Шероховатость поверхности можно рассматривать как свойство поверхности не быть гладкой, и, следовательно, она связана с человеческим ( тактильным ) восприятием текстуры поверхности. С математической точки зрения она связана с пространственной изменчивостью структуры поверхностей и по своей сути является многомасштабным свойством. Она имеет различные интерпретации и определения в зависимости от рассматриваемых дисциплин.
Шероховатость поверхности , часто сокращаемая до шероховатости , является компонентом отделки поверхности (текстуры поверхности) . Она количественно определяется отклонениями в направлении вектора нормали реальной поверхности от ее идеальной формы. Если эти отклонения велики, поверхность шероховатая; если они малы, 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 подходит 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 предиктором производительности механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать очаги зарождения трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии . Вообще говоря, вместо дескрипторов, специфичных для масштаба, кросс-масштабные 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, его может быть трудно и дорого контролировать в производстве . Например, трудно и дорого контролировать шероховатость поверхности деталей, изготовленных методом послойного наплавления (FDM). [3] Уменьшение шероховатости поверхности обычно увеличивает стоимость ее производства. Это часто приводит к компромиссу между стоимостью производства компонента и его эксплуатационными характеристиками в применении.
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 контактного типа (обычно алмазный щуп) или оптического (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 пальцев (тачпад — хороший пример), поэтому требуется контролируемая шероховатость. Это тот случай, когда и амплитуда, и частота очень важны.
Значение шероховатости может быть рассчитано либо по профилю (линии), либо по поверхности (площади). Параметры шероховатости профиля ( , , ...) более распространены. Параметры шероховатости площади ( , , ...) 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). Существует много различных параметров шероховатости, но на сегодняшний день является наиболее распространенным, хотя это часто по историческим причинам, а не из-за особых заслуг, поскольку ранние измерители шероховатости могли измерять только . Другие общие параметры включают , , и . Некоторые параметры используются только в определенных отраслях или в определенных странах. Например, семейство параметров используется в основном для накладок отверстий цилиндров, а параметры Motif используются в основном во французской автомобильной промышленности. [6] Метод MOTIF обеспечивает графическую оценку профиля поверхности без фильтрации волнистости от шероховатости. Мотив состоит из части профиля между двумя пиками, а окончательные комбинации этих мотивов устраняют ″незначительные″ пики и сохраняют ″значительные″. Обратите внимание, что это размерная единица, 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 вычисляется средняя линия и физика измерения могут существенно повлиять на вычисляемый параметр. С помощью современного цифрового оборудования сканирование можно оценить, чтобы убедиться в отсутствии очевидных сбоев, искажающих значения.
Поскольку многим пользователям может быть неочевидно, что на самом деле означает каждое из измерений, инструмент моделирования позволяет пользователю настраивать ключевые параметры, визуализируя, как поверхности, которые явно отличаются для человеческого глаза, различаются измерениями. Например, не различает две поверхности, одна из которых состоит из пиков на в остальном гладкой поверхности, а другая состоит из впадин той же амплитуды. Такие инструменты можно найти в формате приложения. [7]
По соглашению каждый параметр шероховатости 2D представляет собой заглавную букву, за которой следуют дополнительные символы в нижнем индексе. Нижний индекс определяет использованную формулу и означает, что формула была применена к профилю шероховатости 2D. Различные заглавные буквы означают, что формула была применена к другому профилю. Например, — это среднее арифметическое профиля шероховатости, — это среднее арифметическое нефильтрованного необработанного профиля, — это среднее арифметическое шероховатости 3D.
Каждая из формул, перечисленных в таблицах, предполагает, что профиль шероховатости был отфильтрован из исходных данных профиля, и была рассчитана средняя линия. Профиль шероховатости содержит упорядоченные, равномерно распределенные точки вдоль трассы и является вертикальным расстоянием от средней линии до точки данных. Высота предполагается положительной в направлении вверх, от основного материала.
Параметры амплитуды характеризуют поверхность на основе вертикальных отклонений профиля шероховатости от средней линии. Многие из них тесно связаны с параметрами, найденными в статистике для характеристики выборок населения. Например, является арифметическим средним значением отфильтрованного профиля шероховатости, определенным из отклонений относительно центральной линии в пределах длины оценки, и является диапазоном собранных точек данных шероховатости.
Среднее арифметическое значение шероховатости , является наиболее широко используемым одномерным параметром шероховатости.
Ниже приведена общая таблица перевода значений шероховатости:
Параметры наклона 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 при точении на токарном станке .
Другие параметры «частоты» — это S m , a и q . S m — это среднее расстояние между пиками. Как и в случае с реальными горами, важно определить «пик». Для S m поверхность должна опуститься ниже средней поверхности, прежде чем снова подняться до нового пика. Средняя длина волны a и среднеквадратическая длина волны q выводятся из a . При попытке понять поверхность, которая зависит как от амплитуды, так и от частоты, неочевидно, какая пара метрик оптимально описывает баланс, поэтому можно выполнить статистический анализ пар измерений (например, R z и a или R a и Sm), чтобы найти самую сильную корреляцию.
Распространенные преобразования:
Эти параметры основаны на кривой коэффициента несущей способности (также известной как кривая Эбботта-Файерстоуна). Она включает в себя семейство параметров Rk.
