بخش 5.2

رفتار مواد در تماس‌های تریبولوژیکی به طیف وسیعی از پارامترهای مختلف آزمون بستگی دارد. زمانی که اندازه تماس به کمتر از مقیاس ماکرو کاهش پیدا کند، در تأثیر عوامل مختلف تغییر ایجاد می‌شود (به عنوان مثال عواملی از قبیل نیروهای موئینگی مربوط به حضور مایعات در تماس تریبولوژیکی) اهمیت زیادی پیدا می‌کنند.

پارامترهایی که باید بطور متداول در یک آزمون درنظر گرفته شوند شامل موارد زیر می‌باشند:

– شکل هندسی تماس

– بار اعمال شده

– نوع حرکت

– سرعت نسبی

– صلبیت² سامانه آزمون

– مواد فصل مشترک³

– ماده بدنه پروب

– ماده مورد آزمون⁴ (نمونه)

– تمیزی سطح

1-Extensometry
2-Stiffness
3-Interface materials
4- Counterbody material

– ناهمواری و زبری سطح

– محیط

این پارامترهای مختلف آزمون در ادامه این بحث، توضیح داده می‌شوند.

یک عامل بسیار مهم شکل هندسی تماس است. غالباً تماس میان یک پروب شکل‌دار و یک نمونه مسطح وجود دارد. این روش معمولاً به استفاده از دو نمونه مسطح ترجیح داده می‌شود زیرا دستیابی به یک تراز مناسب نمونه‌های مسطح مشکل است. تنش‌های تماس ایجاد شده در نمونه‌ها شدیداً وابسته به شکل آن‌هاست، بنابراین مهم است که شکل سوزن پروب قبل از شروع آزمون‌ها به درستی مشخصه‌یابی شود. در برخی از موارد هر دو نمونه ممکن است شکل‌دار باشند، همانند شکل هندسی که قبلاً بطور متداول در دستگاه‌های اندازه‌گیری نیروی سطحی مورد استفاده قرار گرفته است و در آن دو نمونه استوانه‌ای شکل با هم در تماس قرار می‌گیرند.

مشخصه‌یابی شکل سوزن معمولاً از طریق روش‌های میکروسکوپی مختلف از قبیل میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)¹ و AFM انجام می‌شود. میکروسکوپی نوری برای ارزیابی شکل کلی سوزن و کیفیت آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از میکروسکوپ‌های نوری براساس روش‌های هم‌کانونی یا تغییرپذیری کانون کار می‌کنند، توانایی سنجش ارتفاعی با توان تفکیک۱۰ nm یا بیشتر را دارند اما دقت تفکیک‌پذیری جانبی محدود به حدود۱۵۰ nm است میکروسکوپ الکترونی روبشی را می‌توان به نحوی بسیار مؤثر مورد استفاده قرار داد اما باید اطمینان حاصل کرد که راستای پروب به صورت بهینه برای اندازه‌گیری شکل قرار دارد. این نکته نیز مهم است که پروب را از چندین زاویه متفاوت مورد بررسی قرار داد زیرا تصویر ایجاد شده با SEM دوبعدی می‌باشد.

برای پروب‌های بسیار ریز می‌توان میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM)² را مورد استفاده قرار داد.

شاید بهترین روش برای ارزیابی شکل پروب استفاده از AFM به منظور اندازه‌گیری شکل سوزن باشد. این روش هم در ارتفاع و هم در راستای جانبی توان تفکیک مناسبی دارد و اطلاعات به‌دست آمده را می‌توان به سادگی پردازش نمود تا اینکه تجزیه و تحلیل مناسبی از انحراف شکل نوک سوزن از شکل مورد نظر به‌دست آید. با این وجود احتیاط در مورد کالیبراسیون و کنترل خود AFM به منظور حذف یا کاهش خصوصیات غیرخطی و حلقه پسماند روش در حرکت روبش AFM لازم است و هم چنین کالیبراسیون شکل سوزن AFM می‌تواند خود یک مسئله مهم باشد.

1-Scanning electron microscopy
2-Transmission electron microscopy

همچنین شکل سوزن را می‌توان از طریق تورفتن آن درون مواد مرجعی که شکل تورفتگی آن‌ها مشخص است ارزیابی کرد. شکل تورفتن¹ را می‌توان اندازه‌گیری کرد یا شکل سوزن را می‌توان از طریق رفتار تورفتگی مشخص ماده مرجع محاسبه کرد.

