Mài mòn trong thép: Cơ chế, sức đề kháng và ứng dụng công nghiệp

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Mài mòn là sự mài mòn cơ học, nghiền hoặc chà xát vật liệu thông qua ma sát giữa các bề mặt. Nó biểu thị sự mất dần vật liệu từ bề mặt rắn do tác động cơ học, thường liên quan đến các hạt cứng hoặc các chỗ lồi trượt hoặc lăn trên bề mặt dưới áp lực.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, khả năng chống mài mòn là một đặc tính quan trọng quyết định độ bền và tuổi thọ của vật liệu trong các ứng dụng liên quan đến hao mòn cơ học. Đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu bảo trì, tuổi thọ của linh kiện và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Trong ngành luyện kim, khả năng chống mài mòn là một khía cạnh của hành vi tribological rộng hơn của kim loại, cùng với độ bám dính, xói mòn và mỏi bề mặt. Khả năng chịu lực mài mòn của thép phụ thuộc vào cấu trúc vi mô, độ cứng, độ dai và đặc tính làm cứng khi gia công, khiến nó trở thành một tính chất phức tạp kết nối các tính chất cơ học và các ngành kỹ thuật bề mặt.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, mài mòn xảy ra khi các điểm gồ ghề (các điểm bất thường trên bề mặt vi mô) hoặc các hạt cứng xâm nhập vào bề mặt vật liệu mềm hơn, tạo ra các rãnh và đẩy vật liệu. Vật liệu bị đẩy có thể tạo thành các gờ dọc theo các cạnh rãnh, cuối cùng tách ra thành các mảnh vụn mài mòn thông qua các cơ chế cắt vi mô, gãy vi mô hoặc cày vi mô.

Trong thép, khả năng chống mài mòn được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa các hạt mài mòn và các đặc điểm cấu trúc vi mô của vật liệu. Các pha cứng như cacbua có thể chống lại sự thâm nhập, trong khi pha ma trận xác định cách vật liệu phản ứng với biến dạng. Quy mô tương tác giữa các hạt mài mòn và các đặc điểm cấu trúc vi mô ảnh hưởng đáng kể đến cơ chế mài mòn và tốc độ loại bỏ vật liệu.

Mô hình lý thuyết

Phương trình hao mòn Archard biểu thị mô hình lý thuyết chính để mô tả sự mài mòn. Được phát triển vào những năm 1950 bởi JF Archard, mô hình này liên hệ giữa mất thể tích vật liệu với tải trọng tác dụng, khoảng cách trượt và độ cứng vật liệu.

Hiểu biết lịch sử về sự mài mòn phát triển từ những quan sát thực nghiệm ban đầu của các kỹ sư như Charles Hatchett vào đầu những năm 1800 đến các nghiên cứu có hệ thống của các nhà nghiên cứu như Tabor và Bowden vào giữa thế kỷ 20. Công trình của họ đã thiết lập mối quan hệ cơ bản giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm mô hình Rabinowicz cho mài mòn, xem xét hình dạng hạt và hiệu ứng nhúng, và mô hình Zum Gahr, kết hợp các yếu tố vi cấu trúc ngoài độ cứng. Các mô hình này cung cấp các góc nhìn bổ sung cho các tình huống mài mòn và hệ thống vật liệu khác nhau.

Cơ sở khoa học vật liệu

Cấu trúc tinh thể ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn thông qua tính khả dụng của hệ thống trượt và ứng suất cắt quan trọng được giải quyết. Cấu trúc khối lập phương tâm khối (BCC) trong ferit cung cấp các đặc tính mài mòn khác so với cấu trúc khối lập phương tâm mặt (FCC) trong austenit, trong đó BCC thường cung cấp độ cứng cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn.

Các ranh giới hạt đóng vai trò là vật cản đối với chuyển động trật khớp và sự lan truyền vết nứt, khiến thép hạt mịn thường có khả năng chống mài mòn tốt hơn các biến thể hạt thô. Tuy nhiên, mối quan hệ này trở nên phức tạp khi xem xét quá trình làm cứng và chuyển đổi pha trong quá trình mài mòn.

