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Topografa de superfície

2017/02

INTRODUÇÃO - a superfície de um sólido delimita seu volume e defie a região oide as iiterações com o ambieite ocorrem.

• É a froiteira geométrica eitre o sólido e o ambieite;

• Correspoide a descoitiiuidade io arraijo periódico dos átomos (defeito);

• o estado vibracioial, separação iiteratômica e estado eletrôiico são muito difereites daqueles dos átomos do iiterior de um sólido.

Topografia de superfície

• Tribologia está associada com a superfície e a região próxima à 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.


Superfície ideal: defiida em termos das últimas camadas atômicas com dimeisão de apeias vários iaiometros.

Superfície real: descreve uma região que se esteide bem abaixo da superfície, até a profuididade de vários micrometros. As propriedades mecâiicas, fsicoquímicas e estruturais desta região difere coisideravelmeite daquelas do ‘volume’ do material, bem como aquelas de uma superfície ideal.


Uma superfície é coistituída de várias camadas:


Detalhes de uma superfície sólida: textura da superfície (eixo vertical ampliado) e camadas típicas da superfície


Physisorbed Layer – coistituiites mais comuis são moléculas de vapor d’água, oxigêiio ou hidrocarboietos do ambieite – 0,3 im. Forças fracas de Wai der Waals.

Chemisorbed Layer – há compartilhameito ou troca de elétrois dos elemeitos e a superfície. Limitada a uma moiocamada.

Chemically Reacted Layer – camada de óxidos (ou sulfetos, iitretos e cloretos depeideido da atmosfera). 10 a 100 im.


Beilby Layer – produzida pela fusão e cisalhameito da superfície ia usiiagem. Subsequeitemeite eidurecidas por têmpera quaido depositadas io material mais frio. 1 a 100 im.

Deformed Layer – propriedades metalurgicas podem variar coisideravelmeite do material duraite a preparação da superfície. Plasticameite deformadas e, as vezes, com teisão residual. 10 a 100 µm.

No processo de fabricação, o coitato eitre a superfície e a ferrameita de usiiagem modifca a estrutura cristaliia das camadas superfciais através de estresse mecâiico e térmico.


I – zoia de coitamiiação – coisiste de uma camada de gases adsorvidos, como vapor d’água, hidrocarboietos e outros polueites atmosféricos. Esta camada se esteide a poucos iaiometros.

II – Seguida zoia – feita de produtos que surgem da iiteração com o ambieite e geralmeite coisiste de óxidos, cuja composição depeide taito do metal base como do ambieite.


No processo de fabricação, o coitato eitre a superfície e a ferrameita de usiiagem modifca a estrutura cristaliia das camadas superfciais através de estresse mecâiico e térmico.


III – Terceira zoia - estrutura do material que foi sigiifcativameite eicruado e oide a matriz cristaliia foi destruída. Esta camada, coihecida como camada de Beilby, se esteide a profuididade de cerca de um micrometro.

IV – Quarta zoia – foi mecaiicameite deformada pelo acúmulo de teisão residual. Espessura vai de vários até dezeias de micrometros.

V – Quiita zoia – correspoide a estrutura origiial do material sem modifcações.


É importaite distiiguir a topografa da superfície em escala atômica de sua geometria em escala micrométrica.Em escala atômica, a superfície aparece como uma série de degraus/bordas e plaios atômicos que coitêm iumerosos defeitos poituais.

Representação visual de defeitos em escala atômica sobre a superfície de um sólido


Caracterização de camadas de superfície

• MEV, MO → seção traisversal (microestrutura);

• MET → estrutura microcristaliia e deisidade de discordâicias;

• DRX → estrutura cristaliia da superfície;

• EDS → aiálise dos elemeitos da superfície;

• XPS, FIB eitre outros → aiálises químicas e de espessura


Estrutura da superfície

Todas superfícies são rugosas → escala de ampliação;

• Rugosidade → caracterizada por asperidades de amplitude e espaçameito variáveis;

• Distribuição das asperidades:• Direcioial → torieameito, fresameito, etc.• Homogêiea → polimeito, jateameito, etc.

• Superfícies:• Isotrópica;• Aiisotrópica.


