TRIBOLOGIA Topografia de superfície

Transcrição

1 TRIBOLOGIA Topografia de superfície

2 Topografia de superfície INTRODUÇÃO - a superfície de um sólido delimita seu volume e define a região onde as interações com o ambiente ocorrem. É a fronteira geométrica entre o sólido e o ambiente; Corresponde a descontinuidade no arranjo periódico dos átomos (defeito); o estado vibracional, separação interatômica e estado eletrônico são muito diferentes daqueles dos átomos do interior de um sólido.

3 Topografia de superfície Tribologia está associada com a superfície e a região próxima à superfície.

4 Topografia de superfície Estrutura Cúbica de corpo centrado mostrando o número de vizinhos mais próximos de um átomo: (a) dentro de um solido; b) sobre sua superfície.

5 Topografia de superfície Superfície ideal: definida em termos das últimas camadas atômicas com dimensão de apenas vários nanometros. Superfície real: descreve uma região que se estende bem abaixo da superfície, até a profundidade de vários micrometros. As propriedades mecânicas, fisicoquímicas e estruturais desta região difere consideravelmente daquelas do volume do material, bem como aquelas de uma superfície ideal.

6 Topografia de superfície Uma superfície é constituída de várias camadas: Detalhes de uma superfície sólida: textura da superfície (eixo vertical ampliado) e camadas típicas da superfície

7 Topografia de superfície Physisorbed Layer constituintes mais comuns são moléculas de vapor d água, oxigênio ou hidrocarbonetos do ambiente 0,3 nm. Forças fracas de Wan der Waals. Chemisorbed Layer há compartilhamento ou troca de elétrons dos elementos e a superfície. Limitada a uma monocamada. Chemically Reacted Layer camada de óxidos (ou sulfetos, nitretos e cloretos dependendo da atmosfera). 10 a 100 nm. Beilby Layer produzida pela fusão e cisalhamento da superfície na usinagem. Subsequentemente endurecidas por têmpera quando depositadas no material mais frio. 1 a 100 nm. Deformed Layer propriedades metalurgicas podem variar consideravelmente do material durante a preparação da superfície. Plasticamente deformadas e, as vezes, com tensão residual. 10 a 100 µm.

8 Topografia de superfície No processo de fabricação, o contato entre a superfície e a ferramenta de usinagem modifica a estrutura cristalina das camadas superficiais através de estresse mecânico e térmico.

9 Topografia de superfície I zona de contaminação consiste de uma camada de gases adsorvidos, como vapor d água, hidrocarbonetos e outros poluentes atmosféricos. Esta camada se estende a poucos nanometros. II Segunda zona feita de produtos que surgem da interação com o ambiente e geralmente consiste de óxidos, cuja composição depende tanto do metal base como do ambiente. III Terceira zona - estrutura do material que foi significativamente encruado e onde a matriz cristalina foi destruída. Esta camada, conhecida como camada de Beilby, se estende a profundidade de cerca de um micrometro. IV Quarta zona foi mecanicamente deformada pelo acúmulo de tensão residual. Espessura vai de vários até dezenas de micrometros. V Quinta zona corresponde a estrutura original do material sem modificações.

10 Topografia de superfície É importante distinguir a topografia da superfície em escala atômica de sua geometria em escala micrométrica. Em escala atômica, a superfície aparece como uma série de degraus/bordas e planos atômicos que contêm numerosos defeitos pontuais. Representação visual de defeitos em escala atômica sobre a superfície de um sólido

11 Topografia de superfície Caracterização de camadas de superfície MEV, MO seção transversal (microestrutura); MET estrutura microcristalina e densidade de discordâncias; DRX estrutura cristalina da superfície; EDS análise dos elementos da superfície; XPS, FIB entre outros análises químicas e de espessura

12 Topografia de superfície Estrutura da superfície Todas superfícies são rugosas escala de amplição; Rugosidade caracterizada por asperidades de amplitude e espaçamento variáveis; Distribuição das asperidades: Direcional torneamento, fresamento, etc. Homogênea polimento, jateamento, etc. Superfícies: Isotrópica; Anisotrópica.

13 Topografia de superfície Estrutura da superfície Estrutura da superfície inclui: Rugosidade flutuações de pequeno comprimento de onda; Ondulação irregularidade da superfície com maior comprimento de onda; Orientação das irregularidades direção principal do padrão de superfície predominante; Falha interrupções unidirecionais inesperadas;

14

15

16 Topografia de superfície Textura da superfície São os desvios locais de uma superfície de um plano perfeitamente liso: Formas de produzir textura: Retífica, polimento, lapidação, eletroerosão, tornemento, fresamento, laser, etc.; Caracterização: através de perfilômetro.

