Nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao mòn trước sử dụng Xado của động cơ Điêzen D12

MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MA SÁT HAO MÒN VÀ BÔI TRƠN..............4
1.1. Ma sát ngoài ..................................................................................4
1.1.1. Khái niệm ...........................................................................................4
1.1.2. Phân loại.............................................................................................5
1.1.2.1. Theo dạng chuyển động ...................................................................5
1.1.2.2. Theo điều kiện bôi trơn bề mặt.........................................................5
1.1.2.3. Theo động lực học tiếp xúc ..............................................................5
1.1.2.4. Theo điều kiện làm việc ...................................................................5
1.1.3. Bản chất ma sát ngoài .........................................................................6
1.1.4. Một vài hiện tượng xảy ra khi ma sát .................................................8
1.1.4.1. Tương tác với các hoạt chất hoá học ................................................9
1.1.4.2. Tương tác với các hợp chất bề mặt...................................................9
1.1.4.3. Hình thành “cầu hàn khuếch tán” .....................................................10
1.1.4.4. Những thông số thay đổi của chất lượng bề mặt ma sát ...................11
1.2. Hao mòn..........................................................................................16
1.2.1. Khái niệm ...........................................................................................16
1.2.2. Phân loại.............................................................................................17
1.2.2.1. Ăn mòn hoá học, điện hoá học.........................................................17
1.2.2.2. Hao mòn ôxy hoá.............................................................................17
1.2.2.3. Hao mòn do tương tác vật lý ............................................................17
1.2.2.4. Hao mòn do ma sát .........................................................................18
1.2.3. Bản chất hao mòn do ma sát ..............................................................24
1.2.3.1. Hao mòn do ôxy hoá........................................................................25
1.2.3.2. Tróc loại I và tróc loại II ..................................................................25
1.2.3.3. Quá trình Fretting ...........................................................................27
1.2.3.4. Sự phá huỷ do mỏi ...........................................................................28
1.2.4. Các giai đoạn mài mòn của cặp ma sát ...............................................29
1.3. Bôi trơn............................................................................................31
1.3.1. Chức năng của bôi trơn.......................................................................31
1.3.2. Tính bôi trơn.......................................................................................31
1.3.3. Phân loại.............................................................................................32
1.3.4. Phân loại dầu bôi trơn trong động cơ đốt trong ...................................34
1.3.5. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu bôi trơn .............................................35
1.3.5.1. Một số tính chất vật lý .....................................................................35
1.3.5.2. Tính bôi trơn và lưu chuyển của dầu bôi trơn...................................35
1.3.5.3. Tính bay hơi của dầu bôi trơn ..........................................................37
1.3.5.4. Trọng lượng riêng............................................................................37
1.3.6. Yêu cầu đối với dầu bôi trơn...............................................................37
1.3.7. Sử dụng chất bôi trơn..........................................................................38
1.3.7.1. Sử dụng chất bôi trơn trong bôi thuỷ tĩnh.........................................40
1.3.7.2. Bôi trơn thuỷ động...........................................................................41
CHƯƠNG 2: DÙNG QUANG PHỔ PHÂN TÍCH DẦU BÔI TRƠN CHẨN
ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ..........................................43
2.1. Động học về hàm lượng tạp chất trong dầu bôi trơn...............................43
2.1.1. Bảo quản và xử lý dầu bôi trơn ...........................................................43
2.1.2. Phương pháp chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ và quá trình
thay đổi tính năng hoá lý của dầu bôi trơn...........................................43
2.1.3. Quan hệ giữa lượng dầu bôi trơn trong cacte và hàm lượng tạp
chất trong dầu ....................................................................................49
2.1.4. Hàm lượng tạp chất theo khí thải thoát ra ngoài, theo ống dẫn,
két làm mát ........................................................................................51
2.1.5. Tốc độ mài mòn của chi tiết động cơ theo thời gian sử dụng...............52
2.1.6. Mối quan hệ giữa trị số cho phép của hàm lượng sản vật mài mòn
với khoảng hành trình giữa hai kỳ sửa chữa động cơ..........................53
2.2. Phân tích quang phổ dầu bôi trơn...........................................................57
2.2.1. Phương pháp phổ toàn phần................................................................57
2.2.2. Phương pháp phổ phân tích.................................................................57
2.2.3. Phương pháp phổ phân tích hoàn thiện ...............................................57
2.2.4. Phân tích nhanh dầu bôi trơn bằng phương pháp điện quang...............59
2.2.4.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị điện quang....................................59
2.2.4.2. Thiết bị quang điện phân tích...........................................................61
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ
TÍNH NĂNG, CƯỜNG ĐỘ HAO MÒN CỦA ĐỘNG CƠ D12..................66
3.1. Mục đích thức nghiệm ...........................................................................66
3.2. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm ...........................................................67
3.3. Tiến hành thực nghiệm ..........................................................................73
3.3.1. Đo áp suất cuối kỳ nén........................................................................73
3.3.2. Đo tốc độ quay cực tiểu và tốc độ quay cực đại ..................................74
3.3.3. Đo lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích......74
3.3.4. Đo áp suất dầu bôi trơn, nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát .........75
3.4. Kết quả thực nghiệm..............................................................................75
3.5. Xác định sản vật mài mòn trong dầu bôi trơn, tính cường độ hao mòn...77
3.5.1. Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm .........................................................77
3.5.2. Thực nghiệm lấy mẫu .........................................................................78
3.5.3. Xử lý mẫu thí nghiệm .........................................................................81
Kết luận, đề xuất................................................................................92
Phụ lục...............................................................................................94
Tài liệu tham khảo .............................................................................99
- 1-
LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá diễn ra trên nhiều
ngành, lĩnh vực nhu cầu về phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận
tải, hàng hải, đánh bắt thuỷ hải sản.