Các nguyên tắc về độ cứng biến dạng, độ ổn định pha và tinh chỉnh cấu trúc vi mô về cơ bản liên quan đến khả năng chống mài mòn. Các phương pháp khoa học vật liệu như làm cứng kết tủa, biến đổi martensitic và phát triển cấu trúc vi mô tổng hợp cung cấp các con đường để tăng cường khả năng chống mài mòn của thép.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Phương trình hao mòn Archard cung cấp mô tả toán học cơ bản về hao mòn:

$$V = k \frac{F_N \cdot s}{H}$$

Ở đâu:
- $V$ là thể tích vật liệu bị loại bỏ (mm³)
- $k$ là hệ số hao mòn không có đơn vị
- $F_N$ là tải trọng bình thường (N)
- $s$ là khoảng cách trượt (m)
- $H$ là độ cứng của vật liệu mềm hơn (MPa hoặc HV)

Công thức tính toán liên quan

Tỷ lệ hao mòn cụ thể, chuẩn hóa mức mất thể tích theo tải trọng và khoảng cách, được tính như sau:

$$w_s = \frac{V}{F_N \cdot s} = \frac{k}{H}$$

Ở đâu:
- $w_s$ là tỷ lệ hao mòn riêng (mm³/N·m)
- Các biến khác được định nghĩa như trước đó

Chỉ số chống mài mòn (ARI) so sánh hiệu suất của vật liệu với vật liệu tham chiếu:

$$ARI = \frac{w_{s,tham chiếu}} {w_{s,kiểm tra}} $$

Ở đâu:
- $w_{s,reference}$ là tỷ lệ hao mòn riêng của vật liệu tham chiếu
- $w_{s,test}$ là tỷ lệ hao mòn riêng của vật liệu thử nghiệm

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình này giả định điều kiện mài mòn ở trạng thái ổn định và chính xác nhất đối với mài mòn hai vật thể với tải trọng và vận tốc không đổi. Chúng trở nên kém tin cậy hơn khi nhiệt độ tăng đáng kể trong quá trình thử nghiệm hoặc khi xảy ra phản ứng hóa học tại giao diện.

Phương trình Archard giả định tính tỷ lệ giữa thể tích hao mòn và tải trọng thông thường, có thể không giữ được ở các tải trọng rất cao khi biến dạng dẻo chiếm ưu thế. Ngoài ra, các mô hình này thường giả định vật liệu đồng nhất, đòi hỏi phải sửa đổi các cấu trúc vi mô tổng hợp như trong nhiều loại thép thương mại.

Hệ số mài mòn k thay đổi đáng kể tùy theo điều kiện bôi trơn, các yếu tố môi trường và độ nhám bề mặt, khiến việc hiệu chuẩn theo kinh nghiệm trở nên cần thiết để dự đoán chính xác trong các ứng dụng cụ thể.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM G65: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đo độ mài mòn sử dụng thiết bị bánh xe cao su/cát khô (mô phỏng mài mòn ba vật thể ứng suất thấp)
• ASTM G81: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho thử nghiệm mài mòn do cắt gọt của máy nghiền hàm (đánh giá mài mòn do cắt gọt ứng suất cao)
• ASTM G132: Phương pháp thử tiêu chuẩn để thử độ mài mòn của chốt (đo độ mài mòn của hai vật thể)
• ISO 28080: Kim loại cứng - Thử nghiệm mài mòn cho kim loại cứng (chuẩn hóa thử nghiệm mài mòn cho cacbua xi măng)

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử bánh xe cao su/cát khô ép các hạt cát giữa bánh xe cao su đang quay và mẫu thử cố định, tạo ra sự mài mòn ba vật thể. Lượng vật liệu bị mất được xác định bằng cách đo trọng lượng chính xác trước và sau khi thử nghiệm.

Máy đo ma sát dạng ghim trên đĩa áp dụng lực được kiểm soát giữa một ghim (vật liệu thử nghiệm) và một đĩa mài mòn đang quay, đo lực ma sát và khối lượng mài mòn đồng thời. Thiết lập này cho phép kiểm soát chính xác tải trọng, tốc độ và điều kiện môi trường.