معمولاً سوزن به شکل‌های کروی، مخروطی و هرمی شکل مانند وسیله ایجاد تورفتگی برکویچ² می‌باشد. وسیله تورفتگی ویکرز³ به دلیل پتانسیل در راس گوه⁴ و به‌علت شکل چهار سویه، توصیه نمی‌شود. گوی‌ها را می‌توان برای آزمون‌های با تماس غلتشی مورد استفاده قرارداد اما باید در مورد حرکت آزادانه گوی‌های کوچک مورد استفاده در این آزمون‌ها دقت نمود.

غالباً پروب‌های الماس به‌علت در دسترس بودن و عدم ایجاد تغییر شکل در آن‌ها در تماس با مواد آزمون، مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آن جایی که بهتر است از موادی استفاده نمود که در کاربرد نهایی مناسب‌تر باشند استفاده از پروب‌های الماس باید بطور دقیق در نظر گرفته شود. تغییر شکل قابل ملاحظه می‌تواند در پروب‌های الماس نیز رخ دهد (به بند۵-۲-۸ رجوع کنید).

میزان بار اعمالی میان پروب و سطح آزمون تأثیر زیادی بر بزرگی اصطکاک و سایش مشاهده شده دارد. معمولاً با افزایش بار اعمال شده سایش نیز بیشتر خواهدشد، اما اگر تغییری در سازوکار رخ دهد، این نتیجه‌گیری همیشه هم درست نیست. به‌ویژه در مورد بارهای کوچک، رابطه معمولی که در آن نیروی اصطکاک باید متناسب با بار اعمال شده باشد (قانون آمونتون) لزوماً قابل اجرا نیست و این به دلیل تأثیر پدیده‌هایی نظیر کشش سطحی هر نوع آب جذبی است که می‌تواند در مقیاس‌های کوچک بر رفتار مواد تأثیر بگذارد.

معمولاً از بار ثابت در این گونه آزمون‌ها استفاده می‌شود، اما در سامانه‌هایی که بار در حین انجام آزمون متغیر است، از سایر روش‌های اعمال بارهای فزاینده تدریجی یا بارهای پلکانی می‌توان استفاده کرد.

نوع حرکتی که به‌کاربرده می‌شود نیز تأثیر زیادی بر سایش و اصطکاک ایجاد شده دارد. انواع متداول حرکت عبارتند از: حرکت متناوب، که در آن پروب در همان مسیر نمونه به عقب و جلو حرکت می‌کند، حرکت دایره‌ای هم‌محور، که در آن نمونه سطح تماس با پروب چرخانده می‌شود و آزمون تهیه تصویر⁵ که در آن پروب در تصویری روی سطح نمونه حرکت داده می‌شود. یک مورد ازتفاوت‌های بین این نوع حرکت‌های متفاوت این است که آن‌ها میزان خارج شدن باقی‌مانده‌های⁶ تولید شده در فرایندهای سایش در حوزه تماس را تحت تأثیر قرار

1- Indentation
2- Berkovitch indenter
3- Vickers indenter
4- Wedge
5- Raster
6- Debris

می‌دهند. در لغزش تک محوری، باقی‌مانده‌ها غالباً از حوزه تماس زدوده می‌شوند. اگر باقی‌مانده‌ها در محل تماس باقی بمانند می‌تواند جسم سومی ایجاد کند که باعث جدا کردن پروب از نمونه شده و اصطکاک و سایش‌هایی را که ممکن است رخ دهد، بیشتر تحت تأثیر قرار دهد.

یک اثر مهم دیگر به خود اندازه حرکت بستگی دارد، اگر یک حرکت کوچک رخ دهد به نحوی که قسمت زیادی از سطح در حوزه تماس، در حین حرکت در تماس باقی بماند، باقی‌مانده‌ها در قسمت تماس به دام انداخته می‌شود و در مقایسه با موردی که در آن سطح از تماس با هم خارج می‌شوند سازوکارهای مختلفی را ایجاد می‌کند.

