بخش 6

دو نوع آزمون اصلی وجود دارد که می‌توان انجام داد. نوع اول اندازه‌گیری اصطکاک است که در آن هدف اصلی اندازه‌گیری دقیق اصطکاک میان پروب و نمونه است. نوع دوم آزمون اندازه‌گیری مقدار از دست رفتن مواد از سطح نمونه به‌وسیله فرآیندهای سایش است.

البته آزمون‌های ترکیبی را می‌توان برای انجام هر دو اندازه‌گیری اصطکاک و از دست رفتن مواد به‌صورت همزمان انجام داد.

در این گونه آزمون‌ها هدف اولیه اندازه‌گیری اصطکاک است. سامانه‌های آزمونی که به صورت متداول توانایی اندازه‌گیری اصطکاک را دارا هستند، سنجش‌های اصطکاک را به صورت دیجیتالی ثبت می‌کنند. در این گونه آزمون‌ها ضروری است که خود نیروی اصطکاک ثبت شود زیرا لزوماً از قانون آمونتون تبعیت نمی‌کند، به‌ویژه زمانی که اندازه مقیاس محل تماس کاهش می‌یابد.

اگر در طول آزمون، نوساناتی در بار اعمال شده رخ دهد، ضروری است که اندازه بار اعمال شده نیز ثبت شود. اگر ضریب اصطکاک موردنیاز باشد، محاسبه ضریب اصطکاک از طریق تقسیم کردن اندازه‌های آنی نیروی اصطکاک و بار اعمال شده مفید است. با این وجود اگر این روش انجام شود، باید اطمینان حاصل کرد که داده‌های اندازه هر دو متغیر بطور هم زمان اندازه‌گیری می‌شوند، در غیر اینصورت، خطاهای بزرگی می‌تواند در محاسبه ضریب اصطکاک رخ دهد. نتایج اصطکاک می‌تواند به چندین روش ارائه شود. در مورد آزمون‌های رفت و برگشتی، رسم نمودار اصطکاک بر حسب جابجایی در مسیر تماس، با رسم یک نمودار حلقه‌ای اصطکاک، می‌تواند بسیار سودمند باشد (به شکل الف مراجعه شود). اگر اندازه‌گیری تغییرات زمانی حلقه اصطکاک نیز مورد نیاز باشد، در این صورت نمودار آبشاری روش مناسبی برای ارائه این اطلاعات است(به شکل ب مراجعه شود). نمودار نشانگر رفتار تغییرات میانگین اصطکاک بر حسب زمان یا بر حسب تعداد حلقه‌ها نیز مفید است. باید در مورد محاسبه اصطکاک میانگین دقت کرد. چندین روش متفاوت را در این مورد می‌توان به‌کار برد. یک روش متداول این است که حوزه‌ای از چرخه اصطکاک مشخص کرد، یا یک مجموعه معین از مکان‌های جابجایی یا بطور مثال حوزه۵۰٪ مرکزی چرخه و سپس مقدار میانگین اصطکاک را در این حوزه برای هر حلقه محاسبه نمود. روش دیگر این است که مقدار میانگین اصطکاک برای یک حلقه را از محاسبه انتگرال مساحت حلقه بدست آورد (به شکل پ مراجعه شود).

X / mm: -0.3, -0.2, -0.1, 0.0, 0.1, 0.2, 0.3
Y: -0.2, -0.1, 0.0, 0.1, 0.2

الف– حلقه اصطکاک

راهنما:
x– جابجایی
y– ضریب اصطکاک

X / cm: 0.21, 0.13, 0.05, -0.03, -0.11, -0.19, -0.27
Y: 1, 4, 7, 10
Z: -0.5, 0, 0.5, 1

ب– نمودار آبشاری

راهنما:
x– جابجایی
y– تعداد عبورها
z– ضریب اصطکاک

Analysis | Contact Stiffness | averages
percentage of wear track to analyse: 33.333 %
actual path length: 600 μm
current cycle: 20
elapsed time (s): 77
0.202 average friction coefficient
friction coefficient: -0.40, -0.30, -0.20, -0.10, 0.00, 0.10, 0.20, 0.30, 0.40
stage position(μm): 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600
[ناخوانا] vs. N | [ناخوانا] vs. N | [ناخوانا] vs. N | cycles
friction coefficient: 0.19, 0.20, 0.21, 0.22
cycle number: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20

پ– محاسبه مقدار میانگین اصطکاک حاصل از۵۰٪ مرکزی منحنی اصطکاک و نمودار روند نتایج

شکل۱– نتایج اندازه‌گیری اصطکاک از آزمون‌های میکروتریبولوژی انجام شده برروی یک ویفر سیلیکونی الگودار

در آزمون‌های سایش، از دست رفتن مواد از سطح در زمان حرکت مکرر پروب برروی سطح اندازه‌گیری می‌شود. این کار را می‌توان یا از طریق آزمون‌های زمان واقعی انجام داد که در آن حرکت نقطه‌ای ثابت از پروب به سمت نمونه در طول آزمون پایش می‌شود، یا از طریق اندازه‌گیری آسیب ایجاد شده پس از اتمام آزمون آن را انجام داد. باید توجه داشت که پروب هم ممکن است به‌علت وجود لایه‌های فصل مشترک در طول آزمون سایش از نمونه جدا شود.