17 Topografia de superfície Isotrópico lixamento aleatório Anisotrópico lixamento unidirecional Imagens de perfilometria óptica tridimensional de vários tipos de superfícies Isotrópico polimento aleatório

18 Topografia de superfície Classificação dos Parâmetros de Rugosidade Rugosidade variações na altura da superfície em relação a um plano de referência. 2D; 3D. Parâmetros de rugosidade são normalmente classificados em 3 grupos de acordo com sua funcionalidade: Parâmetros de amplitude; Parâmetros de espaçamento; Parâmetros híbridos;

19 Topografia de superfície Classificação dos Parâmetros de Rugosidade Parâmetros de amplitude características verticais de desvios da superfície. São os mais importantes para caracterizar uma superfície.

20 Topografia de superfície Classificação dos Parâmetros de Rugosidade Parâmetros de espaçamento características horizontais de desvios da superfície. Como a amplitude da rugosidade, o espaçamento dos picos da rugosidade é igualmente importante.

21 Topografia de superfície Classificação dos Parâmetros de Rugosidade Parâmetros híbridos são uma combinação das características verticais e horizontais de desvio da superfície (combinação dos parâmetros de amplitude e espaçamento).

22 Classificação dos Parâmetros de Rugosidade Processos de fabricação diferentes texturas de superfície diferentes. Aplicações diferentes requerem diferentes texturas parâmetros de rugosidade diferentes para avaliar a superfície.

23 Perfil de rugosidade e valores de rugosidade para uma superfície unidirecional obtidos por perfilômetro óptico

24 Perfil uma superfície (a) anisotrópica e (b) isotrópica.

25 Perfil uma superfície (a) anisotrópica e (b) isotrópica.

26 Parâmetros de Rugosidade Parâmetros de Amplitude Rugosidade média (Ra) é desvio aritmético da média. A média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento (yi), dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição (lm) Unidade (µm) Ra 1 L 0 L z( x). dx

27 Topografia de superfície Linha média - é a linha paralela à direção geral do perfil, no comprimento da amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreendidas entre ela e o perfil efetivo, seja igual à soma das áreas inferiores, no comprimento da amostragem (le) Perfil de uma superfície utilizado para calcular o valor de Ra.

28 Topografia de superfície Ra parâmetro mais usado universalmente para controle de qualidade geral. Fácil de definir e de medir e útil para detectar variações gerais sobre as características das alturas de uma superfície. Ra somente quantifica a magnitude absoluta das alturas das asperidades. Insensível à distribuição espacial das alturas. Medição de Ra.

29 Topografia de superfície Vários perfis de superfície que tem o mesmo valor de Ra

30 Topografia de superfície Valores de Ra para várias superfícies: Fundição > 10 µm Usinagem de desbaste: 3 10 µm Usinagem de acabamento: 1 3 µm Retífica e polimento: 0,2 1 µm Lapidação: 0,02 0,4 µm

31 Topografia de superfície Rq é o valor r.m.s. da rugosidade raiz quadrada do desvio do perfil da linha média. Rq 2 1 L 0 L y 2 ( x). dx Rq é muito similar ao Ra; Insensível a distribuição espacial das alturas das asperidades; Mais sensível aos picos e vales pois seu valor é levado ao quadrado no cálculo de Rq; Para uma distribuição gaussiana das alturas das asperidades, R q =1,25 R a.

32 Topografia de superfície Descrição de um perfil por um número informação importante sobre a topografia é perdida; Para uma completa descrição da topografia distribuição de probabilidade das alturas da superfície e a distribuição espacial dos picos e vales da superfície.

33 Topografia de superfície Topografia em escala micrométrica - Processos de usinagem como torneamento, fresamento, polimento, entre outros, inevitavelmente induzem a algum grau de rugosidade superficial, que pode ser descrita por uma função z(x,y) que define os defeitos topográficos em um ponto (x,y) como mostrado na figura b e c. a) Analise 3D de uma superfície e seção transversal de um perfil desta superfície; b) perfil de rugosidade da seção transversal (a); c) p(z) é a função de distribuição de alturas, (z) a altura média e (Rt) a altura rugosidade total

34 Estatística para definir uma superfície Para descrever a distribuição de alturas, é considerada a função z(x,y) como um valor aleatório, introduzindo a função densidade de probabilidade p(z): p( z) dz prob z z( x, y) z dz Onde: p( z) dz 1 para p(z) 0 p(z)dz representa a probabilidade que a altura a um ponto coordenado (x,y) esteja entre z e z+dz.