Thiết bị tiên tiến bao gồm máy đo độ mài mòn nano để xác định đặc tính mài mòn ở quy mô nhỏ và máy đo ma sát SEM tại chỗ cho phép quan sát cơ chế mài mòn theo thời gian thực ở độ phóng đại cao.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn thường có kích thước 25×75×12mm cho thử nghiệm ASTM G65, với các bề mặt phẳng, song song được gia công theo dung sai cụ thể. Đối với thử nghiệm chốt trên đĩa, chốt hình trụ có đường kính 6-10mm và chiều dài 15-30mm là phổ biến.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải mài đến độ hoàn thiện đồng nhất (thường là 600 grit), sau đó làm sạch bằng acetone hoặc cồn để loại bỏ chất gây ô nhiễm. Độ nhám bề mặt cuối cùng phải được đo và báo cáo vì nó ảnh hưởng đáng kể đến hành vi mài mòn ban đầu.

Mẫu vật phải không bị biến dạng trước đó, vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt hoặc xử lý bề mặt trừ khi những điều này được đánh giá cụ thể. Độ đồng nhất của mẫu phải được xác minh thông qua lập bản đồ độ cứng hoặc kiểm tra cấu trúc vi mô.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (23±2°C) với độ ẩm được kiểm soát (50±10% RH), mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trường ăn mòn.

Tốc độ tải thay đổi tùy theo phương pháp thử nghiệm: ASTM G65 áp dụng lực không đổi 130N, trong khi các thử nghiệm chốt trên đĩa có thể sử dụng 5-50N tùy thuộc vào độ cứng của vật liệu. Tốc độ trượt dao động từ 0,1-2,0 m/giây, với thời lượng thử nghiệm được xác định theo khoảng cách cố định (ví dụ: 4309m đối với ASTM G65) hoặc thời gian.

Các thông số quan trọng bao gồm phân bố kích thước hạt mài mòn, độ cứng và góc cạnh, phải được kiểm soát và ghi chép lại để có kết quả tái tạo được.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm phép đo chính xác khối lượng mất đi bằng cân phân tích (độ chính xác ±0,1mg), được chuyển đổi thành khối lượng mất đi bằng cách sử dụng mật độ của vật liệu. Các phép đo kích thước bằng micrômet hoặc phép đo độ cong cung cấp đánh giá trực tiếp về khối lượng mất đi.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ ít nhất ba phép thử lặp lại. Phát hiện và loại bỏ giá trị ngoại lệ tuân theo các quy trình được chỉ định trong các tiêu chuẩn có liên quan.

Các giá trị cuối cùng được tính toán bằng cách chuẩn hóa tổn thất thể tích theo các thông số thử nghiệm (tải trọng, khoảng cách) để xác định tỷ lệ hao mòn cụ thể, sau đó được so sánh với vật liệu tham chiếu hoặc chuyển đổi thành hệ số hao mòn bằng phương trình Archard.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (mm³/Nm)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1020)	1,5-2,5×10⁻⁴	Cát khô/bánh xe cao su, 130N	Tiêu chuẩn ASTMG65
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	0,8-1,5×10⁻⁴	Cát khô/bánh xe cao su, 130N	Tiêu chuẩn ASTMG65
Thép công cụ (D2)	0,2-0,5×10⁻⁴	Cát khô/bánh xe cao su, 130N	Tiêu chuẩn ASTMG65
Thép Mangan Hadfield	0,3-0,7×10⁻⁴	Cát khô/bánh xe cao su, 130N	Tiêu chuẩn ASTMG65

Sự khác biệt trong mỗi phân loại bắt nguồn từ sự khác biệt trong xử lý nhiệt, quá trình làm cứng trước đó và sự khác biệt nhỏ về thành phần. Hàm lượng carbon cao hơn thường cải thiện khả năng chống mài mòn, nhưng chỉ khi được xử lý nhiệt đúng cách để tạo thành các cấu trúc cacbua thích hợp.

Các giá trị này nên được hiểu là so sánh hơn là tuyệt đối, vì hiệu suất thực tế có thể khác đáng kể so với kết quả trong phòng thí nghiệm. Xếp hạng vật liệu thường vẫn nhất quán giữa các phương pháp thử nghiệm, nhưng tỷ lệ hao mòn tuyệt đối là cụ thể cho từng ứng dụng.