توجه به اندازه حرکت نیز مهم است. این مسئله باید همیشه با درنظر گرفتن اندازه حرکت مورد تجربه در کاربرد مشخص شود. با کاهش اندازه حرکت، به حداقل رساندن عکس‌العمل شدید در حرکت اهمیت بسیاری پیدا می‌کند. برای حرکت‌های بسیار کوچک با اندازه قابل مقایسه با مقیاس اندازه تماس، حالت تماسی تغییر پیدا می‌کند و از تماس سایشی لغزشی به حالت تماس خوردگی¹ تبدیل می‌شود و سازوکارهای آسیب و تغییر شکل نیز به گونه‌ای دیگر خواهد بود.

سرعت نسبی میان پروب و نمونه نیز می‌تواند اندازه سایش و اصطکاکی را که ایجاد می‌شود، تحت تأثیر قرار دهد.

در حرکت متناوب، نیمرخ‌های متفاوتی وجود دارد، مانند موج سینوسی، موج مثلثی و موج مربعی، که برای سرعت می‌توان در نظر گرفت.

هم زمان با افزایش سرعت، گرمای ایجاد شده در سطح تماس نیز به احتمال زیاد افزایش پیدا می‌کند زیرا توان تلف شده در سطح تماس با رابطه زیر نشان داده می‌شود:

که در آن:

μ ضریب اصطکاک جنبشی

N بار عمودی بکار برده شده

v سرعت نسبی

اگر تغییر شکل ایجاد شده در سایش وابسته به سرعت باشد (برای مثال مانند رفتار ویسکوالاستیک مایعات)، تغییر سرعت می‌تواند فرآیندهای سایش را که به وقوع می‌پیوندند، تحت تأثیر قرار دهد.

1- Fretting mode contact

صلبیت و لختی اجسام سامانه آزمون می‌تواند تأثیر مهمی بر اندازه بزرگی اصطکاک و سایش در آزمون داشته باشد. صلبیت می‌تواند نتایج را به دو صورت تحت تأثیر قرار دهد. اگر نیرویی که بر نمونه وارد شده از طریق جسم انعطاف‌پذیر سامانه ایجاد شده باشد، هر نوع عدم دقت در صفحه حرکت به نحوی که پروب موازی با سطح حرکت نکند، بار اعمال شده گرایشی را ایجاد می‌کند که به دلیل بار متغیر ایجاد شده در جسم انعطاف‌پذیر در سازوکار اعمال بار، متغیر است. در محلی که سطح نمونه مسطح نیست، اجسام فنری(جهشی) در سازوکار سامانه اعمال بار می‌توانند بارهای متغیری را ایجاد کنند که سایش را تحت تأثیر قرار دهند. در بدترین حالت، سطوحی که زبر هستند می‌توانند در اجسام مکانیکی سامانه اعمال بار را تشدید کنند و بارهای زیادی را به‌وجود آورند که می‌تواند آسیب زیادی را به سطح وارد کند.

اجسام لخت مانند جرم‌های موجود در سامانه می‌توانند اثرات مشابهی را ایجاد کنند. اندازه‌گیری تشدید سامانه آزمون با وجود نمونه‌ها و بدون وجود آن‌ها را می‌توان انجام داد تا پاسخ ارتعاشی سامانه آزمون را اندازه‌گیری کرد. ارتعاش سامانه آزمون در حین یک آزمون از طریق حرکت پروب برروی نمونه القا می‌شود. ارتعاش غالباً همزمان با سرعت نسبی آزمون افزایش می‌یابد. این نکته حائز اهمیت است که فرکانس ارتعاش القا شده دور از فرکانس تشدید سامانه آزمون نگه داشته شود تا اثرات ناخواسته به‌وسیله ارتعاش به‌وجود آمده را به حداقل برساند.

حضور هر نوع مواد فصل مشترک در محل تماس میان پروب و نمونه، سایش و اصطکاک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. با کوچک‌تر شدن ابعاد محل تماس، اهمیت این اثر نیز افزایش پیدا می‌کند و این زمانی است که تأثیر آب یا سایر آلوده‌کننده‌های تماسی بیشتر شود و مقیاس محل تماس کوچک‌تر شود.

مواد تشکیل دهنده دو سطح، نه تنها به‌دلیل برهم کنش‌هایی که می‌تواند میان مواد پروب و نمونه رخ دهد، بلکه به‌دلیل برهم کنش‌های احتمالی میان مواد نمونه با محیط احاطه‌کننده و یا هر نوع ماده اضافی موجود در محل تماس حائز اهمیت است.

