Triboloji ve Yüzey Pürüzlülüğü Analizi

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: • Malzemelerin yüzey davranışları çok önemlidir. • Korozyon problemleri özel yüzey işlemleriyle giderilebilir. • Camların optik davranışları yüzey kaplama işlemleriyle geliştirilebilir. • Yüzey işlemleri, ilaç yapımında ya da vücut bileşenlerinin implantasyonunda kullanılabiliyor. • Otomobil egsozlarındazararlı gazların zararsız hale getirilmesinde yüzey özellikleri kullanılıyor.

5. Yüzey: Yüzey, en dış katmandaki atomların çevre ile (katı,sıvı,gaz) etkileşime giren kısmıdır. Yüzey diye tanımlanan bölümün en hassas kısmı 2-10 atomik ya da moleküler katmandır. Genel olarak yüzey 100 nm kalınlığın altındaki katman olarak tanımlanıyor. Katı yüzeyler;yüzey hazırlama yöntemi ve katı yüzeyin doğasına bağlı olarak kompleks yapı ve özelliklere sahiptir. 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. 1 mm2 lik tek katmanda yaklaşık 1013 atom vardır.

6. “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.

7. 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

8. SÜRTÜNME 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

9. SÜRTÜNME Atalarımızın keşfettiği İki önemli icat 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.

10. 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 GuillaumeAmontons (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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

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

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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

23. Abresiv Aşınma AdhesivAşınma Yorulma Aşınması Darbeli Aşınması Kimyasal Aşınma Delaminasyon Aşınması

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

25. DLC FİLMLERİN SÜRTÜNME VE Ra İLİŞKİSİ

26. 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

27. 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.

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

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

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

31. Rt , Rv , Rp : bu 3 önemli parametre bir contaya zararlı 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

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

33. 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.

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