Динамические характеристики и наношероховатость трущихся поверхностей

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И НАНОШЕРОХОВАТОСТЬ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В.С. Бураков, С.Ю. Керпелева Научные руководители - доктор технических наук, профессор В.М. Мусалимов, доктор физико-математических наук, профессор А.О. Голубок

В работе представлена попытка корреляции амплитудно-частотных и фазово-частотных динамических характеристик и нанорельефа поверхности на примере стали 30.

Введение

Цель работы состоит в исследовании динамики фрикционного взаимодействия исследуемых образцов и установлении корреляции между эволюцией динамических характеристик и эволюцией наношерховатости.

За последние годы в исследовательских лабораториях были разработаны высокоточные трибометры, снабженные чувствительной и анализирующей аппаратурой. Одним из таких трибометров является прибор «Трибал 2», снабженный соответствующим программным обеспечением. Он позволяет максимально точно получить данные по динамике фрикционного взаимодействия, а использование пакетов идентификации MATLAB позволяет произвести идентификацию динамики процесса изнашивания [1].

Нанорельеф исследуемых образцов был получен с помощью сканирующего зон-дового микроскопа «NanoEducator».

Теоретическая часть

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) - это прибор, позволяющий исследовать структуру и физико-химические свойства поверхностей материалов от микронного до атомарного уровней пространственного разрешения [2]. Это стало возможным, с одной стороны, благодаря развитию аппаратных средств и программного обеспечения, а с другой - благодаря созданию прецизионных датчиков локального взаимодействия.

Рис. 1. Типичная схема сканирующего зондового микроскопа: 1 - компьютерная система управления движением сканирующего устройства, сбора,

визуализации и анализа данных; 2 - система обратной связи для контроля за вертикальным движением сканирующего устройства; 3 - датчик положения зонда; 4 - система грубого подвода и позиционирования зонда; 5 - зонд; 6 - трехкоординатный пьезосканер, перемещающее образец под иглой (иглу над образцом) по растровой схеме

Типичная схема СЗМ представлена на рис. 1. Конкретная конструкция прибора может существенным образом видоизменяться в зависимости от решаемой задачи и условий эксперимента (сверхвысокий вакуум, газовая среда заданного состава, низкие или высокие температуры).В состав СЗМ-комплекса обычно входит компьютер, который управляет работой электромеханической части микроскопа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные, производит на их основе построение СЗМ-изображения и, кроме того, позволяет обрабатывать полученное изображение.

Принцип работы СЗМ заключается в следующем. С помощью системы грубого позиционирования 4 зонд 5 подводится к поверхности исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние менее сотен нанометров зонд начинает взаимодействовать с поверхностью анализируемого объекта. Перемещение зонда вдоль неподвижной поверхности образца или образца относительно неподвижного зонда осуществляется с помощью трехкоординатного пьезосканера 3. Обычно оно представляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных к пьезотрубке напряжений их и иу она изгибается, обеспечивая тем самым перемещение образца относительно зонда по осям X и У, под действием напряжения и - сжимается или растягивается, что позволяет изменять расстояние игла-образец [3].

В полуконтактной моде также применяется модуляционная методика измерения силового взаимодействия. В этом режиме зонд постукивает по поверхности, находясь как в области притяжения, так и в области отталкивания [4].

Так как сканирующий зондовый микроскоп «КапоЕёиса1»г» рассчитан на измерение шероховатости образца с габаритами: диаметр 10 мм и высота максимум 5 мм, то в целях сопряжения двух установок для прибора «Трибал 2» было изготовлено приспособление. Оно состоит из двух образцов диаметром 8 мм и высотой 5 мм и оправки, в которую закрепляются образцы при помощи винтов. Схема приспособления представлена на рис. 2.

1

Рис. 2. 1 - образец, 2 - оправка верх, 3 - оправка низ, 4 - винты

Оправка изготовлена из двух частей и скрепляется винтами. Параллельные соприкасающиеся плоскости изготовлены с особой точностью, чтобы избежать перекосов. Шероховатость образцов задается как Яа 2,5. Материал образца - Ст 30. Материал пластины, работающий в трибопаре с исследуемыми образцами - дюралюминий Д16Т.

При работе на установке «Трибал 2» образцы (сталь 30) устанавливались на нижнюю платформу, а брусок (Д16Т) на верхнюю платформу. Исследовались три пары образцов с одинаковой начальной наношероховатостью, промеренной до установки в «Трибал 2». Были сняты характеристики: 45 мин. - первая пара образцов, 90 мин. -вторая пара образцов, 135 мин. - третья пара образцов. Начальная шероховатость всех пар образцов была одинакова.

На рис. 3-5 представлены полученные в пакете 1ёеП программы МЛТЬЛВ амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики фрикционного взаимодействия. По этим графикам можно отследить изменения, происходящие во время процесса тре-

ния образцов. Изменение значения амплитуды говорит о том, что меняется коэффициент трения трибопары.

Рис. 3. Амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики в момент времени 45 мин

Рис. 4. Амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики в момент времени 90 мин

Рис.5. Амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики в момент времени 135 мин

На рис. 6-8 представлены соответственно периодам работы установки «Трибал 2» сечения нанорельфов образцов, снятые с контактируемых участков трущихся поверхностей образцов.

Рис. 6. Сечение рельефа, трение - 45 минут

Рис. 7. Сечение рельефа, трение - 90 минут

Рис. 8. Сечение рельефа, трение - 135 минут

Из сопоставления рисунков видно, что тенденция изменений динамических характеристик, например, значения амплитуд АЧХ до выхода на резонанс, коррелирует с тенденцией изменения нанорельефа, откуда следует, что данная методика является основой для автоматизации процесса оперативной оценки контроля качества поверхности [5].

Литература

1. Труды Шестой сессий международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем». Часть 2. / Под редакцией д.т.н., проф. В. М. Мусалимова и к.т.н., проф. Б. П. Падуна. СПб: ИПМаш РАН, 2003. 172с.

2. Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехно-логии. // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 21-23.

3. Бухарев А.А., Овчинников Д.В., Бухарева А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор). // Исследования структуры и свойств. Физические методы исследования и контроля. 1996. С. 10-27.

4. Голубок А.О., Керпелева С.Ю. Нанотестер для диагностики микро- и наноструктур. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Исследования в области физики и оптики. 2005. №18. С. 283-287.

5. Мусалимов В.М., Лисицин Ю.В., Трухин М.М. Пути автоматизации контроля качества поверхностей в реальном режиме. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Актуальные проблемы современных оптико-информационных систем и технологий. 2005. № 21. С. 76-79.