Triboloji ve Yüzey Pürüzlülüğü Analizi

... konulu sunumlar: "Triboloji ve Yüzey Pürüzlülüğü Analizi"— Sunum transkripti:

1 Triboloji ve Yüzey Pürüzlülüğü Analizi
Emre ALP

2 İÇERİK YÜZEY TRİBOLOJİ Sürtünme Yüzeylerin Doğası Aşınma Mekanizmaları
YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ ANALİZİ YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ ÖLÇÜM TEKNİKLERİ

3 "God made solids, but surfaces were made by the Devil."
Wolfgang Pauli

4 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.

5 “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.

6 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

7 F = Fa + Fd SÜRTÜNME İki yüzey arasındaki adhezyon
Bir yüzeyin diğer yüzeydeki hareketine karşı DİREÇTİR. F = Fa + Fd İki yüzey arasındaki adhezyon yüzeylerin deformasyonu İyi bir triboloji bilimiyle: İngiltere: 500 milyon ₤/yıl U.S.A.: 16 milyar $/yıl

8 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.

9 Charles-Augustin de Coulomb(1875)
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.

10 Yüzeylerin doğası: 1-Yüzey Topografisi Mikro-pürüzlülük Pürüzlülük
Makrodeviyasyon İdeal Yüzey Dalgalılık 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. 1-Topography: herhangi malzemenin yüzeyi, bütün işlemler bitirildikten sonra herhangi bir malzemenin yüzeyinde atomik boyuttan bütün yüzey boyunca uzanan bir boyutta dalgalanma vardır. Yüzeyler çok dikkatli bir şekilde parlatıldıktan sonra bile hala atomic skalada pürüzlülük var olacaktır. Makrodeviasyon, dalgalılık ve mikro-pürüzlülük ideal yüzeye göre var olacaktır. 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. 3.3.1.:yüzey tekstürü 3-boyutlu yüzeyde tekrarlı ya da rastlantısaldır. Yüzey tekstürü şunları içerir: 1- nano- ya da mikro pürüzlülük: kısa salınımlarıdır. Çukur,tepe genliği ve boyu ile ifade edilir. 2- Dalgalılık : makro pürüzlülük denilen ısıl işlem,mekanik işlemden kaynaklanan daha büyük dalga boyları 3-yönlenme:üretim yönteminden gelen temel yönlenme 4-kusur: çatlak, oyuklaşma,

11 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. Yüzeyde oluşabilen durumların bazıları segregasyon, yeniden yapılanma, kemisorpsiyon ve bileşim biçimi. 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. 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 Biçimi: iki farklı yüzey birbirleriyle temas ettiklerinde ya da tribolojik bir temas olmadığında yüzeyin nemli hava ve oksijen ile reaksiyonundan dolayı hidroksit yada oksit tabaka oluşacaktır. 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. Yüksek vakumda bile yüzeyler tam olarak temiz olamazlar.

12 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.

13 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. 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: iki farklı yüzey birbirleriyle temas ettiklerinde ya da tribolojik bir temas olmadığında yüzeyin nemli hava ve oksijen ile reaksiyonundan dolayı hidroksit yada oksit tabaka oluşacaktır. 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.

14 Sürtünmeye ve aşınmaya bağlı olarak metallerde yüzey mikroyapısı
Yüzeylerin doğası: 3-Yüzey Mikroyapısı Sürtünmeye ve aşınmaya bağlı olarak metallerde yüzey mikroyapısı

15 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.

16 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.

17 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.

18 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. Elektrostatik adsorpsiyon Bu adsorpsiyon türü aslında iyon değiştirme işleminden başka bir şey değildir. Bu olayda çözeltideki bir iyon, adsorbentin yüzeyindeki yüklü sitelerdeki başka bir iyonu yerinden çıkararak oraya bağlanır. Burada etkin olan kuvvet, elektrostatik çekimdir. İyonun yükü ne kadar fazla ise adsorbent yüzeyindeki zıt yüklü siteye o kadar kuvvetle yönlenir.

19 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.

20 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.

21 AŞINMA MEKANİZMALARI Aşınma Mekanizmaları Adhesiv Aşınma
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

22 AdhesivAşınma Abresiv Aşınma Yorulma Aşınması Darbeli Aşınması Kimyasal Aşınma Delaminasyon Aşınması

23 GİRDİ Hız Normal yük Malzeme Yağlayıcı Sıcaklık Geometri Çevre ÇIKTI SÜRTÜNME AŞINMA

24 DLC FİLMLERİN SÜRTÜNME VE Ra İLİŞKİSİ

25 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

26 Ra : ortalama pürüzlülük: Ra, yüzey hakkındaki tüm bilgiyi vermez
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.

27 Rq : aritmetik ortalamanın karekökü (root-mean-square): yüzey profilinin diğer bir integralinden hesaplanır.

28 RZ (DIN): ortalama pürüzlülük derinliği: 5 kademeli ölçüm uzunluğunda herbir maksimum dik mesafenin aritmetik ortalamasıdır.

29 RZ (ISO) On nokta yüksekliği: ölçüm uzunluğu üzerinde en yüksek 5 pik artı en derin 5 çukura olan ortalamasıdır.

30 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

31 R3zi: 3. en yüksek pikten 3. en derin vadiye olan dik uzaklıktır.

32 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.

33 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. 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. Tek-noktada işleme (tornalama-firezeleme-taşlama) genellikle anizotropik ve non-Gaussion yüzeylerdir. Gaussian dağılım yüzey sınıflandırmasının en temel dayanaklarından biridir.

34 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