Шероховатость поверхности можно рассматривать как негладкость поверхности, и, следовательно, она связана с человеческим ( тактильным) восприятием текстуры поверхности. С математической точки зрения это связано с пространственной изменчивостью структуры поверхностей и по своей сути является многомасштабным свойством. Он имеет разные интерпретации и определения в зависимости от рассматриваемых дисциплин.
Шероховатость поверхности , часто сокращаемая до шероховатости , является компонентом отделки поверхности (текстуры поверхности) . Количественно она выражается отклонениями в направлении вектора нормали реальной поверхности от ее идеальной формы. Если эти отклонения велики, поверхность шероховатая; если они маленькие, поверхность гладкая. В метрологии поверхности шероховатость обычно считается высокочастотной коротковолновой составляющей измеряемой поверхности. Однако на практике часто необходимо знать как амплитуду, так и частоту, чтобы убедиться, что поверхность пригодна для определенной цели.
Шероховатость играет важную роль в определении того, как реальный объект будет взаимодействовать с окружающей средой. В трибологии шероховатые поверхности обычно изнашиваются быстрее и имеют более высокие коэффициенты трения , чем гладкие поверхности. Шероховатость часто является хорошим показателем производительности механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать места зарождения трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии . Вообще говоря, вместо дескрипторов, специфичных для масштаба, межмасштабные дескрипторы, такие как фрактальность поверхности , обеспечивают более значимые прогнозы механических взаимодействий на поверхностях, включая контактную жесткость [1] и статическое трение . [2]
Хотя высокое значение шероховатости часто нежелательно, контролировать его в производстве может быть сложно и дорого . Например, сложно и дорого контролировать шероховатость поверхности деталей, изготовленных методом наплавленного моделирования (FDM). [3] Уменьшение шероховатости поверхности обычно увеличивает стоимость ее производства. Это часто приводит к компромиссу между стоимостью производства компонента и его эксплуатационными характеристиками.
Шероховатость можно измерить путем ручного сравнения с «компаратором шероховатости поверхности» (образцом известной шероховатости поверхности), но в более общем случае измерение профиля поверхности выполняется с помощью профилометра . Они могут быть контактными (обычно алмазная игла) или оптическими (например, интерферометр белого света или лазерный сканирующий конфокальный микроскоп ).
Однако контролируемая шероховатость часто может быть желательной. Например, глянцевая поверхность может быть слишком блестящей для глаз и слишком скользкой для пальца (хорошим примером является сенсорная панель), поэтому требуется контролируемая шероховатость. Это тот случай, когда очень важны как амплитуда, так и частота.
Значение шероховатости можно рассчитать либо по профилю (линии), либо по поверхности (площади). Параметр шероховатости профиля ( , , ...) встречается чаще. Параметры шероховатости области ( , , ...) дают более значимые значения.
Параметры шероховатости профиля включены в британский стандарт BS EN ISO 4287:2000, идентичный стандарту ISO 4287:1997. [5] Стандарт основан на системе ″M″ (средняя линия). Используется множество различных параметров шероховатости, но он, безусловно, является наиболее распространенным, хотя часто это происходит по историческим причинам, а не по каким-либо особым достоинствам, поскольку первые измерители шероховатости могли измерять только 0,000 мм . Другие общие параметры включают , и . Некоторые параметры используются только в определенных отраслях или в определенных странах. Например, семейство параметров используется в основном для накладок цилиндров, а параметры Motif используются преимущественно во французской автомобильной промышленности. [6] Метод MOTIF обеспечивает графическую оценку профиля поверхности без фильтрации волнистости и шероховатости. Мотив состоит из части профиля между двумя пиками, и окончательные комбинации этих мотивов устраняют ″незначимые″ пики и сохраняют ″значительные″ . Обратите внимание, что это единица измерения, которая может быть микрометром или микродюймом.
Поскольку эти параметры сводят всю информацию в профиле к одному числу, необходимо проявлять большую осторожность при их применении и интерпретации. Небольшие изменения в том, как фильтруются необработанные данные профиля, как рассчитывается средняя линия и в физике измерения, могут сильно повлиять на вычисляемый параметр. С помощью современного цифрового оборудования можно оценить сканирование, чтобы убедиться в отсутствии явных сбоев, искажающих значения.