مواد به‌علت خصوصیات فیزیکی از قبیل هدایت حرارتی اهمیت دارند، این موضوع می‌تواند تأثیر مهمی بر پراکندگی انرژی اصطکاک ایجاد شده در محل تماس داشته باشد. وضعیت متالوژیکی مواد ازقبیل عملیات حرارتی، جهت‌گیری ساختار بلوری و یا چگونگی کار سختی آن‌ها باید درنظر گرفته شود.

این نکته را باید مورد تأکید قرار داد که هم ماده پروب و هم ماده خود نمونه باید درنظر گرفته شوند. غالباً مجموعه‌ای از آزمون‌ها با یک پروب یکسان انجام می‌شود اما باید توجه داشت ماده پروب به‌عنوان بخشی از سامانه تریبولوژیکی درنظر گرفته شود.

دمای نمونه‌های آزمون باید ثابت نگه‌داشته شده و یا اینکه حداقل در طول آزمون پایش شود. در مورد آزمون‌هایی که تحت شرایط محیطی انجام می‌شوند معمولاً دانستن دمای محیط آزمون کفایت می‌کند زیرا گرمای تولید شده در این گونه آزمون‌ها معمولاً بسیار کم است و تأثیر زیادی بر دمای کلی نمونه ندارد. با این وجود، دمای موضعی در خود محل تماس ممکن است زیاد باشد، این مسئله به‌ویژه در مورد نقاط تماس با مقیاس نانو درست است. روش‌های کمی برای پایش دماهای ایجاد شده در این تماس‌ها وجود دارد.

در مورد سامانه‌های آزمون با سامانه‌های گرم کننده یا خنک کننده، دمای کلی در هر دو نمونه باید تحت کنترل قرار گیرد به نحوی که دمای نمونه همواره تحت کنترل قرار داشته وبه مقادیر مطلوب برسد.

در مورد تماس‌های با مقیاس کوچک این نکته مهم است که وضعیت سطح به خوبی مورد کنترل قرار گیرد تا این اطمینان حاصل شود که احتمال حضور آلوده‌کننده‌های سطحی از قبیل آب و چربی کاهش یابد. روش‌های مناسب جابجایی نمونه از قبیل استفاده از دستکش‌های تمیز و شستشوی نمونه با حلال‌های با درجه خلوص بالا به منظور حذف آلاینده‌ها باید مورد استفاده قرار گیرد.

باید توجه داشت که بسیاری از مواد از قبیل پلیمرها نسبت به حلال‌ها حساس هستند و یا این که می‌توانند در آن‌ها حل شوند. در این صورت باید از روش پاک‌کنندگی مناسب دیگری استفاده کرد.

زبری سطحی، نتایج بدست آمده از طریق صلبیت و اثرات لختی را آن‌گونه که قبلاً عنوان شد، تحت تأثیر قرار می‌دهد. بسیار مشکل است که با وجود ناهمواری سطحی بیشتر از مقیاس آسیب ایجاد شده به‌وسیله آزمون بتوان به نتایج قابل اعتمادی دست یافت. بنابراین این مهم است که سطح نمونه به گونه‌ای آماده شود که صاف باشد.

باید شرایط محیط آزمون، کنترل شود و یا حداقل به‌گونه‌ای اندازه‌گیری شود که این شرایط مجدداً قابل باز تولید باشد. آزمون‌ها ممکن است در هوا، در سایر گازها یا در خلأ و یا در مایعات انجام شوند.

خالص بودن گازها یا مایعات مورد استفاده باید مورد بررسی قرار گیرد، زیرا آلاینده‌ها، حتی در غلظت‌های پایین، می‌توانند تأثیر مهمی داشته باشند.

رطوبت تأثیر مهمی بر نتایج آزمون‌ها دارد و تأثیر آن همزمان با کاهش مقیاس آزمون، افزایش می‌یابد. این مسئله ناشی از احتمال جذب سطحی آب یا حتی میعان در رطوبت‌های بالا در سطح تماس است. بنابراین سنجش رطوبت هوا یا گاز در محیط احاطه‌کننده آزمون مهم است و کنترل رطوبت به همراه توانایی ایجاد تغییر در رطوبت برای بررسی تأثیر آن بر نتایج بسیار حائز اهمیت است.