Động Diesel là một trong những loại máy động lực đã có bước cải tiến rõ rệt
nâng cao tính năng kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu sản xuất trong những năm gần
đây. Vận hành, bảo trì, sửa chữa, đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về cấu tạo, các đặc
tính kỹ thuật, nguyên lý và phải có các kỹ năng thành thạo.
Việc áp dụng phương pháp quang phổ phân tích dầu bôi trơn để chẩn đoán
trạng thái kỹ thuật động cơ không cần phải tháo rời, trên cơ sở xác định hàm lượng
sản vật mài mòn trong dầu, trong quá trình vận hành là phương pháp gián tiếp, đem
lại lợi ích và hiệu quả kinh tế cao trong việc bảo dưỡng và sửa chữa động cơ đảm
bảo thời hạn vận hành lâu dài, tiết kiệm chi phí, tăng hiệu quả sử dụng mà còn bảo
đảm các yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường.
Trong thời gian qua em được Bộ môn Động lực khoa Cơ Khí Trường Đại Học
Nha Trang giao đề tài “Nghiên cứu một số thông số tính năng và đặc điểm hao
mòn trước sử dụng Xado của động cơ Diesel D12 tại phòng thí nghiệm bộ môn
Động Lực, khoa Cơ Khí.”
Suốt thời gian qua em đã nỗ lực hết mình cùng sự hướng dẫn tận tình của thầy
TS. Lê Bá Khang, sự hỗ trợ của các thầy trong bộ môn Động Lực, viện nghiên cứu
công nghệ sinh học và môi trường của trường Đại Học Nha Trang. Nay nội dung cơ
bản của đề tài đã hoàn thành, đề tài bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về ma sát hao mòn và bôi trơn.
Chương 2: Dùng quang phổ phân tích dầu bôi trơn chẩn đoán trạng thái kỹ
thuật động cơ.
Chương 3: Thực nghiệm xác định một số thông số tính năng, cường độ hao
mòn của động cơ D12.
- 2-
Vì trình độ kiến thức và thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi sai sót,
em mong được sự chỉ bảo của các thầy và bè bạn đóng góp ý kiến để giúp em bổ
sung hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Lê Bá Khang đã
hướng dẫn và cùng em nghiên cứu khảo nghiệm đề tài, xin chân thành cảm ơn các
thầy trong Bộ môn Động lực, tập thể cán bộ, công nhân viên viện nghiên cứu công
nghệ sinh học & môi trưòng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện
đề tài này.
Nha Trang, tháng 11 năm 2007
SV. Nguyễn Ngọc Long
- 3-
TRÂN TRỌNG BIẾT ƠN SỰ HƯỚNG DẪN
TẬN TÍNH CỦA
THẦY TS. LÊ BÁ KHANG
- 4-
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MA SÁT HAO MÒN VÀ BÔI TRƠN
1.1. Ma sát ngoài
1.1.1. Khái niệm
Ma sát ngoài là hiện tượng luôn luôn xuất hiện khi có sự chuyển động tương
đối giữa các vật thể tiếp xúc nhau và có sự tương tác cơ học với nhau. Đặc trưng cơ
bản của ma sát ngoài là lực ma sát, tức là lực cản trở sự dịch chuyển tương đối. Ma
sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, trong đó diễn ra các quá
trình cơ học, hoá – lý học, điện học và nhiều quá trình khác. Quan hệ giữa các quá
trình ấy có thể rất khác nhau phụ thuộc vào đặc tính tải , tính chất của vật liệu và
môi trường.