Một xu hướng đáng chú ý là độ cứng riêng không thể dự đoán được khả năng chống mài mòn giữa các loại thép khác nhau, đặc biệt là khi so sánh các loại thép có độ cứng cao như thép Hadfield với thép dụng cụ có độ cứng cao.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường kết hợp khả năng chống mài mòn vào thiết kế bằng cách chỉ định các yêu cầu về độ cứng tối thiểu và các cấu trúc vi mô thích hợp. Các hệ số an toàn từ 1,5-2,5 là phổ biến đối với các thành phần quan trọng về mài mòn, với các giá trị cao hơn được sử dụng khi điều kiện vận hành thay đổi hoặc không được xác định rõ ràng.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng khả năng chống mài mòn với khả năng chế tạo, chi phí và các đặc tính cơ học khác. Điều này thường dẫn đến sự thỏa hiệp, chẳng hạn như sử dụng lớp phủ hàn hoặc xử lý bề mặt để tăng khả năng chống mài mòn cục bộ trong khi vẫn duy trì độ bền trong vật liệu khối.

Các nhà thiết kế phải cân nhắc xem sự mài mòn có xảy ra trong điều kiện ứng suất cao hay thấp hay không, vì điều này về cơ bản thay đổi lựa chọn vật liệu tối ưu. Sự mài mòn ứng suất cao thường đòi hỏi vật liệu có cả độ cứng và độ dẻo dai, trong khi sự mài mòn ứng suất thấp có thể được xử lý bằng độ cứng tối đa.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Thiết bị khai thác đại diện cho một lĩnh vực ứng dụng quan trọng, nơi khả năng chống mài mòn tác động trực tiếp đến chi phí vận hành. Các thành phần như răng gầu, lớp lót máy nghiền và máng băng tải chịu sự mài mòn nghiêm trọng từ các khoáng chất cứng, đòi hỏi thép chuyên dụng có độ cứng 400-600 HB và cấu trúc vi mô được tối ưu hóa.

Các dụng cụ nông nghiệp có những yêu cầu khác nhau, cân bằng giữa khả năng chống mài mòn vừa phải với độ bền va đập và khả năng tạo hình. Ví dụ, các dụng cụ làm đất phải chịu được sự mài mòn của đất trong khi hấp thụ các tác động từ đá mà không bị hỏng hóc nghiêm trọng.

Thiết bị chế biến thép, đặc biệt là trong các nhà máy thiêu kết và lò cao, đòi hỏi khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao. Ở đây, vật liệu phải duy trì khả năng chống mài mòn khi tiếp xúc với nhiệt độ vượt quá 500°C, thường dẫn đến các loại chịu nhiệt chuyên dụng có cấu trúc cacbua ổn định.

Đánh đổi hiệu suất

Khả năng chống mài mòn thường xung đột với độ dẻo dai, vì các đặc điểm cấu trúc vi mô làm tăng độ cứng (martensite, carbide) thường làm giảm khả năng chống va đập. Sự đánh đổi này đặc biệt rõ ràng trong các ứng dụng nghiền và mài, trong đó cả hai đặc tính đều cần thiết.

Khả năng định hình giảm khi khả năng chống mài mòn tăng, khiến việc chế tạo trở nên khó khăn và tốn kém hơn. Các nhà sản xuất thường giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các cấu trúc composite—vật liệu nền mềm hơn, cứng hơn với bề mặt cứng, chống mài mòn đạt được thông qua xử lý nhiệt hoặc gia công cứng.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua việc lựa chọn vật liệu cẩn thận, thiết kế thành phần chiến lược và kỹ thuật bề mặt có chọn lọc. Ví dụ, gầu xúc có thể sử dụng thép kết cấu có độ bền cao cho thân chính với các tấm chịu mài mòn có thể thay thế hoặc lớp phủ cứng ở các vùng chịu mài mòn cao.

Phân tích lỗi

Mài mòn rãnh là một chế độ hỏng hóc phổ biến, trong đó các hạt lớn, góc cạnh tạo ra các rãnh sâu và loại bỏ vật liệu dưới ứng suất cao. Cơ chế này tiến triển thông qua biến dạng bề mặt ban đầu, sau đó là dịch chuyển vật liệu và cuối cùng là tách rời, thường được tăng tốc bởi quá trình làm cứng và nứt vi mô sau đó.