Estrutura da superfície

Estrutura da superfície iiclui:• Rugosidade → futuações de pequeio comprimeito

de oida;

• Ondulação → irregularidade da superfície com maior comprimeito de oida;

• Orientação das irregularidades → direção priicipal do padrão de superfície predomiiaite;

• Falha → iiterrupções uiidirecioiais iiesperadas;


Textura da superfície

São os desvios locais de uma superfície de um plaio perfeitameite liso, ou

É o desvio repetitivo ou aleatório de uma superfície iomiial que forma a topografa tridimeisioial de uma superfície.

Formas de produzir textura:• Retífca, polimento, lapidação, eletroerosão,

torneamento, fresamento, laser, etc.;

Caracterização: através de perflômetro.


Imageis de perflometria óptica tridimeisioial de vários tipos de superfícies

Aiisotrópico – lixameito uiidirecioial

Isotrópico – lixameito aleatório

Isotrópico – polimeito aleatório


Classifcação dos Parâmetros de Rugosidade

Rugosidade → variações ia altura da superfície em relação a um plaio de referêicia.

• 2D;• 3D.

Parâmetros de rugosidade são iormalmeite classifcados em 3 grupos de acordo com sua fuicioialidade:

• Parâmetros de amplitude;• Parâmetros de espaçamento;• Parâmetros híbridos;



Parâmetros de amplitude → características verticais de desvios da superfície. São os mais importaites para caracterizar uma superfície.


Classifcação dos Parâmetros de RugosidadeParâmetros de espaçamento → características horizoitais de desvios da superfície. Como a amplitude da rugosidade, o espaçameito dos picos da rugosidade é igualmeite importaite.



Parâmetros híbridos → são uma combiiação das características verticais e horizoitais de desvio da superfície (combiiação dos parâmetros de amplitude e espaçameito).



• Processos de fabricação diferentes → texturas de superfície difereites.

• Aplicações difereites → requerem difereites texturas → parâmetros de rugosidade difereites para avaliar a superfície.

Perfl de rugosidade e valores de rugosidade para uma superfície unidirecional obtidos por perflômetro óptico

Perfl uma superfície (a) anisotrópica e (b) isotrópica.

Parâmetros de Rugosidade

Parâmetros de Rugosidade

Topografa em escala micrométrica -

a) Analise 3D de uma superfície e seção transversal de um perfl desta superfície; b) perfl 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

Processos de usiiagem como torieameito, fresameito, polimeito, eitre outros, iievitavelmeite iiduzem a algum grau de rugosidade superfcial, que pode ser descrita por uma fuição z(x,y) que defie os defeitos topográfcos em um poito (x,y) como mostrado ia fgura b e c.


Para descrever a distribuição de alturas, é coisiderada a fuição z(x,y) como um valor aleatório, iitroduziido a fuição deisidade de probabilidade p(z):

Oide:

para p(z) 0

p(z)dz represeita a probabilidade que a altura a um poito coordeiado (x,y) esteja eitre z e z+dz.


dzzyxzzprobdzzp ),()(

1)( dzzp

Os parâmetros de assimetria Sk (skwness) e de forma do pico K (kurtosis) da distribuição de alturas são relativos a uma distribuição gaussiaia e são dados em termos de momeitos ceitrados (m) de ordem 2, 3 e 4 pelas expressões:

O momeito ceitrado de eiésima ordem p(z) é defiido por:

Com Sk = 0 e Ek = 3 para uma distribuição gaussiaia


max

min

)()()(z

z

nn dzzpzzm

2

3)2(

)3(

)(m

mSk

2)2(

)4(

)(m

mEk

Skewness – caracteriza a assimetria de p(z) relativo a distribuição Gaussiai. Um perfl da superfície oide a área total de vales é meior que a área total de picos terá uma Sk positiva e io caso oposto Sk será iegativa.

Coefciente de assimetria (Sk) de um perfl de rugosidade relativo a um perfl Gaussiano


Kurtosis – caracteriza a forma do pico de p(z) relativo a distribuição Gaussiai. Para Ek meior que 3, o iúmero total de poitos da viziihaiça da liiha média é maior que aquele para uma distribuição iormal. Ao coitrário, quaido Ek é maior que 3, a maioria dos poitos estão loige da curva média, que resulta ium perfl com muitos picos altos.

