Transcript yüzey pürüzlülüğü ölçüm teknikleri

Triboloji ve
Yüzey Pürüzlülüğü
Analizi
Emre ALP
İÇERİK
YÜZEY
TRİBOLOJİ
Sürtünme
Yüzeylerin Doğası
Aşınma Mekanizmaları
YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ ANALİZİ
YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ ÖLÇÜM TEKNİKLERİ
"God made solids, but
surfaces were made by
the Devil."
Wolfgang Pauli
Yüzey:
Katı yüzeyler; asıl olarak katı-gaz ya da katı-sıvı
arayüzeylerin çevre ve yüzey arasındaki etkileşimi,
yüzey hazırlama yöntemi ve katı yüzeyin doğasına
bağlı olarak kompleks yapı ve özelliklere sahiplerdir.
Katı yüzeylerin özellikleri yüzey etkileşimleri için
hayatidir çünkü yüzey özellikleri temas alanını,
sürtünme,
aşınma
ve
yağlama özelliklerini
etkilemektedir. Tribolojik fonksiyonlara ek olarak,
yüzey özellikleri optik, elektrik ve termal performansı,
kaplama ve görünüm gibi nitelikleri de etkilemektedir.
“Tribology” kelimesi ilk defa Peter Jost (1966)
tarafından telafuz edilmiştir.
Latince tribos + logos kelimelerinden oluşmaktadır.
Tribos, latincede sürtmek-ovuşturmak anlamına
gelmektedir.
Tribolojinin ingilizce karşılığı olarak sürtünme-aşınma
bilimi kullanılmaktadır.
Genel olarak tanımlandığında; birbirine karşı hareket
eden nesnelerdeki yüzey etkileşimlerinin teknolojisi ve
bilimidir.
Tribolojik arayüzeylerdeki etkileşimler oldukça
komplekstir ve onu anlamak için birçok disiplin ile
birlikte çalışılması gerekmektedir:
Fizik
Kimya
Matematik
Katı mekaniği
Akışkanlar mekaniği
Termodinamik
Isı transferi
Malzeme bilimi
Reoloji
Makina tasarımı
SÜRTÜNME
Bir yüzeyin diğer yüzeydeki hareketine karşı DİREÇTİR.
F = Fa + Fd
İki yüzey arasındaki adhezyon
İyi bir triboloji bilimiyle:
İngiltere: 500 milyon ₤/yıl
U.S.A.: 16 milyar $/yıl
yüzeylerin
deformasyonu
SÜRTÜNME
Atalarımızın keşfettiği İki önemli icad sürtünmeyle ilgilidir. Bunlardan
biri yemek pişirmek için sürtünmenin gücünü kullanarak ateşi
bulmaları. İkincisi ise dönme sürtünmesinin kayma sürtünmesinden
çok düşük olmasının keşfiyle tekerleğin icadıdır. Çok ağır bir objeyi
sürükleyerek taşımaktansa dönen bir vasıtayla taşımanın daha kolay
olduğunu keşfettiler.
Guillaume Amontons,1699 yılında sürtünme alanında daha önce Leonardo da Vinci tarafından
öne sürülen sürtünme kanunlarını yayınladı. Daha sonra 1875 yılında, Charles-Augustin de
Coulomb tarafından formüle edilmiştir.
Lenonardo da Vinci
Guillaume Amontons (1699)
Charles-Augustin de Coulomb(1875)
Kanunlar çok genel olarak şöyledir:
 Statik Sürtünme, kinetik sürtünmeden daha büyük olabilir.
 Sürtünme kuvveti uygulanan yükle doğrusaldır.
 Sürtünme kuvveti temas alanından bağımsızdır.
 Sürtünme kayma hızından bağımsızdır.
Yüzeylerin doğası:
1-Yüzey Topografisi
Mikropürüzlülük
Pürüzlülük
Dalgalılık
Makrodevi
yasyon
İdeal
Yüzey
Dalgalılık(waveness), çoğunlukla sinusoidal
olan periyodik dalgalanmalardır. Dalga boyları
1-10 mm ve dalga yükseklikleri birkaç yüz
mikrona kadar çıkabilir. Pürüzlülük, işleme
şartları ,aşınma sırasında ya da mikro yapıdan
kaynaklanan sapmalardır. Mikro pürüzlülük ise
malzemenin iç hatalarından, yüzeydeki
tanelerin uniform olmayan deformasyonundan
yada korozyon ve oksidasyon prosesleriyle
oluşan ve atomik boyuta kadar inebilen
pürüzlülüktür.
Yüzeylerin doğası:
2-Yüzey Kompozisyonu
Yüzey pürüzlülüğü üzerine kompozisyonun etkisi:
(a) Segregasyon. (b)
Reconstruction. (c) kemisorpsiyon. (d) Bileşim Biçimlenmesi
Yüksek vakumda bile yüzeyler tam olarak temiz olamazlar.
