Шероховатость обработанной поверхности

1. Введение

Характеристика рельефа поверхности – важная тема, связанных с трением, смазкой и износом. В общем, было обнаружено, что трение увеличивается со средней шероховатостью. Параметры шероховатости, таких поверхностей как автомобильные тормозные накладки, напольные покрытия, и шины, очень важные параметры шероховатости. Влияние шероховатости на смазку также изучалось, чтобы определить ее влияние на вопросы касающиеся смазки скользящей поверхности и усталости роликовых подшипников. Наконец, некоторые исследователи обнаружили взаимосвязь между первоначальной шероховатостью поверхностей скольжения и их износом. Такая корреляция была использована для предсказания времени на контакт поверхностей.

Другая область, где шероховатость поверхности играет важную роль контактного сопротивления. Тепловая или электрическая проводимость между двумя поверхностями в контакте происходит только через определенные зоны. В случае теплопроводности, например, тепловых потоков в зоне контакта, приводит к искажению изотермической линии, как показано на Рисунке 1.

Рис. 1. Сопротивление контакта из-за тесноты поточных линий

Термическое сопротивление контакта является важным вопросом в области применения техники, такой, как спутники.

Шероховатости поверхности также темы, представляющая интерес в гидродинамике. Шероховатость внутренней поверхности трубы влияет на параметры потока, такие как число Рейнольдса, которые используется для оценки режима потока (т.е., ламинарного или турбулентного). Производительность судов, также зависит от шероховатости в виде трения, которая может составлять 80-90% от общего сопротивления потоку. Кроме того, потребление энергии можно увеличить на 40% в течение срока службы судна, в результате увеличивается шероховатость поверхности, вызванная коррозией и обрастанием.

Примеры, приведенные выше, это лишь несколько примеров, в которых шероховатость поверхности должна быть тщательно рассмотрена. Однако, влияние шероховатости распространяется на различные инженерные проблемы, такие, как шум и вибрация, допуски размеров, абразивные процессов, биоинженерия.

2. Оприделения и параметры

Понятие шероховатости часто описывается такими терминами, как неровная, грубая текстура и другие аналогичные. Аналогично некоторые поверхностные свойства, такие как твердость, шероховатость поверхности зависит от масштаба измерения. Кроме того, понятие шероховатости имеет статистические последствия, которые измеряются такими факторами, как размер выборки и интервал выборки.

Характеристика шероховатости поверхности может быть осуществлена в двух главных плоскостях. С помощью синусоидальной кривой, как упрощенная модель поверхности профиля, шероховатость может быть измеряна под прямым углом к поверхности через амплитуды волны, и параллельно поверхности через поверхность волны. Последняя также признана в качестве текстуры. Метод, используемый для измерения шероховатости в любой из этих двух плоскостей, может иметь некоторые ограничения. Наименьшая амплитуда и длина волны, которую прибор может определить, соответствует его вертикальному и горизонтальному разрешению, соответственно. Аналогичным образом, наибольшая амплитуда и длина волны, которая может быть измерена прибором, является вертикальный и горизонтальный диапазон.

Первый параметр амплитуды, используется для измерения шероховатости, измеряет вертикальное расстояние между самым высоким пиком и нижним профилем, Pt. Назначение этого параметра было впоследствии изменено на Rt, когда электрические фильтры были включены. Этот параметр был разделен на Rp и Rm.

Таким образом было отмечено, что концепция шероховатости имеет статистические последствия. Следующим шагом в развитии параметров шероховатости было получить средний параметр шероховатости. В США, это было сделано путем подключения переменного тока, использовали вольтметр и измеряли средний электрический сигнал. Таким образом, среднеквадратичная шероховатость была определена следующим образом:

где, L = длина, z = высота, x = расстояние

В Европе сигнал пропускают через выпрямитель для зарядки до конденсатора. В результате, на выходе прибора была показана центральная линия средней шероховатости:

Следующий шаг в реализации статистического характера шероховатости было рассмотреть распределение высот p(z), как показано на Рис. 3.

Рис. 3. Высота профиля распределения p(z)

Параметры, используемые для описания таких распределений были центральные моменты, определяющиеся по следующей формуле:

Второй момент μ₂ известна как дисперсия и представляет собой отклонение распределения от ее среднего. Принимая квадратный корень из дисперсии приводим в стандартное отклонение σ, численно идентична среднеквадратичной шероховатости. Третий момент, μ₃ - асимметрия и является мерой асимметрии распределения. Наконец, четвертый момент μ₄ известен как эксцесс и представляет собой форму кривой распределения.