پایش موقعیت نسبی پروب نسبت به سطح می‌تواند انجام شود که در عین حال اطلاعات مفید را ارائه می‌دهد، اما باید این نکته مشخص شود که این روش فقط معیاری برای آسیب به هر دو مواد در سطح تماس را ارائه می‌کند، که همان نمونه و پروب می‌باشند. در برخی از مواد، استفاده از پروب به منظور اندازه‌گیری نیمرخ سطح اولیه نمونه امکان پذیر است و این کار از طریق انجام یک روش اولیه از سطح و تحت نیروی کم می‌باشد که به منظور ایجاد خسارت کمتر و یا عدم خسارت به سطح، قبل از شروع آزمون انجام می‌شود. این نیمرخ عرضی آغازین را می‌توان به‌عنوان مرجع اولیه مورد استفاده قرار داد که می‌تواند در اندازه‌گیری‌های بعدی از مکان پروب کاسته شود.

اندازه‌گیری‌های آسیب به نمونه را می‌توان به چند روش انجام داد. تعیین نیمرخ عرضی با استفاده از AFM روش مناسبی برای اندازه‌گیری آسیب است. این روش غالباً از طریق اندازه‌گیری نیمرخ عرضی سایش در راستای عمود بر مسیر حرکت انجام می‌شود. این روش می‌تواند از طریق اندازه‌گیری تعدادی از نقاط در طول مسیر انجام شود (حداقل۳ نقطه توصیه می‌شود). پارامترهایی از قبیل عمق آسیب، پهنای مسیر سایش و مساحت سطح مقطع هر آسیب مهم است. بهتر است ناحیه‌ای از سطح روبش شود و سپس مساحت سطح مقطع میانگین ناحیه را از طریق داده‌های مساحت محاسبه کرد (به شکل۲ مراجعه شود). این روش به‌ویژه برای خراشیدگی‌هایی مفید است که در آن‌ها ریخت شناسی¹ خراشیدگی در طول خراش متغیر است.

میکروسکوپی نوری هم کانون نیز می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. این روش تفکیک پذیری عمق مناسبی دارد (۱۰ nm یاکمتر)، اما باید اطمینان حاصل کرد که این روش، توان تفکیک‌پذیری جانبی کافی برای ارزیابی آسیب سایش را بطور مؤثر دارد. تفکیک پذیری جانبی به‌وسیله طول موج نور محدود می‌شود.

روش دیگر برای سنجش آسیب استفاده از عکس‌برداری به روش استریو SEM است. در این روش دو عکس یا بیشتر با زاویه‌های متفاوت گرفته می‌شود و یک نرم افزار برای محاسبه تصویر سه بعدی آسیب، مورد استفاده قرار می‌گیرد. باید به این نکته توجه داشت که غالباً در کناره‌های مسیرهای سایش برجستگی وجود دارد و ارائه تعریف معین از این لبه‌ها نیازمند دقت است.

1-Morphology

از آن جایی که عمق‌ها و حجم‌های سایش با توجه به یک صفحه مرجع مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرند، این نکته مهم است که مجموعه داده‌های اندازه‌گیری شده به اندازه کافی بزرگ باشند و به خوبی تا اطراف ناحیه آسیب دیده توسعه یابند تا بتوان صفحه مرجع را به صورت دقیق مشخص نمود.

اگر ماده مورد آزمون یک پلیمر یا یک ماده با رفتار معنی دار وابسته به زمان¹ باشد، زمان میان آزمون و اندازه‌گیری سایش باید به صورت دقیق انتخاب و ثبت شود. پس از به‌وجود آمدن آسیب، بعضی از پلیمرها با دمای انتقال شیشه‌ای² (Tg) پایین در محدوده زمانی طولانی پس از آسیب جریان می‌یابند و شکل می‌گیرند.

10 μm

الف– تصویر دوبعدی متعارف

[ناخوانا]
[ناخوانا]
[ناخوانا]

ب– تصویر سه بعدی برجسته

شکل۲– تصویر حاصل از میکروسکوپی الکترونی از یک خراش میکرو تریبولوژی ایجاد شده بر روی یک لایه نازک به ضخامت۳ μm از جنس TIAlN که روی زیرلایه‌ای فولادی پوشش داده شده است. خراش توسط یک وسیله ایجاد تورفتگی الماس به شعاع۱۰ μm و تحت نیروی۵۰ mN کشیده شده است. توجه شود که عمق خراش در حدود۴۰ nm است.