Điều kiện của ma sát ngoài muôn hình muôn vẻ. Tuy nhiên, điều đó không có
nghĩa là không thể có các quy luật thích hợp dành cho những quá trình ma sát nhất
định. Trước tiên, điều đó liên quan tới những điều kiện mà trong đó, quan hệ giữa
các dạng tương tác khác nhau mang đặc tính hoàn toàn xác định, cho phép thiết lập
những quy luật của ma sát xuất phát từ các định luật chuyển động tổng quát, định
luật bảo toàn năng lượng, các nguyên lý cực tiểu v.v…một ví dụ rất rõ về vấn đề
này là các quá trình ma sát và hao mòn điển hình cho sự hoạt động bình thường của
động cơ.
Ma sát ngoài trong các máy móc, động cơ, cơ cấu, dụng cụ và thiết bị là hiện
tượng rất phổ biến. Biểu hiện có hại của ma sát ngoài thể hiện ở sự mất mát công
suất, sự hao mòn và hư hỏng các bề mặt tiếp xúc; còn ma sát có lợi được ứng dụng
trong những thiết bị ma sát dùng để truyền chuyển động, truyền lực và trong sự hoạt
động của các bộ phận làm việc của máy móc.
- 5-
1.1.2. Phân loại
Do đặc tính tiếp xúc, chuyển động và sự có mặt hay không của môi trường
bôi trơn người ta phân loại ma sát theo những đặc trưng khác nhau sau đây:
1.1.2.1. Theo dạng chuyển động
Căn cứ theo các dạng chuyển động phân ra: Ma sát trượt, ma sát lăn, và ma
sát xoay.
 Ma sát trượt: là ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chuyển động trượt
tương đối, mà vận tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau giá trị nhưng cùng
phương.
 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
1.1.2.2. Theo điều kiện bôi trơn bề mặt
 Ma sát không bôi trơn: 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).
 Ma sát ướt: là ma sát giữa hai bề mặt được phân tách bởi các lớp chất lỏng
chuyển động tương đối, mà các ứng xuất tiếp tạo nên lực ma sát.
 Ma sát giới 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.
1.1.2.3.Theo động lực học tiếp xúc
 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.
1.1.2.4.Theo điều kiện làm việc
- 6-
 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.
1.1.3. Bản chất của ma sát ngoài
Việc tìm hiểu bản chất của ma sát ngoài rất cần thiết cho việc xây dựng mô
hình của quá trình, mô tả quá trình này về phương diện lượng và điều khiển sự tiến
triển của nó. Kiến thức về các cơ chế ma sát là cơ sở để giải quyết nhiều bài toán lý
thuyết và thực tiễn về các vấn đề tính chống mòn, tính chống ma sát và tính ma sát.
Trước hết, kiến thức này rất cần thiết cho việc lý giải và tổ hợp các kết quả nghiên
cứu thực nghiệm rất phong phú và các tài liệu thực tế lớn lao đúc rút được từ kinh
nghiệm của các ngành công nghiệp.
Có rất nhiều công trình đề cập đến các đặc tính số lượng của ma sát (lực và hệ
số ma sát). Song, số lượng các công trình nghiên cứu bản chất của quá trình ma sát
ngoài lại rất ít. Việc nghiên cứu bản chất của ma sát ngoài phức tạp ở chỗ, cần phải
nghiên cứu toàn bộ tổ hợp các hiện tượng cơ học, vật lý, hoá học, điện học và các
hiện tượng khác nữa có ở trong vùng tiếp xúc. Việc nghiên cứu động học ma sát
cũng rất khó khăn vì chỉ có những thể tích rất nhỏ của các lớp bề mặt tham gia vào
quá trình ma sát, hơn nữa, lại không thể quan sát trực tiếp sự tiếp xúc.
- 7-
Do kết quả nghiên cứu theo các hướng khác nhau, tiến hành trong những điều
kiện không giống nhau và ở các mức độ khác nhau nên đã xuất hiện những quan
niệm và những mô hình ma sát mâu thuẫn nhau. Thông thường, các mô hình ấy
được mở rộng trên toàn khoảng điều kiện ma sát.