Mài mòn ba vật thể xảy ra khi các hạt lăn giữa hai bề mặt, tạo ra nhiều vết lõm thay vì các vết xước theo hướng. Cơ chế này có thể gây hư hỏng đặc biệt khi các hạt bị nhúng vào các bề mặt mềm hơn và sau đó mài mòn trên các mặt đối diện cứng hơn.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm tăng độ cứng bề mặt thông qua xử lý nhiệt hoặc kỹ thuật bề mặt, cải thiện khả năng loại trừ hạt thông qua hệ thống bịt kín và triển khai lịch trình bảo trì dựa trên mô hình hao mòn dự đoán thay vì chờ đợi sự cố thảm khốc.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon về cơ bản quyết định khả năng chống mài mòn bằng cách kiểm soát phần thể tích và độ cứng của cacbua. Tăng hàm lượng cacbon từ 0,2% lên 0,8% có thể cải thiện khả năng chống mài mòn lên 2-3 lần, mặc dù hàm lượng tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng và các nguyên tố hợp kim khác.

Crom tăng cường đáng kể khả năng chống mài mòn bằng cách tạo thành các cacbua cứng, chống mài mòn (chủ yếu là M₇C₃ và M₂₃C₆). Với hàm lượng Cr 12-18%, các cacbua này có khả năng chống mài mòn tuyệt vời ở cả ứng suất thấp và cao, đặc biệt khi kết hợp với hàm lượng cacbon trên 1%.

Mangan cải thiện khả năng chống mài mòn thông qua quá trình làm cứng trong thép austenit (12-14% Mn), trong khi molypden (0,5-3%) tăng cường quá trình làm cứng thứ cấp trong quá trình tôi luyện. Vanadi và niobi tạo thành các cacbua cứng, mịn có khả năng chống mài mòn đặc biệt tốt trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Việc tinh chỉnh kích thước hạt giúp tăng khả năng chống mài mòn bằng cách tăng cường độ bền kéo và độ cứng. Giảm kích thước hạt từ ASTM 5 xuống ASTM 10 có thể cải thiện khả năng chống mài mòn từ 15-30%, đặc biệt là trong thép martensitic và bainitic.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, với martensite cung cấp ma trận tốt nhất cho khả năng chống mài mòn, tiếp theo là bainite, sau đó là pearlite. Austenite giữ lại có thể có lợi trong một số ứng dụng nhất định do khả năng làm cứng khi mài mòn.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là chất tập trung ứng suất làm tăng tốc độ mài mòn thông qua quá trình nứt vi mô và loại bỏ vật liệu. Kiểm soát mức oxy và lưu huỳnh lần lượt dưới 30ppm và 20ppm có thể cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn trong thép hiệu suất cao.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến khả năng chống mài mòn, với quá trình tôi và ram thường cung cấp sự kết hợp tối ưu giữa độ cứng và độ dai. Quá trình austenit hóa ở 850-950°C sau đó là tôi và ram bằng dầu ở 200-250°C giúp tối đa hóa khả năng chống mài mòn cho nhiều loại thép cacbon trung bình.

Gia công cơ học thông qua cán hoặc rèn có thể căn chỉnh các đặc điểm cấu trúc vi mô để tăng khả năng chống mài mòn theo các hướng cụ thể. Gia công nguội làm tăng độ cứng bề mặt thông qua quá trình tôi cứng biến dạng, có khả năng tăng gấp đôi khả năng chống mài mòn của thép austenit.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý nhiệt kiểm soát kích thước và sự phân bố cacbua, với tốc độ làm nguội nhanh hơn thường tạo ra các cacbua mịn hơn giúp tăng khả năng chống mài mòn. Tuy nhiên, làm nguội cực nhanh có thể tạo ra ứng suất dư có thể dẫn đến nứt sớm trong quá trình sử dụng.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống mài mòn, với hầu hết các loại thép đều có khả năng chống mài mòn giảm ở nhiệt độ trên 200°C do bị mềm. Các loại thép chuyên dụng có thành phần làm cứng thứ cấp duy trì hiệu suất tốt hơn ở nhiệt độ cao.

Môi trường ăn mòn đẩy nhanh quá trình mất vật liệu thông qua các cơ chế kết hợp hóa học và cơ học. Ngay cả ăn mòn nhẹ cũng có thể làm tăng tốc độ mài mòn lên 3-5 lần bằng cách liên tục loại bỏ các lớp oxit bảo vệ và làm kim loại mới bị mài mòn.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm quá trình làm cứng, có thể cải thiện khả năng chống mài mòn trong quá trình sử dụng ban đầu và các thay đổi về cấu trúc vi mô như sự thô hóa cacbua, có thể làm giảm hiệu suất trong thời gian dài ở nhiệt độ cao.