В дополнение к амплитуде параметров, существуют и другие параметры, которые используются для определения текстуры. Один из них высокоточечный граф, который равен количеству вершин на единицу длины. Его обратная, S_m, - среднее расстояние между пиками. Еще один параметр используемый для оценки текстуры является отношением длины R_v, к длине профиля, деленного на свою номинальную длину. Другие параметры, описанные в литературе не получили популярности.

3. Методы измерения

Стилус инструменты на основе принципа работы зонда по поверхности предназначены для того, чтобы обнаружить изменения высоты, как функции расстояния. Он используется в системе рычагов для увеличения вертикального перемещения пера и записывает профиль на стекле пластины. Схематическое представление этого инструмента, изображено на Рис. 4.

Рис. 4. Шероховатость поверхности

Следующим шагом в развитии современных инструментов был преобразователь, который преобразовал вертикальное смещение в электрический сигнал. Этот сигнал затем может быть обработан электронной аппаратурой для расчета подходящего параметра шероховатости. Типы датчиков в значительной степени влияют на производительность инструментов. Пьезоэлектрический кристалл часто используется в качестве датчика в менее дорогих инструментах. Другие механизмы преобразователей включают перемещение катушки преобразователя, емкости преобразователей, и линейно регулируемые дифференциальные трансформаторы. Разрешение стилуса-инструмента зависит от его производителя и модели. Tencor P2 (SP-Р2), например, имеет горизонтальное разрешение 0,02 μм, в то время как Tencor Альфа-шаг имеет горизонтальное разрешение 0,04 μm.

Некоторые ошибки могут быть введены в измерения шероховатости, когда стилус прибор используется из-за нескольких факторов. Некоторые из этих факторов: размер стилус, стилус нагрузки, стилус скорость, и боковое отклонение от неровностей. Эффекс стилус размер проиллюстрирован на Рис. 5, который представляет собой схематичное сравнение фактического профиля с последующим профилем.

Рис. 5. Искажение профиля поверхности за счет эффекта размера

Этот эффект становится более значительным, тогда когда кривизна вершин и впадин уменьшается или величина наклона увеличивается.

Что касается влияния нагрузки стилуса, было установлено, что пластическая деформация может быть индуцирована на поверхности, если нагрузка значительно выше, чем рекомендованные стандарты использывания. Однако, утверждается, что если происходит пластическая деформация на ту же величину вдоль измеренного отрезка, то получается профиль на исходной поверхности. Одно исследование показало, что профиль измерений в том же сегменте, при различных нагрузках, получает очень похожие профили. Полученные профили представлены на Рис. 6.

Рис. 6. Эффект нагрузки: (а) Профиль на 6 мг нагрузки; (б) Перемещеный Профиль на 80 мг нагрузки; (в) Перемещение профиля по 6 мг

Другой способ, в котором могут произойти ошибки при измерении, если перо теряет контакт с поверхностью в результате его скорости. Тем не менее, было установлено, что для большинства поверхностей, погрешности,зависящие от скорости стилуса были незначительными. Горизонтальное отклонение пера, также рассматривается как источник ошибок. Был определен эффект бокового отклонения на профильных поверхностях, он будет несущественным по сравнению с размерами стилуса.

В зависимости от шероховатости поверхности излучение определенной длины волны может отражаться зеркально, а излучение другой волны может быть отражено диффузно. Таким образом, зеркальное и диффузное отражения могут быть использованы для определения шероховатости поверхности.

Один из инструментов, который использует зеркальное отражение для характеристики шероховатости свет-раздел микроскоп. Изображение щели проецируется на поверхность и объектив захватывает изображение в углах зеркального отражения. Если поверхность гладкая, полученное изображения будут прямое, однако, если поверхность шероховатая, будет наблюдаться волнообразный узор. Этот прибор предназначен для измерения пика до длины шероховатости с вертикальным разрешением около 0,5 мм. Его принцип обнаружения показан на Рис. 8.

Рис 8. Принцип разделения света микроскопа

Взаимодействие поляризованного света с поверхностью, также может использоваться для оценки шероховатости поверхности. Так было и в случае с длинными оптическими файлами, который фокусируют лазерный луч на поверхность посредствам расположения зеркал. Не доезжая до образца, лазер проходит через призму, поляризует пучок в двух ортогональных компонентах. Лучи затем фокусируются на поверхности, где они отражают обратно в призму. Наконец, отраженные лучи направляют в светоделитель, который посылает каждый луч в другой детектор. Разность фаз поляризованных пучков, которые связаны с перепадом высот на поверхности, которые приводят к разности напряжений, которые могут быть измерены. Этот инструмент сообщает вертикальный диапазон и разрешение 2 нм и 0,025 нм, соответственно. Схема инструмента показана на Рис. 9.