Trong việc nghiên cứu ở điều kiện thí nghiệm, người ta lại chú ý quá nhiều đến
các quá trình không bình thường: hàn và cắt cầu hàn, thâm nhập và cầy xước, xước
tế vi, tạo u, chuyển vật liệu, v.v… Trong khi đó, trong thực tiễn sản xuất, nhờ có các
hoạt động liên tục và có phương pháp về thiết kế, chế tạo và sử dụng nên người ta
đã tạo ra được những điều kiện của ma sát ngoài bình thường, tức là bảo đảm có hệ
số ma sát nhỏ đối với các cặp liên kết chống ma sát, có hệ số ma sát tối ưu đối với
cặp liên kết ma sát trong điều kiện bảo đảm hao mòn bề mặt cho phép. Những điều
kiện này tương ứng với hao mòn cơ hoá (ôxy hoá), mà cơ sở của nó là sự cân bằng
động giữa các quá trình phá hoại và phục hồi các cấu trúc thứ cấp được hình thành
khi ma sát. Đồng thời, trong thực tế, người ta cũng đã vạch ra cả những điều kiện
ma sát không bình thường, tức là những điều kiện mà ứng với chúng, diễn ra các
hiện tượng hư hỏng bề mặt không cho phép (tróc loại I và II, cày xước, cắt tế vi,
v.v…); khả năng xuất hiện của các quá trình ấy cũng khá lớn.
Việc khám phá bản chất của ma sát ngoài rất phức tạp, yêu cầu phải xác lập
bản chất này một cách rỏ ràng và có căn cứ. Muốn vậy, cần phải phân biệt giới hạn
các quá trình ma sát ngoài bình thường và sức cản của các dạng hư hỏng khác nhau
của các bề mặt tiếp xúc; cần phải nghiên cứu bản chất, nguyên nhân và cơ chế ma
sát trên quan điểm cơ bản về sự chuyển hoá năng lượng của các dạng tác dụng động
lực bên ngoài thành năng lượng của các quá trình bên trong, với sự phân tích các
quan hệ năng lượng và nguyên lý cực tiểu, với các quan điểm hiện đại của vật lý
chất rắn (lý thuyết biến vị) về trạng thái ứng suất – biến dạng, về các hiện tượng hoá
lý (dính kết, hấp phụ và khuếch tán), đồng thời có lưu ý đến những kinh nghiệm
thực tiễn có giá trị.
Ngoài ra cần xây dựng mô hình ma sát ngoài bình thường, lý luận về sự sai
khác so với mô hình do có sự phá hoại các điều kiện bình thường và sự xuất hiện
- 8-
các dạng hư hỏng không cho phép (tróc loại I và II, thâm nhập vào nhau cầy
xước,…), đồng thời nghiên cứu động học của các quá trình ma sát ngoài.
1.1.4. 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.
- 9-
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. Tuy nhiên theo PGSTS
Dương Đình Đối có nhiều hiện tượng trong ma sát chưa cắt nghĩa nổi. Vì ma sát
là…”ma” mà là “ma” thì lúc ẩn lúc hiện, biến hoá khôn lường.
1.1.4.1. 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.
1.1.4.2. 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
-1 0-
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 chất 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.
1.1.4.3. 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.
-1 1-
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.
1.1.4.4. 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 1.1
Hình 1.2:
Đồ thị ứng suất làm việc và
ứng suất dư trong các lớp bề
mặt khi ma sát ngoài:
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 ngoài: I-bắt
đầu làm việc; II-ở chế độ ổn
định; III- sau khi bỏ tải.
-1 2-
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.
Việc nghiên cứu ứng suất khi ma sát ngoài được tiến hành theo
phương pháp được trình bày trong một công trình của B.I.Kôxtetki, O.I.Cutseriavưi,
L.F.Kôlexnit-senkô. 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.
-1 3-
Các biến đổi cơ bản ở lớp bề mặt
Cơ học Nhiệt
Lý - Hoá
T. xúc giữa các mấp mô
Sinh nhiệt
Dính kết
Th.đổi trường ứng suất Th.đổi trường nhiệt độ
Sơ đồ mô tả sự biến đổi tính chất trên bề mặt chi tiết máy
Hâp phụ
Biến dạng các tinh thể
Nung chảy cục bộ
Khuyếch tán
Phân rã các tinh thể
Bay hơi
Nung nóng
Trao đổi sản phẩm hao
mòn giữa hai bề mặt
Giảm ứng suất riêng
Hàn nối
Bong tách các hạt hao
mòn Tách các hàn nối
Phản ứnghoá học
-1 4-
U- trung tâm biến cứng,  - ứng suất riêng, -bề dày lớp bề mặt, B-cấu trúc lớp
bề mặt, Sw -mấp mô bề mặt; 1-nứt tế vi, 2- khe nứt, 3-lõi , 4- hố lõm, 5-bị bong
tách, 6- phân tử dính bám
Hình 1.3: Sơ đồ các biến đổi cơ bản trên lớp bề mặt chi tiết máy (vĩ mô)
Hình 1.4 : Cấu trúc lớp bề mặt chi tiết máy (vi mô)
-1 5-
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.