Математик Бенуа Мандельброт указал на связь между шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью . [10] Описание, предоставляемое фракталом на уровне микрошероховатости, может позволить контролировать свойства материала и тип происходящего образования стружки. Но фракталы не могут обеспечить полномасштабное представление типичной обработанной поверхности, затронутой следами подачи инструмента; они игнорируют геометрию режущей кромки. (J. Paulo Davim, 2010, op.cit .). Фрактальные дескрипторы поверхностей играют важную роль в корреляции физических свойств поверхности со структурой поверхности. Во многих областях соединение физического, электрического и механического поведения с обычными дескрипторами поверхности шероховатости или наклона было сложной задачей. Используя меры фрактальности поверхности вместе с мерами шероховатости или формы поверхности, некоторые интерфейсные явления, включая контактную механику, трение и электрическое контактное сопротивление, можно лучше интерпретировать относительно структуры поверхности. [11]
Параметры шероховатости поверхности определены в серии ISO 25178. Результирующие значения — Sa, Sq, Sz,... Многие оптические измерительные приборы способны измерять шероховатость поверхности по площади. Измерения площади также возможны с помощью контактных измерительных систем. Выполняется несколько близко расположенных 2D-сканов целевой области. Затем они сшиваются в цифровом виде с использованием соответствующего программного обеспечения, в результате чего получается 3D-изображение и сопутствующие параметры шероховатости поверхности.
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 отсутствия контакта к полному контакту. В частности, нормальная жесткость контакта в основном регулируется структурами неровностей (шероховатостью, наклоном поверхности и фрактальностью) и свойствами материала.
С точки зрения инженерных поверхностей шероховатость считается вредной для производительности детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний предел. Исключением являются отверстия цилиндров, где масло удерживается в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость. [12]
Структура поверхности часто тесно связана с фрикционными и износостойкими свойствами поверхности. [2] Поверхность с более высокой фрактальной размерностью , большим значением или положительным , как правило, будет иметь несколько более высокое трение и быстрый износ. Пики в профиле шероховатости не всегда являются точками контакта. Форма и волнистость (т. е. как амплитуда, так и частота) также должны быть рассмотрены.
В науках о Земле (например, Шепард и др., 2001; [13] Смит, 2014 [14] ) и экологии (например, Райли и др., 1999; [15] Сэппингтон и др., 2007 [16] ) шероховатость поверхности имеет довольно широкое значение (например, Смит, 2014) с множеством определений, и, как правило, она считается многомасштабным свойством, связанным с пространственной изменчивостью поверхности; ее часто называют текстурой поверхности (например, Тревизани и др., 2012 [17] ), учитывая очевидные аналогии с текстурой изображения (например, Харалик и др., 1973; [18] Люсьер и Штайн, 2005 [19] ), когда анализ выполняется на цифровых моделях рельефа. С этой точки зрения существуют различные взаимосвязи с методологиями, связанными с геостатистикой (например, Herzfeld и Higginson, 1996 [20] ), фрактальным анализом (например, Bez и Bertrand, 2011 [21] ) и распознаванием образов (например, Ojala et al. 2002 [22] ), включая множество взаимосвязей с подходами дистанционного зондирования. В контексте геоморфометрии (или просто морфометрии, Pike, 2000 [23] ) приложения охватывают многие исследовательские темы в прикладной и экологической геологии, геоморфологии, геоструктурных исследованиях и почвоведении. Пример (не исчерпывающий) соответствующей литературы можно найти в следующих статьях:
Шероховатость поверхности почвы (SSR) относится к вертикальным изменениям, присутствующим в микро- и макрорельефе поверхности почвы, а также к их стохастическому распределению. Существует четыре различных класса SSR, каждый из которых представляет собой характерную вертикальную шкалу длины; первый класс включает изменения микрорельефа от отдельных зерен почвы до агрегатов порядка 0,053–2,0 мм; второй класс состоит из изменений, вызванных комками почвы размером от 2 до 100 мм; третий класс шероховатости поверхности почвы представляет собой систематические перепады высот из-за обработки, называемые ориентированной шероховатостью (OR), в диапазоне от 100 до 300 мм; четвертый класс включает плоскую кривизну или топографические особенности макромасштаба. [37]
Два первых класса учитывают так называемую микрошероховатость, которая, как было показано, в значительной степени зависит от событий и сезонных временных масштабов осадков и обработки почвы соответственно. Микрошероховатость чаще всего количественно определяется с помощью случайной шероховатости, которая по сути является стандартным отклонением данных высоты поверхности ложа вокруг средней высоты после коррекции на уклон с использованием плоскости наилучшего соответствия и удаления эффектов обработки почвы в индивидуальных показаниях высоты. [38] Воздействие осадков может привести либо к снижению, либо к увеличению микрошероховатости в зависимости от начальных условий микрошероховатости и свойств почвы. [39] На шероховатых поверхностях почвы действие отрыва дождевых брызг имеет тенденцию сглаживать края шероховатости поверхности почвы, что приводит к общему снижению RR. Однако недавнее исследование, в котором изучалась реакция гладких почвенных поверхностей на осадки, показало, что RR может значительно увеличиваться для низких начальных масштабов длины микрошероховатости порядка 0–5 мм. Было также показано, что увеличение или уменьшение является постоянным среди различных индексов SSR. [40]