Рис. 9. Схема оптического прибора

Коммерческие инструменты, которые измеряют интенсивность зеркального отражения известны как глосметр. Способность этих приборов для измерения шероховатости основана на обратной корреляции между интенсивностью зеркального отражения и среднеквадратичной шероховатостью. Одним из основных преимуществ этого метода является то, что он позволяет быструю проверку аналогичных поверхностей. Вертикальное разрешение - около 1 нм. Оказалось, что шероховатость измерения, используя эту технику, не очень хорошо коррелируют со стилусом измерений. В результате, показания приборов должны быть нормированы для каждого типа материала, который изучается.

Элипсометрия - еще один метод, который был использован для поверхностных характеристик. Он измеряет изменение поляризации после того как луч света отражается от поверхности. Использование элипсометрии для измерения шероховатости до сих пор находится в стадии изучения, так как количество вращения пучка также зависит от других факторов, таких как состав поверхности, температура, деформированное состояние, и т.д.

4. Микроскопия фона

Процесс микроскопии начался в конце 15 века, где впервые было использовано увеличительное стекло. Первые простые микроскопы были использованы для просмотра простых объектов и организмов, таких, как клетки и бактерии. Разрешение рассматриваемых объектов было очень ограничено, из-из значения длины волны видимого спектра. Самая короткая длина волны видимого света составляет 0.4 мкм а разрешение лучших микроскопов всего 0,2 мкм.

В результаты поиска, для более глубокой атомной структуры материалов используют сканирующие электронные микроскопы или те которые имеют наименьшую площадь поперечного сечения для зонда, но не охватывают достаточно большого масштаба. Они также были не в состоянии рассмотреть любые атомные структуры во время испытания. При этом возникли проблемы: низкое разрешение поверхностной структуры, сложная подготовка поверхности и устойчивость против высокого электрического поля. Из-за осложнений и трудностей старых процессов необходимости изобретать дополнительные механизмы для тестирования. В 1981 году в лаборатории компании International Business Machines был изобретен первый сканирующий туннельный микроскоп.

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) отличается от большинства других микроскопийных процессов, так как она не использует никаких линз, специального освещения или источника электрона. СТМ вместо этого использует существующие связанные электроны которые влияют на образец в качестве источника излучения. Использование более низкого напряжения смещения (V_{, b}) и туннельного тока (I) передается через потенциальные барьеры для зондирования металлическим наконечником. Уравнение для описания туннелирования тока:

A_eff - эффективная площадь наконечника зонда, который помогает в определении боковой резолюции, где k-часть функции. Если постоянный ток поддерживается примерно до 2%, разрыв d, между подложкой и наконечником зонда, будет оставаться на постоянной высоте над поверхностью.

СТМ имеет возможность работать в двух режимах. Тезисы: постоянная высота и режим постоянного тока. При работе в режиме постоянной высоты наконечника можно быстро отсканировать по всей поверхности поддержание постоянного напряжения смещения. Системы обратной связи в системе постоянно регулируется и контролируется туннельный ток. Любые изменения туннельного тока записываются с позиции сканирования и используются для построения окончательных участков поверхности. Быстрое изображение плоских поверхностей стало возможным благодаря режиму постоянной высоты в связи с тем, что петля обратной связи и пьезоэлектрический привод не должены вносить исправности для любой поверхности вариаций. Как видно на рисунке 10 ниже, зонд поддерживает постоянную высоту перемещения только в x -, y-направлении.

Рис. 10. Постоянная высота режима в СТМ

В режиме постоянного тока ,зонд, сканирует по всей поверхности и туннельный ток остается постоянным. Высота зонда постоянно регулируется путем мониторинга обратной связи. После того, как наконечник зонда просканировал все x-y плоскости поверхности 3D, поверхность генерируется с использованием обратной связи напряжения. Режим постоянного тока, лучше приспособлен для контроля поверхности. Режим постоянного тока используется гораздо больше, чем постоянная высота режима движения, скорость будет значительно затруднена из-за обратной связи. Как можно видеть ниже на рисунке 11, наконечник зонда поддерживает фиксированное расстояние над поверхностью подложки. На рис. 12 мы видим, что путь, начертаный пунктирной линией представляетет путь, пройденный зондом, который она проходит вдоль и над каждой металлической частицей.