35 Topografia de superfície Skewness (R SK ) Usada para medir a simetria do perfil sobre a linha média - caracteriza a assimetria de p(z) relativo a distribuição Gaussiana. Um perfil da superfície onde a área total de vales é menor que a área total de picos terá uma Sk positiva e no caso oposto Sk será negativa. Pode ser usada para diferenciar superfícies que tem formas diferentes e o mesmo valor de Ra.

36 Skewness Topografia de superfície Coeficiente de assimetria (Sk) de um perfil de rugosidade relativo a um perfil Gaussiano

37 Topografia de superfície Kurtosis - (R KU ) Usado para medir a agudeza (sharpness) do perfil sobre a linha média. caracteriza a forma do pico de p(z) relativo a distribuição Gaussiana. Para Ek menor que 3, o número total de pontos da vizinhança da linha média é maior que aquele para uma distribuição normal. Ao contrário, quando Ek é maior que 3, a maioria dos pontos estão longe da curva média, que resulta num perfil com muitos picos altos. Diferencia superfícies que tem formas diferentes e tem o mesmo valor de Ra

38 Topografia de superfície Coeficiente de pico (Ek) de um perfil de rugosidade relativo a um perfil Gaussiano

39 Topografia de superfície Coeficiente de pico (Ek) de um perfil de rugosidade relativo a um perfil Gaussiano

40 Topografia de superfície Vários outros parâmetros de amplitude: Rp altura máxima dos picos; Rv profundidade máxima dos vales; Rt altura máxima do perfil; Rpm altura média dos picos; Rvm profundidade média dos vales; Outros Em muitas aplicações tribológicas, altura das asperidades mais altas sobre a linha média é um parâmetro importante devido ao dano que pode ser feito na interface por poucas asperidades altas presentes em uma das duas superfícies

41 Parâmetros de Rugosidade Parâmetros de Espaçamento Contagem de picos (Pc) - Definido como o número local de picos, que é projetado sobre uma faixa selecionada localizada acima e abaixo da linha média pela mesma distância. Importante no desempenho de superfícies de atrito, como freios. Cálculo do parâmetro Pc dentro de uma faixa selecionada

42 Parâmetros de Rugosidade Outros Parâmetros de Espaçamento Espaçamento médio de picos adjacentes (S) Cálculo do espaçamento médio de picos locais adjacentes

43 Parâmetros de Rugosidade Outros Parâmetros de Espaçamento Espaçamento médio sobre a linha média (Sm) - Cálculo do espaçamento médio na linha média.

44 Parâmetros de Rugosidade Comprimento de suporte e Curva de razão de suporte Comprimento de suporte Definido como a porcentagem de um material sólido do perfil que está a determinada altura. Curva de razão de suporte Definida como a porcentagem do plano que intercepta material pela profundidade do plano na superfície.

45 Topografia de superfície Curva de suporte de área ou curva de Abbott

46 Técnicas de medição Em geral, a topografia de uma superfície é medida utilizando perfilômetros: a) Contato; b) Sem contato (óptico).

47 Técnicas de medição Método mais comum RUGOSÍMETRO com agulha (stylus) Fina agulha é puxada suave e constantemente sobre uma superfície Resultado: gráfico que representa o deslocamento vertical da agulha em função da distância percorrida ao longo da superfície.

48 Técnicas de medição Faixa de medição (distância entre picos e vales) de um perfilômetro típico: 10 nm a 1 mm

49 Técnicas de medição

50 Técnicas de medição Alumínio jateado com areia Parâmetros de rugosidade da superfície: Ra = 3.1 µm, Rt = 40 µm, Sk = 0.03, Ek = 4.36

51 Técnicas de medição Esquema de um stylus cônico de diamante mostrando o ângulo do cone e o raio de ponta. Distorção de perfil devido a dimensões finitas do stylus

52 Técnicas de medição Micrografia obtida em MEV de um traço feito por uma agulha de rugosímetro mostrando o dano a uma superfície

53 Técnicas de medição Ampliação Ampliação y x Anamorfose a) Perfil de uma superfície real muito ampliada, b) mesma superfície com ampliação vertical 5 vezes maior e c) 50:1

54 Técnicas de medição Inclinações das superfícies aparecem muito mais íngremes do elas realmente são, raramente ultrapassam 10 ; Limitações da forma da agulha (diamante) - resistência; Todas agulhas produzem alguma distorção da superfície devido às suas dimensões; Outra fonte de erros é a carga sobre a agulha que pode distorcer ou danificar a superfície; Métodos óticos (sem contato) gravam o perfil da superfície sem distorção ou dano (interferômetro ótico).