Yüzeylerin doğası:
2-Yüzey Kompozisyonu
Segregasyon: proses ya da ısıl işlem
süresince mobil atom ya da
empurite atomları yüzeye, örneğin
çelikte arayer karbon ya da azot
atomları,
segrege
olabilirler.
Dolayısıyla segregasyon mekanik
özellikler, adhezyon ve oksit film
oluşması gibi durumlara sebep
olarak sürtünmeyi etkiliyor.
Yeniden Yapılanma: dış yüzey kristal
yapı değişimine maruz kalarak
yeniden yapılandırılır. Örneğin;
sürtünme sırasında,elmas yüzeyin
grafit yapıya dönüşmesi gibi.
Dolayısıyla temel bir sürtünme
katsayısı değişimine neden olur.
Yüzeylerin doğası:
2-Yüzey Kompozisyonu
Kemisorpsiyon: atmosferik havada
ya da yağlayıcı ortamda çalışan
yüzeyler, kemisorpsiyon ile direk ya
da
dolaylı
olarak
sürtünme
katsayısını etkilerler. Temel olarak
iki yüzey arasındaki adhezyonu
etkilerler ve bu da sürtünme
katsayısını etkiler.
Kimyasal Bileşim Biçimlenmesi: İki
yüzeyin birbirine sürtmesinden
kaynaklanan ısı çıkışı, yüzeyde lokal
bileşimle sonuçlanan interdifüzyona
neden olacaktır. Bu da sürtünme
katsayısını değiştirecektir. Birbiri
içinde çözünen metaller için daha
tehlikeli boyutlarda olacaktır.
Yüzeylerin doğası:
3-Yüzey Mikroyapısı
Sürtünmeye ve aşınmaya bağlı olarak metallerde yüzey mikroyapısı
3-Yüzey Mikroyapısı
1.Deforme
edilmiş
katman:
malzemelerin
yüzeyleri
(metal,alaşım,seramik) şekillendirme prosesinin sonucu olarak önemli oranda
değişmektedir. Taşlama, parlatma, mekanik işlemede ısıl etkinin varlığında ya
da yokluğunda yüzey katmanları plastik olarak deforme edilirler ve oldukça
yüksek gerinmeye sahiptirler. Bu gerinmeli bölgeye deforme edilmiş katman ya
da soğuk işlenmiş katman denilmektedir. Tanelerin rekristalizasyonu ile oluşan
deforme edilmiş bölgede benzer şekilde oryante olmuş taneler bulunmaktadır.
3-Yüzey Mikroyapısı
2.Beilby katman: metal ya da alaşımların ergitilmesi ile üretimi ve
mekanik işlenmesi esnasında hızlı soğuma gösteren bölgedir. Amorf ya
mikrokristalindir. En hassas yüzey işleminde bile var olmaktadır. Bu
katman çok önemlidir çünkü onun özellikleri (yüzey kimyası bakış
açısıyla) tavlanmış bulk malzemeden oldukça farklıdır. Aynı şekilde
malzemenin mekanik davranışları bu katmanın derinliği ile yakından
ilişkilidir.
3-Yüzey Mikroyapısı
3. Kimyasal reaksiyonlu bölge: malzemenin sürekli olarak yeni bir
yüzeye -ortama- maruz kalması, yeni bir tabaka oluşmasına neden olur.
Kimyasal katmanın kalınlığı malzemenin çevreye olan reaktivitesine,
reaksiyon sıcaklığına ve reaksiyon zamanına bağlıdır. Sürtünme ya da
işleme esnasında oksit katmanlar oluşabilmektedir. Isı oksidasyon hızının
artmasına ve farklı tipte oksit tiplerine yol açmaktadır. İki metalin hava
atmosferinde sürtünmesi, iki yüzeydeki oksit katmanlar arasında
oluşabilir.
3-Yüzey Mikroyapısı
4.Fizisorpsiyonlanmış katman:
su molekülleri, oksijen, argon, kripton
ve hidrokarbonlar yüzeye fiziksel olarak adsorplanabiliyorlar ve
yoğunlaşabiliyorlar. Bu katman hem monomoleküler hem de polimoleküler
olabilmektedir. Zayıf van der Waals çekim güçleri ile gerçekleşir bir elektron
değişimi yoktur. Bu şekilde adsorbe olan bir adsorbat kolayca desorbe olabilir.
Fiziksel adsorpsiyonda, molekül veya iyon, adsorbentin belirli sitelerine değil,
yüzeyin her tarafına serbestçe bağlanabilir. Fiziksel adsorpsiyonda van der
Waals çekiminden başka dipol-dipol ve hidrojen bağları gibi zayıf bağlar da söz
konusu olabilir.