Рис. 11. Режим постоянного тока

Рис. 12. Профиль сканирования СТМ

Конструкция зонда также очень важна, для СТМ процесса. Зонд как правило изготовляют из вольфрама (W), платины и иридия (Pt-Ir) или золото (Au). Вершина должна идти под заточки так же, как карандаш. Зонд это как правило кусок проволоки, изготовленные из одного из выше упомянутых металлов. Провод помещают в ванну из травильного раствора для травления. Травильный раствор NaOH содержит KOH. Через некоторое время травленая нижняя часть провода упадет на дно емкости. Провод будет внизу. В зависимости от типа напряжения, приложенного к системе (AC/DC) наконечник может иметь различные формы. Если приложенное напряжение переменный ток, то наконечник будет иметь коническую форму и он являются более предпочтительным для изображения с высоким разрешением. Если приложенное напряжение постоянный ток, то имеем гиперболоидную форму. Провод должен иметь только 0.33мм погруженной поверхности в целях сохранения гладкого кончика. Некоторые другие способы производства зонда включают: механическую шлифовку, полевую эмиссию/испарения, фрезерные ионы и разрушения. Как видно из рис. 13 он переплетается.

Рис. 13. Наконечник

Выбор материала во многом зависит от формы острия зонда. Как видно на рис. 14, угол 15° при вершине на 50нм диаметром проволоки является не столь эффективна в определении фактической поверхности изображения. Более точные показания СТМ машины будут при наименьшем проводе с наименьшим уголом при вершине.

Рис. 14. Форма наконечника

Типичное разрешение СТМ прибора примерно 0.1нм в сторону и 0.01 нм вертикально.

4. Атомно-силовая микроскопия

Атомно-силовая Микроскопия использует консольные зонды, чтобы обнаружить действие слабых сил на образец. В то время как образец перемещается в направлении x, заостренный конец ,консольный зонд, может либо вступать в контакт с поверхностью образца либо функционировать в бесконтактном режиме. Сканирование и перемещение по осям x-y-направлении обнаруживает крайне малые силы отталкивания от зонда и поверхности образца и перемещается вверх и вертикально вниз в соответствии с формой поверхности. Все данные могут быть собраны с помощью лазеров, пьезоэлектрических датчиков или фотоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики посылают напряжение к преобразователю, когда сделано движение от контилевера. Лазер работает таким же образом, что и фотоэлектрический датчик. Только в контактном режиме или в состоянии сильного отталкивающего воздействия может быть достигнуто максимальное разрешение. На Рис. 15, мы видим три различных датчика.

Рис. 15. Принцип работы АСМ

На рисунке 16 ниже мы можем видеть, то что свет передается вниз на зонд, и как он передается затем на фотодиод, чтоб обнаружить угол падения. Эта форма позволяет обнаружить небольшие изменения угола.

Рис. 16. Схема отклонения

Заключение

Шероховатость поверхности является важным фактором при работе с такими вопросами, как трение, смазка и износ. Она также имеет большое влияние на тепловые или электрические сопротивления, динамику жидкостей, борьбу с шумом и вибрацией, допусков размеров, и абразивных процессов, среди других. В данном обзоре, была рассмотрена концепция шероховатости, а также были представлены некоторые параметры, используемых для ее характеристики. Кроме того, представлен краткий обзор некоторых из методов измерения шероховатости доступных в настоящее время. Стилус наиболее распространенный инструмент, используемый сегодня, для измерения шероховатости, однако, более поздние технологии, такие как СТМ и АСМ представили улучшение пространственного разрешения и, следовательно, подходят для захвата более мелких деталей. Все методы, упомянутые здесь, имеют общий недостаток, который и является их неспособностью обнаружить внутренние недостатки, например, те что вызваны расслаиванием. Этот недостаток могут помешать исследователям получить ценную информацию касающуюся, например, смазки механизмов крепления.

Список использованной литературы

1. Bai, C., Scanning Tunneling Microscopy and Its Applications, 2nd ed., Shanghai Scientific & Technical Publishers, Berlin (1999).
2. Poon, C.Y. and Bhushan B., Comparison of surface roughness measurements by stylus profiler, AFM, and non-contact optical profiler, Wear, 190, pp. 76-88 (1995).
3. Ros-Yanez, T., Houbaert, Y., and Mertens, A., “Characterization of TRIP-assisted multiphase steel surface topography by atomic force microscopy”, Materials Characterization, 47, pp 93-104 (2001).
4. Thomas, T.R., “Trends in surface roughness”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 38, Issues 5-6, pp 405-411 (1998).