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Instituto de
Materiais
Cerâmicos
PERFILOMETRIATRIBOLOGIA – TOPOGRAFIA DE SUPERFÍCIES. CARACTERIZAÇÃO DE PAVIMENTOS CERÂMICOS
Prof. Dr. Márcio R. F. Soares
Universidade de Caxias do Sul
Área do Conhecimento de Ciências Exatas e Engenharias
18/04/2017
IMC, Bom Princípio, RS
Projeto Pavimentos Tribológicos - SCIT
52/2013
Instituto de
Materiais
Cerâmicos
Sumário
Topografia de Superfícies Natureza das superfícies
Alguns métodos de caracterização de camadas superficiais natureza das superfícies sólidas
Análise Topográfica – rugosidade superficial
Técnicas Topográficas
Interferometria de Luz Branca (WLI)
Caracterização topográfica – perfilometria 3D Pavimentos cerâmicos
Outros materiais
[email protected] Pavimentos Tribológicos - SCIT
52/2013
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Topografia de Superfícies
•Natureza das superfícies sólidas
Superfície Sólida
Tem estrutura e propriedades complexas dependentes da natureza do sólido,
do método de preparação e da interação com o meio.
Funções tribológicas
Tais propriedades de superfície sólida são cruciais na interação
entre superfícies, afetandoÁrea de contato real
Atrito
Desgaste
Lubrificação
Performance
Óptica
Elétrica
Térmica
Aparência
+
+
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Topografia de Superfícies
Método de preparação
Independente do método, a superfície sempre contém irregularidades
ou desvios assumindo diferentes formas geométricas
com alturas que excedem distâncias da
ordem do espaçamento atômico
Nenhum método de usinagem (mesmo preciso) pode produzir uma
superfície molecularmente plana em materiais convencionais
(mesmo as mais suaves)
Além das irregularidades
Superfície consiste de várias zonas
com propriedades físico-químicas
peculiares a do volume do material
Camada de adsorção
(van der Waals, covalentes)
Camada de deformação
(gerada pelo acabamento superficial)
Camada reativa
(óxidos, nitretos, sulfetos...)
Camada gerada por desgaste
B.Bhushan. Modern Tribology Handbook. CRC Press LLC, 2001, Pages 46-78
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Topografia de Superfícies
•Alguns métodos de caracterização de camadas superficiais natureza das superfícies sólidas
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Topografia de Superfícies
•Análise Topográfica – rugosidade superficial
Medido através da
rugosidade superficial.
ABNT NBR 4287-2002
Rugosidade (nano- e microrugosidade)
Direção superficial predominante (estrias)
Ondulações (“macrorugosidades”)
É o desvio repetitivo ou aleatório da
superfície nominal que forma uma
topografia tridimensional na superfície
Funções tribológicas
Performance
Aparência
Afetam:
Função da preparação:
Grinding (corte)
Lapping (lapidação)
Machining (usinagem mecânica)
Polishing (polimento)
....
Imperfeições
Textura superficial
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Rugosidade
(micro e nanorugosidade)
Estrias (marcas de ferramenta)
Ondulações
(macrorugosidade)
Imperfeições
Grandes desvios na forma nominal
em grandes comprimentos de onda
são conhecidos como erro de forma
normalmente não são considerados
parte da textura superficial
Topografia de Superfícies
(sulco, risco, trinca, poro,
recobrimento, erosão pitting...)
B.Bhushan. Modern Tribology Handbook. CRC Press LLC, 2001, Pages 46-78
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Topografia de Superfícies
Imperfeições Não intencionais e inesperadas levando a interrupções na textura
Estrias (ranhuras) Direção do padrão superficial predominante determinada pelo processo de produção
Ondulações Flutuações na superfície em grandes comprimentos de onda (baixa frequência)
Produzidas por imperfeições
na ferramenta, vibrações e
tensões de deformação
RugosidadeFlutuações na superfície em pequenos comprimentos de onda
(alta frequência), caracterizado por máximos e mínimos locais
com amplitudes e espaçamentos variáveis
“Aspereza”Picos em perfis 2D
Topos em mapas 3D
Intrínsecas ao processo de
produção da sup. (corte)
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Topografia de Superfícies
•Parâmetros topográficos
associados a rugosidades
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Topografia de Superfícies
•Rugosidade
Parâmetros S – parâmetros definidos para sistemas verdadeiramente 3D, fornecendo parâmetros
híbridos de distribuição espacial (plano z(x,y)).
Parâmetros R – originalmente desenvolvido para 2D, para aplicações em perfilômetro de ponteira (linha z(x)).
Muitos dos parâmetros foi mais tarde adaptado para 3D, para sistemas verdadeiramente 3D
Parâmetros de amplitude
Relacionados a variações de altura da
superfície relativa a um plano de referência
medidas ao longo
de uma linha
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Bearing area curve (Abbott curve)
vales mais
profundos
picos mais
elevados
“superfície/fração de apoio”
Material ratio [%]
rugosidade
média
análise
estatistica
Funções de distribuição de altura superficial
As distribuições em alturas também podem ser representadas
como uma função distribuição cumulativa P(z)
Topografia de Superfícies
Taylor Hobson - Surface Roughness Measurement Instrument Operator's Handbook
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Rk ,Rpk, Rvk, Mr1 ,Mr2 (DIN 4776)
Parâmetros obtidos a partir da curva de Abbott
Topografia de Superfícies
Taylor Hobson - Surface Roughness Measurement Instrument Operator's Handbook
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N.K Myshkin, A.Ya Grigoriev, S.A Chizhik, K.Y Choi, M.I Petrokovets, Surface roughness and texture analysis in microscale, Wear, Volume 254, Issue 10, July 2003, Pages 1001-1009
Rugosidade em Micro e Nano-escala
Diagrama com parâmetros de altura e espaçamento lateral e
intervalos de resolução para os métodos mais usuais de medida
de rugosidade
•Perfilometria de contato (Stylus)
•Perfilometria de não-contato (Ótica)
•Microscopia eletrônica de varredura (estéreo, fotométrico, ...)