3-Yüzey Mikroyapısı
5. Kemisorpsiyonlanmış katman: katı yüzey ve gelen kimyasal ürün
arasında elektron değişimi ve elektron paylaşımı vardır. Kimyasal
adsorpsiyonda adsorbat ile adsorbent arasında oluşan bağ kovalent veya
iyonik olabilir. Bu bağlar, fiziksel adsorpsiyonda oluşan bağlara göre daha
kısa ve daha yüksek enerjilidir. Kimyasal adsorpsiyonda oluşan bağın
enerjisi diğer adsorpsiyon türlerinin hepsinden daha fazladır.
3-Yüzey Mikroyapısı
Kimyasal adsorpsiyonda tek molekül tabakası şeklinde bir adsorpsiyon
olur. Kimyasal bağ, adsorbent yüzeyindeki belirli site veya fonksiyonel
gruplara has olabilir. Kemisorpsiyon katmanı tek bir katman ile sınırlıdır.
Bu onu kimyasal olarak reaktif bölgeden ayıran özelliktir. Bu ayrıca onu
fizisorpsiyonlanmış bölgeden de ayırır çünkü fizisorpsiyonlanmış bölge
polimoleküler olabilir.
AŞINMA MEKANİZMALARI
Aşınma, birbirlerine temas halinde hareket eden yüzeylerden malzeme kaybı.
Aşınma Mekanizmaları
 Adhesiv Aşınma
 Abresiv Aşınma
 Yorulma ve Delaminasyon Aşınması
 Kimyasal (Korozif) Aşınma
 Darbeli Aşınma
 Elektrik-ark Aşınması
 Titreşimli Aşınma
AdhesivAşınma
Abresiv Aşınma
Yorulma Aşınması
Darbeli Aşınması
Kimyasal Aşınma
Delaminasyon Aşınması
GİRDİ
Hız
Normal yük
Malzeme
Yağlayıcı
Sıcaklık
Geometri
Çevre
ÇIKTI
SÜRTÜNME
AŞINMA
DLC FİLMLERİN SÜRTÜNME VE Ra İLİŞKİSİ
Yüzey Pürüzlülüğü Analizi
Ra : ortalama pürüzlülük: aritmetik ortalama ya da merkez çizgi ortalaması olarak da
bilinir. Ortalama pürüzlülük, pürüzlülük profili ve onun ortalama çizgisi arasındaki alandır. Ra en
genel olarak kullanılan pürüzlülük parametresidir.
Profil
uzunluğu
Ra : ortalama pürüzlülük:
Ra, yüzey hakkındaki tüm bilgiyi vermez. Tek başına yüzeyin
hikayesini anlatmaya yetmemektedir. Şeklinde ya da aralıklarında farklılıklar olan aynı Ra sahip yüzeyleri
ayırt etmek için yüzeyin piklerini, vadilerini, profil biçimini ve aralıklarını veren diğer parametreleri
hesaplamamız gerekmektedir.
Rq : aritmetik ortalamanın karekökü (root-mean-square):
profilinin diğer bir integralinden hesaplanır.
yüzey
RZ (DIN): ortalama pürüzlülük derinliği:
herbir maksimum dik mesafenin aritmetik ortalamasıdır.
5 kademeli ölçüm uzunluğunda
RZ (ISO) On nokta yüksekliği: ölçüm uzunluğu üzerinde en yüksek 5 pik
artı en derin 5 çukura olan ortalamasıdır.
Rt , Rv , Rp : bu 3 önemli parametre bir contaya zaralı olabilecek keskin pikleri ya da
gerilim yoğunlaşması ile malzemenin hasara uğramasına yol açabilecek derin çukurları
belirlemeye yardımcı olur.
Rp : en yüksek pikin ortalama profilden uzaklığı
Rv : en derin çukurun ortalama profilden uzaklığı
Rt : en derin çukurdan en yüksek tepeye olan dik uzaklık
Rt = Rv + Rp
R3zi: 3. en yüksek pikten 3. en derin vadiye olan dik uzaklıktır.
Rc , pik sayımı: bir profilde alınan izin uzunluğu boyunca sayılan piklerin sayısını
verir ve pik/uzunluk olarak verilir. Bunun için pik tanımı yapılır. Merkezi ortalama
profilden geçen uzunluk tanımlanır. Bu değerin altındaki ve üstündekiler pik olarak
tanımlanır.
Yüzeylerin genel topografisi
Yüzeyin dokusu deneysel ya da basitleştirmeler ile deterministik olarak çalışılabilir
ancak çoğu mühendislik malzemesinin yüzeyi rastlantısaldır. Yüzey yükseklik
dağılımının izotropik-anizotropik veya Gaussian-nonGaussian olup olmaması proses
yöntemine bağlıdır.
YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ ÖLÇÜM TEKNİKLERİ
Yüzey pürüzlülüğü ölçümü için birçok cihaz vardır ancak bunlar temel olarak iki ana
kategoriye ayrılır:
1-ölçülecek yüzey ile temas edenler:
Örneğin; AFM(atomic force microscope)
2-ölçülecek yüzey ile temas etmeyenler:
Örneğin; optik profilometre