55 Técnicas de medição Sistemas ópticos Princípio do microscópio confocal

56 Técnicas de medição Sistemas ópticos Catálogo Taylor-Robson - Talysurf CCI Optical Profiling System

57 Técnicas de medição Impressão de um indentador esférico de óxido de alumínio sobre uma superfície de cobre

58 Técnicas de medição Outros métodos: Microscópio de força atômica AFM Microscópio de tunelamento Materiais metálicos e semicondutores; Resolução de Angstrons;

59 Técnicas de medição Microscópio de tunelamento O princípio de operação do microscópio de tunelamento é baseado na medição da corrente elétrica que surge devido ao tunelamento (efeito túnel) entre um uma fina sonda (probe) e a superfície da amostra quando estão separadas por uma distância de poucos angströms (0,3 1 nm), e sujeitas a uma diferença de potencial de poucas dezenas de milivolts (10 mv to 1 V). Os probes usados são geralmente feitos de tungstênio ou de platina-irídio e tem um raio de curvatura de poucos nanometros.

60 Técnicas de medição Microscópio de tunelamento Princípio do microscópio de tunelamento

61 Técnicas de medição Microscópio de tunelamento Com o movimento da sonda sobre a superfície, um sistema de controle eletrônico mede a corrente de tunelamento e aproxima ou afasta a ponta da sonda da superfície para garantir uma intensidade de corrente constante. Gravando as variações da distância entre a sonda e a superfície em função das coordenadas dos pontos escaneados é obtida uma representação 3D em escala atômica da topografia da superfície.

62 Técnicas de medição Microscópio de tunelamento Superfície de uma amostra de silício Si (111): os átomos de silício aparecem claramente na figura.

63 Técnicas de medição Microscópio de força atômica AFM Este microscópio é sensível a forças resultantes de interações entre a superfície um uma fina sonda (probe) fixada na ponta de um cantilever (placa de mola helicoidal) com uma baixa constante (0,1 10 N.m 1 ). Quando sujeita a estas forças (com intensidade na faixa de N) o cantilever é sujeito a uma deflexão de poucas dezenas de nanometros que é gravado pela medição da variação da deflexão de um feixe de laser na extremidade do cantilever.

64 Técnicas de medição Microscópio de força atômica AFM Microscópio de Força Atômica (AFM).

65 Técnicas de medição Microscópio de força atômica AFM Imagem de um revestimento de cobre depositado sobre silício por magnetron sputtering reativo, obtido por Microscopia de Força Atômica.

66 Técnicas de medição QUANTIFICANDO RUGOSIDADE SUPERFICIAL Necessário diferenciar elementos que compõe a superfície

67 Técnicas de medição Rugosidade superfície irregularidades de pequena escala de uma Erro de forma medida do desvio da forma ideal planejada (ex.: plana, cilíndrica, esférica). (distinção entre rugosidade e erro de forma é arbitrária) Ondulação ondulação periódica da superfície em escala intermediária entre rugosidade e erro de forma. Rugosímetros possuem filtros para eliminar irregularidades mecânicos ex.: patim eletrônicos ex.: rotinas cut-off

68 Técnicas de medição Perfil efetivo, obtido com impressora de rugosím. (sem filtrar ondulações) Perfil de rugosidade (após filtro de ondulação) Gráficos gerados fornecem maioria da informação necessária para descrever as superfícies ao longo de uma mesma direção, porém, não fornecem informação simples e facilmente interpretada. Valores numéricos que representam a superfície Mais comum Ra (Roughness average) rugosidade média (µm)

69 Técnicas de medição Rugosímetro informação bidimensional da superfície (muitos tipos de acabamento são direcionais, ex.: torneamento, fresamento, retífica, etc.) Medida feita na direção das marcas de usinagem valor máximo da rugosidade da superfície (não fornece informações em direções paralelas às marcas de usinagem)

70 Técnicas de medição (a) Aço - retificado (b) Aço shot-blasted (c) Torneado com diamante

71 Técnicas de medição

72 Topografia de superfície Linha média - é a linha paralela à direção geral do perfil, no comprimento da amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreendidas entre ela e o perfil efetivo, seja igual à soma das áreas inferiores, no comprimento da amostragem (le) Perfil de uma superfície utilizado para calcular o valor de Ra.