Phương pháp cải tiến

Làm cứng bề mặt thông qua thấm cacbon, thấm nitơ hoặc borid có thể tăng khả năng chống mài mòn bằng cách tạo ra các lớp bề mặt cứng (700-1200 HV) trong khi vẫn duy trì lõi cứng. Độ sâu lớp phủ 0,5-2,0mm là thông thường cho các ứng dụng công nghiệp.

Quá trình làm cứng thông qua các quy trình hàn áp dụng lớp phủ chống mài mòn có chứa hàm lượng crom, carbon cao và đôi khi là vonfram hoặc vanadi. Các lớp lắng đọng này có thể đạt được giá trị độ cứng từ 55-70 HRC với khả năng chống mài mòn đặc biệt.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm việc kết hợp các thành phần chống mài mòn có thể thay thế, hướng dòng mài mòn ra khỏi các bề mặt dễ bị tổn thương và tạo ra hình dạng tự mài sắc duy trì hiệu quả ngay cả khi quá trình mài mòn diễn ra.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Xói mòn là quá trình loại bỏ vật liệu bằng cách va chạm các hạt hoặc chất lỏng theo một góc với bề mặt, khác với mài mòn theo thành phần tác động của nó. Trong khi mài mòn liên quan đến tiếp xúc trượt, xói mòn liên quan đến các tác động của các hạt riêng biệt gây ra việc loại bỏ vật liệu thông qua các cơ chế khác nhau.

Độ cứng biểu thị khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu, thường được đo bằng các thử nghiệm lõm (Brinell, Rockwell, Vickers). Mặc dù có liên quan chặt chẽ đến khả năng chống mài mòn, nhưng mối tương quan không phải lúc nào cũng tuyến tính, đặc biệt là khi so sánh các loại vật liệu khác nhau.

Tribology bao gồm khoa học rộng hơn về các bề mặt tương tác trong chuyển động tương đối, bao gồm ma sát, bôi trơn và mài mòn. Mài mòn đại diện cho một cơ chế mài mòn cụ thể trong lĩnh vực này, cùng với bám dính, mỏi và mài mòn ăn mòn.

Tiêu chuẩn chính

ASTM G190 cung cấp hướng dẫn lựa chọn thử nghiệm mài mòn tiêu chuẩn giúp các kỹ sư lựa chọn phương pháp thử nghiệm phù hợp dựa trên các cơ chế mài mòn cụ thể và các yêu cầu ứng dụng. Tiêu chuẩn này đặc biệt có giá trị để đối chiếu các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với hiệu suất thực tế.

EN 14879 (tiêu chuẩn Châu Âu) đề cập đến vấn đề bảo vệ chống ăn mòn và mài mòn cho thiết bị công nghiệp thông qua hệ thống lót và sơn phủ, với các quy định cụ thể cho các thành phần thép trong môi trường khắc nghiệt.

Tiêu chuẩn GB/T 4340 của Trung Quốc khác với các phương pháp của ASTM ở chỗ nhấn mạnh vào các thử nghiệm hướng đến ứng dụng cụ thể cho thiết bị khai thác mỏ và nông nghiệp, tập trung nhiều hơn vào các tình huống va đập-mài mòn kết hợp phổ biến trong các ngành công nghiệp này.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển thép có cấu trúc nano với sự phân bố tối ưu của các pha cứng trong các ma trận bền. Các vật liệu này nhằm mục đích khắc phục sự đánh đổi độ cứng-độ bền truyền thống thông qua kỹ thuật vi cấu trúc được kiểm soát theo tỷ lệ.

Các công nghệ mới nổi bao gồm mô hình hóa hao mòn tính toán dự đoán tốc độ mài mòn dựa trên các đặc điểm cấu trúc vi mô và điều kiện vận hành. Các mô hình này ngày càng kết hợp các phương pháp học máy được đào tạo trên các tập dữ liệu thử nghiệm mở rộng.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm vật liệu chống mài mòn "thông minh" thích ứng với các điều kiện thay đổi thông qua các chuyển đổi pha hoặc cơ chế tự phục hồi. Ngoài ra, các công nghệ giám sát không phá hủy sẽ cho phép đánh giá độ mài mòn theo thời gian thực, chuyển đổi bảo trì từ phương pháp theo lịch trình sang phương pháp dựa trên tình trạng.