Поскольку для многих пользователей может быть неочевидно, что на самом деле означает каждое из измерений, инструмент моделирования позволяет пользователю настраивать ключевые параметры, визуализируя, как поверхности, которые явно отличаются от человеческого глаза, различаются в результате измерений. Например, он не может различить две поверхности, одна из которых состоит из пиков на гладкой поверхности, а другая состоит из впадин одинаковой амплитуды. Такие инструменты можно найти в формате приложения. [7]
По соглашению каждый параметр 2D-шероховатости представляет собой заглавную букву, за которой следуют дополнительные символы в нижнем индексе. Нижний индекс идентифицирует использованную формулу и означает, что формула была применена к 2D-профилю шероховатости. Разные заглавные буквы означают, что формула применялась к другому профилю. Например, — среднее арифметическое профиля шероховатости, — среднее арифметическое нефильтрованного необработанного профиля и — среднее арифметическое трехмерной шероховатости.
Каждая из формул, перечисленных в таблицах, предполагает, что профиль шероховатости был отфильтрован из необработанных данных профиля и рассчитана средняя линия. Профиль шероховатости содержит упорядоченные, равномерно расположенные точки вдоль трассы и представляет собой расстояние по вертикали от средней линии до точки данных. Предполагается, что высота положительна в направлении вверх, в направлении от сыпучего материала.
Амплитудные параметры характеризуют поверхность на основе вертикальных отклонений профиля шероховатости от средней линии. Многие из них тесно связаны с параметрами, встречающимися в статистике для характеристики выборок населения. Например, является ли среднее арифметическое значение отфильтрованного профиля шероховатости, определяемым из отклонений относительно центральной линии в пределах длины оценки, и является ли диапазон собранных точек данных шероховатости.
Среднеарифметическая шероховатость является наиболее широко используемым одномерным параметром шероховатости.
Вот общая таблица преобразования с номерами классов шероховатости:
Параметры уклона описывают характеристики наклона профиля шероховатости. Параметры интервала и подсчета описывают, как часто профиль пересекает определенные пороговые значения. Эти параметры часто используются для описания повторяющихся профилей шероховатости, например, получаемых на токарном станке .
Другими «частотными» параметрами являются S m , a и q . S m — среднее расстояние между пиками. Как и в случае с настоящими горами, важно определить «вершину». Для S m поверхность должна была опуститься ниже средней поверхности, прежде чем снова подняться до нового пика. Средняя длина волны a и среднеквадратическая длина волны q получаются из a . При попытке понять поверхность, которая зависит как от амплитуды, так и от частоты, неясно, какая пара показателей оптимально описывает баланс, поэтому можно выполнить статистический анализ пар измерений (например: R z и a или Ra и Sm). найти наиболее сильную корреляцию.
Общие преобразования:
Эти параметры основаны на кривой коэффициента подшипника (также известной как кривая Эбботта-Файерстоуна). Сюда входит семейство параметров Rk.
Математик Бенуа Мандельброт указал на связь между шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью . [10] Описание, обеспечиваемое фракталом на уровне микрошероховатостей, может позволить контролировать свойства материала и тип образующегося скола. Но фракталы не могут обеспечить полномасштабное представление типичной обработанной поверхности, на которую влияют отметки подачи инструмента; он игнорирует геометрию режущей кромки. (Дж. Пауло Давим, 2010, указ. соч .). Фрактальные дескрипторы поверхностей играют важную роль в корреляции физических свойств поверхности со структурой поверхности. Во многих областях было непросто связать физическое, электрическое и механическое поведение с традиционными дескрипторами поверхности, такими как шероховатость или наклон. Используя показатели фрактальности поверхности вместе с показателями шероховатости или формы поверхности, некоторые межфазные явления, включая механику контакта, трение и электрическое контактное сопротивление, можно лучше интерпретировать в отношении структуры поверхности. [11]
Параметры шероховатости площади определены в серии ISO 25178. Полученные значения: Sa, Sq, Sz,... Многие оптические измерительные приборы способны измерять шероховатость поверхности на определенной площади. Измерения площади также возможны с помощью контактных измерительных систем. Целевую область выполняют несколько близко расположенных 2D-сканирований. Затем они сшиваются вместе в цифровом виде с использованием соответствующего программного обеспечения, в результате чего получается трехмерное изображение и сопутствующие параметры шероховатости площади.
Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта , [1] , то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят от условий бесконтактного контакта к полному контакту. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурой неровностей (шероховатостью, наклоном поверхности и фрактальностью) и свойствами материала.
Что касается технических поверхностей, считается, что шероховатость отрицательно влияет на производительность детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, а не нижний предел. Исключение составляют отверстия цилиндров, где масло удерживается в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость. [12]
Структура поверхности часто тесно связана со свойствами трения и износа поверхности. [2] Поверхность с более высокой фрактальной размерностью , большим значением или положительным значением обычно будет иметь несколько более высокое трение и быстро изнашиваться. Пики профиля шероховатости не всегда являются точками контакта. Также необходимо учитывать форму и волнистость (т.е. как амплитуду, так и частоту).
В науках о Земле (например, Шепард и др., 2001; [13] Смит, 2014 [14] ) и экологии (например, Райли и др., 1999; [15] Саппингтон и др., 2007 [16] ) шероховатость поверхности имеет довольно широкое значение (например, Smith, 2014), имеет множество определений и обычно считается многомасштабным свойством, связанным с пространственной изменчивостью поверхности; ее часто называют текстурой поверхности (например, Trevisani et al., 2012 [17] ), учитывая очевидные аналогии с текстурой изображения (например, Haralick et al. 1973; [18] Lucieer and Stein, 2005 [19] ), когда анализ выполняется на цифровых моделях рельефа. С этой точки зрения существуют различные взаимосвязи с методологиями, связанными с геостатистикой (например, Herzfeld and Higginson, 1996 [20] ), фрактальным анализом (например, Bez and Bertrand, 2011 [21] ) и распознаванием образов (например, Ojala et al. 2002 [21 ]) . 22] ), включая множество взаимосвязей с подходами дистанционного зондирования. В контексте геоморфометрии (или просто морфометрии, Pike, 2000 [23] ) приложения охватывают многие темы исследований в области прикладной геологии и геологии окружающей среды, геоморфологии, геоструктурных исследований и почвоведения (например, Cavalli and Marchi 2008; [24] Dusséaux and Vannier). , 2022; [25] Эванс и др., 2022; [26] Франкель и Долан, 2007; [27] Гленн и др., 2006; [28] Громанн и др., 2011; [29] Гут, 1999; [30] Lindsay, 2019; [31] Misiuk et al., 2021; [32] Pollyea and Fairley, 2011, [33] Trevisani and Rocca, 2015; [34] Trevisani et al., 2023; [35] Woodcock, 1977 [36] ).
Под шероховатостью поверхности почвы (SSR) понимают вертикальные изменения, присутствующие в микро- и макрорельефе поверхности почвы, а также их стохастическое распределение. Существует четыре различных класса SSR, каждый из которых представляет собой характерный масштаб вертикальной длины; к первому классу относятся изменения микрорельефа от отдельных почвенных зерен до агрегатов порядка 0,053–2,0 мм; ко второму классу относятся вариации, обусловленные комьями почвы размером от 2 до 100 мм; третий класс шероховатости поверхности почвы — систематические перепады высот вследствие обработки почвы, называемые ориентированной шероховатостью (ОР), в пределах от 100 до 300 мм; четвертый класс включает плоскую кривизну или топографические особенности макромасштаба. [37]
Два первых класса отвечают за так называемую микронеровность, которая, как было показано, во многом зависит от событий и сезонных временных рамок за счет осадков и обработки почвы соответственно. Микрошероховатость чаще всего количественно оценивается с помощью случайной шероховатости, которая по существу представляет собой стандартное отклонение данных о высоте поверхности русла вокруг средней высоты после поправки на уклон с использованием наиболее подходящей плоскости и удаления эффектов обработки почвы в отдельных показаниях высоты. [38] Воздействие осадков может привести как к затуханию, так и к увеличению микронеровностей, в зависимости от исходных условий микронеровностей и свойств почвы. [39] На шероховатых поверхностях почвы действие отделения дождевых брызг имеет тенденцию сглаживать края неровностей поверхности почвы, что приводит к общему снижению RR. Однако недавнее исследование, в котором изучалась реакция гладких поверхностей почвы на осадки, показало, что RR может значительно увеличиваться при низких начальных масштабах длины микронеровностей, порядка 0–5 мм. Было также показано, что увеличение или снижение согласуется между различными индексами ССР. [40]