•Microscopia de força atômica
•Microscopia de tunelamento
Técnicas Topográficas
milimétrico
atômico
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Técnicas Topográficas
•Perfilometria de contato (Stylus)
•Perfilometria de não-contato (Ótica)
•Microscopia eletrônica de varredura
•Microscopia de força atômica
•Microscopia de tunelamento
Limitações
- Contato pode danificar a amostra/ponteira; mapeamento 3D lento
- Curvatura da superfície pode não retornar a luz ao detector
- Requer superfície condutora; análise de pequenas áreas
- Contato pode danificar a amostra/ponteira; análise de pequenas áreas
- Requer superfície condutora; análise de pequenas áreas; demorado
Stylus WLI AFM STMSEM
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Técnicas Topográficas
Nas últimas décadas uma variedade de novos métodos para avaliação e análise topográfica têm sido
investigados e desenvolvidos.
- Combinações híbridas
- AFM-Raman
- AFM-IR
AFM vs Chemical mapping of a single nanotube.
300 x 160 nm (100 x 60 points) - Horiba
Blue Scientific
Mapas químico-topográfico
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Técnicas Topográficas
Considerações quanto a escolha do método de análise topográfica!
- Há vários fatores que devem ser considerados quando escolher um método de medida de textura superficial.
•Qual o tipo de superfície que se pretende medir? De um único tipo ou de característica variada?
- Qual a geometria da superfície?
- Qual o tipo de material de superfície pretende medir?
dependendo só por AFM ou SEM
(dura, macia, de característica ótica, magnética, química, etc.)
dependendo da refletividade
método óptico não é possível
ou se for macio o uso de ponteiras
de contato deve ser evitado...•Qual o tamanho do objeto que se quer medir a superfície?
- Da para cortar ou não é possível?algumas técnicas são restritivas quanto ao
tamanho, ex. STM, AFM e até mesmo o SEM.
•Quão rápido se deseja medir uma amostra? técnicas óticas tendem a ser mais rápidas em relação as demais.
muitas vezes necessitam ser preparadas•Que tipo de incerteza de medição você precisa?
a análise da incerteza é complexa para a medição da textura
da superfície•Que características deseja obter?
•Quanto se está disposto a gastar?
Algumas questões devem ser levantadas:
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Interferometria de Luz Branca (WLI)
Equipamento: ContourGT-K
Interferômetro ótico 3D Considerações:
• Imagens 3D obtidas rapidamente (~10s).
• Pode atingir resoluções verticais de 0,1 nm (e laterais de 2,2 mm a 0,5 mm).
• Mapeamento da topografia e rugosidade.
• Combinação de lentes e objetivas (x2,8; x5; x10; x20; x40; x50; x100...).
• Combinação de imagens (stitching) usando o estágio XY motorizado.
• Fonte de luz LED branca e verde (535 nm).
• Altura máxima da amostra (95 mm).
• Máxima curvatura da amostra até 40º para superfícies brilhantes
até 87º para superfícies ásperas
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Caracterização topográfica de pavimentos cerâmicos – perfilometria 3D
Amostras ensaiadas em tribômetro em modo:
- Rotativo (esfera/pino sobre disco)
- Alternado (esfera/pino sobre placa)
Análise em perfilômetro óptico 3D do volume removido e
posterior obtenção de taxa desgaste
Trilha de desgaste
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Caracterização topográfica de pavimentos cerâmicos – perfilometria 3D
0,0 mm
-7,55 mm
Superfície material cerâmico sem ensaio
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Trilhas de desgaste material cerâmico
1,0 cm
0,23 cm
0,0 mm
-230,4 mm
Caracterização topográfica de pavimentos cerâmicos – perfilometria 3D
0,0 mm
-92,42 mm
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Trilha de desgaste material polimérico - PMMA
aumento de 5x
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Superfície material compósito – Pastilha de freio
aumento de 5x
Área: 0.947 mm X 1.262 mm
110,0 mm
-150,0 mm
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Superfície material compósito – Pastilha de freio
16,0 mm
-16,0 mm
Área: 94.4 µm X 126 µm
Aumento de 50X Aumento de 2,8x
combinação de uma objetiva de 5x com uma lente de 0,55x
Área 1,694 mm X 2,258 mm
115,0 mm
-175,0 mm
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Superfície material compósito – Pastilha de freio
superposição dos dados de intensidade com os dados topográficos
Área: 236 µm X 315 µm
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Superfície metálica – Ex. folha de alumínio comercial
aumento de 5X Filtro de Regressão Gaussiana
Determinação dos parâmetros de textura de superfície
separando a rugosidade da ondulação da superfície
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Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D Caracterização topográfica outros materiais – perfilometria 3D
Exemplo de combinação de imagens 357 imagens
combinadas Aumento de 5X em cada imagem
tempo total da medida: 3,5 h