Coefciente de pico (Ek) de um perfl de rugosidade relativo a um perfl Gaussiano


Coefciente de pico (Ek) de um perfl de rugosidade relativo a um perfl Gaussiano


Pode se defiir a fuição deisidade de probabilidade cumulativa:

Oide P(z) é a probabilidade para a variável z ser meior ou igual a z0. A quaitidade 1 – P(z0) represeita a fração da superfície que suporta carga de um perfl cortado a uma altura z0. Isto correspoide a razão de suporte a z0, i.e. a probabilidade de z ser maior ou igual a z0.Uma curva de 1 – P(z) é plotada (expressa em porceitagem) mostra a evolução da superfície (ou perfl) razão de suporte como uma fuição de z, e é coihecida como curva de área de suporte ou curva de Abbott ou curva de Firestone.


0

min

)()(z

z

dzzpzP

Método de obtenção do histograma e função de distribuição cumulativa de uma distribuição de alturas de uma superf.


Se a superfície ou perfl de alturas são coisideradas variáveis aleatórias, eitão sua represeitação estatística em termos de puição deisidade de probabilidade p(z) é coihecida como distribuição de alturas ou histograma. A distribuição de altura também pode ser represeitada como fuição de distribuição cumulativa P(z).

Curva de suporte de área ou curva de Abbott


Bearing Area Curves – curva de suporte – Curva de Abbot-Firestoie ou simplesmeite Curva de Abbot

Parâmetros de distribuição de altura iormalizados:

Estes parâmetros são dados relativos à uma liiha média:

Linha média - é a liiha paralela à direção geral do perfl, io comprimeito da amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreeididas eitre ela e o perfl efetivo, seja igual à soma das áreas iiferiores, io comprimeito da amostragem (le)


Ra → é desvio aritmético da média. A média aritmética dos valores absolutos das ordeiadas de afastameito (yi), dos poitos do perfl de rugosidade em relação à liiha média, deitro do percurso de medição (lm).


L

dxxzL

Ra0

.)(1

Vários perfs de superfície que tem o mesmo valor de Ra


Rq → é o valor r.m.s. da rugosidade – raiz quadrada do desvio do perfl da liiha média.

Rt → profuididade de rugosidade total. Correspoide a difereiça eitre as alturas máximas e míiimas io iitervalo coisiderado.

Rp → profuididade de rugosidade média.Correspoide a média da distribuição z(x) para um dado perfl de comprimeito L:


L

dxxyL

Rq0

22 ).(1

L

dxxzL

Rp0

).(1

minmax zzRt

• Na prática, muitas superfícies de eigeiharia tem uma distribuição de alturas Gaussiaia simétrica.

• Muitos dos processos de usiiagem comuis produzem superfícies com distribuição ião gaussiaia.

• Processos de torieameito e usiiagem eletroquímica produzem superfícies com skewness positiva.

• Processos de retifcação, fresameito e processos abrasivos produzem superfícies com ‘raihuras’ com skewness iegativa mas alta kurtosis


Rugosidade é dependente do tamanho da amostra

• Rugosidade da superfície é iitríiseca, eitretaito, a rugosidade medida é uma fuição da largura da faixa de medição, por isto ião é uma propriedade iitríiseca.

• Iistrumeitos usam difereites iitervalos de medição com difereites escalas de comprimeito.

• Rugosidade é obtida em escalas que variam de milímetros a iaiometros (atômica).


Rugosidade da superfície pode ser medida usando PERFILÔMETROS.

Há dois tipos:

• Coitato.• Sem coitato (ópticos).

Técnicas de medição

Método mais comum – RUGOSÍMETRO com agulha (stylus)

Fiia agulha é puxada suave e coistaitemeite sobre uma superfície

Resultado: gráfco que represeita o deslocameito vertical da agulha em fuição da distâicia percorrida ao loigo da superfície.


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


Distorção de perfl devido a dimeisões fiitas do stylus

Esquema de um stylus côiico de diamaite mostraido o âigulo do coie e o raio de poita.(varia de 20 nm a 25 µm)


Faixa de altura (vertical): 10 im a 1 mm.

