2

1)

1)

rn

rd

ơBán kính trung bình của đỉnh nhấp nhô:
r
rn .rd
Mài (cấp bề mặt 6-7): rn = 4-10, rd = 100 -300 ( m)

ơHện nay đánh giá tổng hợp chất l ợng hình học của bề mặt bằng
thông số tổ hợp:

Rmax
r .b1 /
Mài phẳng vật liệu thép đạt cấp 9.
Rmax = 2,4
R = 550
b = 2,3 ; = 1,6
= 2,64. 10-3
Các thông số bề mặt của các nguyên công khác nhau đà đ ợc xác
Page .
định trong sổ tay Tribology23 of 107


Đ 3. Tiếp xúc ma sát của các bề mặt nhấp nhô
ơ
ơ
ơ
ơ
ơ

Đặc tính tiếp xúc trong lần đàu và lần kế tiếp là hoàn toàn khác nhau
Dẻ o
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 tÝch tiÕp xóc: Aa, Ac, Ar.
Ư
ó
Üa: Aa.
Tỉng diƯn tÝch h×nh häc cđa c¸c diƯn tÝch tiÕp xóc thùc tÕ cã 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

Page 24 of 107

Sơ đồ tiếp xúc của hai bề mặt ma sát


ệ
xú
ò
:A
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:
Đặc tính nhấp nhô của bề mặt (chủ yếu là sóng của bề
mặt)

Tải.
Đặc tr ng cho vùng ma sát và vùng mòn, thông th êng:
Ac = (5 15)%Aa
Ư
ó
ùc: Ar
¬ Tỉng diƯn tÝch tiÕp xóc thùc tÕ tÕ vi cđa vËt thĨ Ar (t¹o thành
từ các đỉnh nhấp nhô rời rạc trong tiếp xúc)
ơ Phụ thuộc vào tải và đặc tính nhấp nhô.
Ar th ờng rất nhỏ, không quá (0,01 0,1)% Aa
p N c P
a P N r
;
;
A c
a A

K
h
i
Page 25 of 107

t
ă
n