Chương 3
XÓI MÒN VÀ MÒN HỐC
3.1. Khái niệm về xói mòn
Xói mòn là dạng mòn do các hạt rắn hoạc hạt chất lỏng va đập vào bề mặt vật rắn. Xói mòn xuất hiện ở nhiều dạng trong các máy móc cơ khí. Ví dụ như trong các cánh của turbin máy bay khi bay vào sương mù hay mây, mưa hoạc trong các cánh bơm, thành ống đãn bê tông, bùn cát…
Cũng như các dạng mòn khác độ bền cơ học chưa đủ để đảm bảo cho khả năng chống mòn tốt cho vật liệu, ví vậy muốn đảm bảo hiện tượng xói mòn diễn ra với cường độ nhỏ nhất cần phải có những nghiên cứu sâu và hết sức chi tiết. Tính chất của các hạt gây xói mòn đóng vai trò quan trọng làm gia tăng xói mòn và là một trong các thông số có liên quan trong việc điều khiển và khống chế dạng mòn này. Trên hình 3-1 mô tả một số dạng xói mòn thường gặp trong thực tế kỹ thuật.


Hình 3-1 : Cách thức hình thành các dạng xói mòn; a) dạng xói mòn kết hợp mài mòn, b) mòn chà cùng diện tích như nhau (bên trái) và không như nhau (giữa và bên phải), c) đập nhỏ và nghiền vụn (crushing and grinding), d) xói mòn vận tốc cao, e) xói mòn ở vận tốc thấp, f) xói mòn rối (saltation erosion), g) xói mòn hốc
3.2. Cơ chế hình thành xói mòn
Sói mòn là dạng mòn phổ biến trong kỹ thuật, nó chịu chi phối của vật liệu các hạt cứng trong chất lỏng, góc va đập của hạt với bề mặt vật bị sói mòn, hình dáng, kích thước và vận tốc của hạt. Nếu như hạt cứng hơn so với vật rắn thì sự xuất hiện xói mòn tương tự như trong mài mòn. Khi tác nhân gây sói mòn là các hạt chất lỏng thì cơ chế của nó không giống mài mòn, mà sự xói mòn là do sự lặp đi lặp lại sự biến đổi ứng suất do va đập của các hạt chất lỏng.
Phạm vi mòn dạng xói mòn được giới hạn ở các dạng mòn do sự va chạm của các hạt có kích thước nhỏ trên bề mặt của các vật rắn. Các định nghĩa về dạng mòn này thường dựa trên các suy xét kinh nghiệm. Cơ chế của hao mòn dạng xói mòn được minh hoạ trên hình 3-2.
Góc và chạm được hiểu là góc hợp bởi giữa phương vận tố của hạt trước khi va vào mặt vật rắn với tiếp tuyến mặt vật thể mà hạt vật chất va chạm vào (xem hình 3-2). Nếu góc va chạm nhỏ quá trình mòn giống như dạng mài mòn, bởi vì các hạt mài có xu hướng cày xước dọc theo bề mặt bị mòn sau khi va chạm. Khi góc va chạm lớn cơ chế hình thành va chạm sẽ là dạng xói mòn.




Hình 3-2 : Cơ chế có thể diễn ra trong xói mòn; a) Mài mòn khi góc va chạm quá nhỏ, b) mỏi bề mặt do tốc độ va chạm thấp và góc va chạm lớn, c) gãy nứt giòn bề mặt hoạc tích luỹ biến dạng dẻo khi tốc độ va chạm trung bình, góc va chạm lớn, d) nung chảy bề mặt khi tố độ va chạm lớn, e) xói mòn vĩ mô do hiệu ứng thứ cấp, f) sự thoái biến mạng tinh thể do va chạm của các nguyên tử.
Vận tốc của các hạt xói mòn có ảnh hưởng mãnh mẽ đến quá trình mòn. Nếu vận tốc của hạt quá nhỏ, ứng suất do va chạm gây ra không đủ làm xuất hiện biến dạng dẻo bề mặt vật liệu, và mòn thường diễn ra dưới dạng mỏi bề mặt. Nếu vận tốc của hạt tăng nhanh, ví dụ v=20m/s, các hạt có thể gây ra biến dạng dẻo trên bề mặt vật thể khi nó va chạm vào. Hiện tượng này gặp không nhiều đối với các thiết bị kỹ thuật, hao mòn có thể xuất hiện do sự biến dạng dẻo lặp đi lặp lại nhiều lần. Nếu như các hạt gây xói mòn không sắc nhọ hoạc có dạng hình cầu thì tác động của nó trên bề mặt bị mòn là sự căng giãn do biến dạng dẻo và các hạt mòn có dạng tấm mỏng. Nếu các hạt mòn có hình dạng sắc nhọn sẽ gây ra hiện tượng vi cắt hoạc bề mặt bị vỡ ra từng mảnh nhỏ và giòn xảy ra nhiều hơn. Mặt khác, đối với vật liệu giòn mòn còn do nứt gãy lớp dưới bề mặt. Với tốc độ của hạt quá lớn sự nung chảy vật liệu có thể xảy ra tại vị trí bị va chạm mạnh do năng lượng va chạm biến thành nhiệt [59].
Kích thước của hạt mài là nhân tố có ảnh hưởng đến quá trình xói mòn, đặc biệt khi kích thước của hạt vào khoảng từ 5 đến 500μm, mặc dù người ta không biết lý do cơ bản tại sao lại có giới hạn