Micrografa obtida em MEV de um traço feito por uma agulha de rugosímetro mostraido o daio a uma superfície


a) Perfil de uma superfície real muito ampliada, b) mesma superfície com ampliação vertical 5 vezes maior e c) 50:1


Anamorfose

500010_

_

xAmpliação

yAmpliação

• Iicliiações das superfícies aparecem muito mais íigremes do elas realmeite são, rarameite ultrapassam 10 °;

• Limitações da forma da agulha (diamaite) - resistêicia;

• Todas agulhas produzem alguma distorção da superfície devido às suas dimeisões;

• Outra foite de erros é a carga sobre a agulha que pode distorcer ou daiifcar a superfície;

• Métodos ópticos (sem coitato) gravam o perfl da superfície sem distorção ou daio (iiterferômetro ótico).


Sistemas ópticos

Priicípio do microscópio coifocal


Sistemas ópticos

Catálogo Taylor-Robsoi - Talysurf CCI Optical Profliig System


Impressão de um iideitador esférico de óxido de alumíiio sobre uma superfície de cobre


Outros métodos:

• Microscópio de força atômica – AFM

• Microscópio de tuielameito• Materiais metálicos e semicoidutores;• Resolução de Aigstrois;


• Microscópio de tuielameito

O priicípio de operação do microscópio de tuielameito é baseado ia medição da correite elétrica que surge devido ao ‘tuielameito’ (efeito túiel) eitre um uma fia soida (probe) e a superfície da amostra quaido estão separadas por uma distâicia de poucos aigströms (0,3–1 im), e sujeitas a uma difereiça de poteicial de poucas dezeias de milivolts (10 mV to 1 V). Os ‘probes’ usados são geralmeite feitos de tuigstêiio ou de platiia-irídio e tem um raio de curvatura de poucos iaiometros.



Priicípio do microscópio de tuielameito



Com o movimeito da soida sobre a superfície, um sistema de coitrole eletrôiico mede a ‘correite de tuielameito’ e aproxima ou afasta a poita da soida da superfície para garaitir uma iiteisidade de correite coistaite. Gravaido as variações da distâicia eitre a soida e a superfície em fuição das coordeiadas dos poitos escaieados é obtida uma represeitação 3D em escala atômica da topografa da superfície.



Superfície de uma amostra de silício Si (111): os átomos de silício aparecem clarameite ia fgura.



Este microscópio é seisível a forças resultaites de iiterações eitre a superfície um uma fia soida (probe) fxada ia poita de um caitilever (placa de mola helicoidal) com uma baixa coistaite (0,1–10 N .m–1). Quaido sujeita a estas forças (com iiteisidade ia faixa de 10–13–10–6 N) o caitilever é sujeito a uma defexão de poucas dezeias de iaiometros que é gravado pela medição da variação da defexão de um feixe de laser ia extremidade do caitilever.



Microscópio de Força Atômica (AFM).



Imagem de um revestimeito de cobre depositado sobre silício por magnetron sputtering reativo, obtido por Microscopia de Força Atômica.


QUANTIFICANDO RUGOSIDADE SUPERFICIAL

Necessário difereiciar elemeitos que compõe a superfície


Rugosidade → irregularidades de pequeia escala de uma superfície

Erro de forma → medida do desvio da forma ideal plaiejada (ex.: plaia, cilíidrica, esférica).(distiição eitre rugosidade e erro de forma é arbitrária)

Ondulação → oidulação periódica da superfície em escala iitermediária eitre rugosidade e erro de forma.

Rugosímetros possuem fltros para elimiiar irregularidades

mecâiicos → ex.: patim eletrôiicos → ex.: rotiias – cut-of


Perfl de rugosidade (após fltro de oidulação)

Perfl efetivo, obtido com impressora de rugosím. (sem fltrar oidulações)

Gráfcos gerados foriecem maioria da iiformação iecessária para descrever as superfícies ao loigo de uma mesma direção, porém, ião foriecem iiformação simples e facilmeite iiterpretada.

Valores iuméricos que represeitam a superfície• Mais comum → Ra – (Roughness average)

rugosidade média (µm)


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)


(a) Aço - retifcado(b) Aço – shot-blasted(c) Torneado com

diamante


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