Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS84_t22z1_4_PDF_artyku³y\mts84_t22z1_2.pdf M ECH AN I KA TEORETYCZNA I  STOSOWANA 1/ 2,  22  (1984) BAD AN IA  C H R O P O WAT O Ś CI  P O WI E R Z C H N I  M E TOD Ą   IM M ERSYJN Ą I N T E R F E R O M E T R I I  H O L O G R AF I C Z N E J M AR E K  L E C H Politechnika W arszawska IRENA  M R U K Politechnika W arszawska JACEK  S T U P N I C K I Politechnika W arszawska 1.  Wstę p P raca  prezentuje  wyniki  uzyskane  w  efekcie  przystosowania  metody  immersyjnej  in- terferometrii  holograficznej  ( I M H I )  do  badan ia  mikronierównoś ci  powierzchni  technicz- nych.  Stanowi  kon tyn uację   wcześ niejszych  prac  autorów  w  tej  dziedzinie  [1],  [2], [3]. Rozwój  techn iki  budowy  m aszyn  i  postę p  technologiczny  wymaga  nowych,  coraz dokł adniejszych  m etod  badan ia  topografii  powierzchni.  Podstawowe  znaczenie  dla  pro- cesów  zuż ycia,  sm arowan ia  granicznego,  wytrzymał oś ci  zmę czeniowej,  przewodnictwa elektrycznego  i  cieplnego  ko n t akt u  ciał   m a  tekstura  powierzchni  bę dą ca  koń cowym  efek- tem  obróbki  oraz  docieran ia i  zuż ycia. N iezbę dny  postę p  w  m etodyce  badań  topografii  powierzchni  powinien jak  się   wydaje, iść  w  kierun ku  nieniszczą cych,  bezdotykowych  m etod  badań ,  ł atwych  do  automatyzacji, o  zakresie  pom iarowym  zm ien n ym  w  szerokich  granicach,  dają cych  się   ł atwo  zastosować do  obiektów  bę dą cych  w  eksploatacji  dla  umoż liwienia  obserwacji  procesów  zuż ycia.) D o  oceny  wł asnoś ci  trybologicznych  powierzchni  najczę ś ciej  dotychczas  stosuje  się m etody  oparte  o  badan ia  profilometryczne.  N a  podstawie  profilogramów  wyznaczane są   rozkł ady  wierzchoł ków,  dolin ,  prom ieni  zaokrą glenia,  pochył oś ci  stoków  mikronie- równ oś ci.  Wedł ug zgodn ej  opinii  badaczy  najbardziej  przydatne  do jednoznacznego  opisu zł oż onej  konfiguracji  powierzchn i  są   dwuwymiarowe  mapy  warstwicowe  [4],  [5].  M apy takie  są   tworzon e  dotychczas  n a  podstawie  dan ych - z  wielu  przekrojów  uzyskiwanych najczę ś ciej  m etodą   profilografometryczną . U doskon alon a  m et o d a  immersyjna  interferom etrii  holograficznej  wykorzystują ca przezroczyste  repliki  badan ych  powierzchni,  specjalnie  skonstruowaną   kuwetę   immer- syjna  oraz  ukł ad  m ikroskopu  holograficznego  umoż liwia  otrzymywanie  w  sposób  bez- poś redni  dwuwymiarowych  m a p warstwicowych  nierównoś ci  powierzchni. M ap y  warstwicowe  odwzorowują ce  m ikrotopografię   badan ych  powierzchni  w  kilku- set kro t n ym  powię kszeniu  umoż liwiają   opis  geometrii  oraz  wyznaczenie  nowych  para- 78  M .  LE C H ,  I.  M R U K ,  J.  STU PN ICKI m etrów  trybologicznych,  charakteryzują cych  an izotropię   powierzchni,  opory  przepł ywu sm aru  lub  n oś n ość  powierzchni  jak  n p .  powierzchn iowa  krzywa  n oś n oś ci. W  pracy  zawarte  jest  też  porówn an ie  wyników  uzyskanych  m etodą   immersyjną   z  wy- n ikam i  pom iarów  m ikrogeom etrii  tych  powierzchn i  m etodą   profilografometryczną   przy uż yciu  Talysurf  5. W  przypadku  stosowania  replik  do  bad an ia  chropowatoś ci  podstawowym  zagadn ie- n iem  jest  okreś lenie  wiernoś ci  odtwarzan ia  szczegół ów  powierzchni  przez  m ateriał   rep- liki  [6]. Wierność  odtwarzania  mikronierównoś ci  przez  uż yte  d o  badań  przezroczyste  repliki z  gumy  silikonowej  został a  sprawdzona  przez  porówn an ie  m ap  warstwicowych  n a  p o - wierzchniach  przeł omów  szklanych  i  zdję tych  z  n ich  replikach  oraz  przez  porówn an ie okreś lonych  n a  tej  podstawie  param etrów  geom etrii  powierzchni  i jej  repliki.  Opisywana bezdotykowa  m etoda  immersyjną   interferom etrii  holograficznej  ( I M H I )  do  bad an ia mikronierównoś ci  powierzchni  posiada  szereg  zalet  w  stosun ku  d o  rozpowszechn ion ych m etod  profilografometrycznych.  M oż liwość  zn aczn ego  zwię kszenia  dokł adn oś ci warstwi- cowania  i  skomputeryzowania  procesu  opracowan ia  m ap  warstwicowych  podn osi  kon - kurencyjność  tej  metody. Wykaz oznaczeń: X —  dł ugość fali  ś wiatła uż ytego  w  badan iach ; n 1 ,n 2   —  współ czynniki  zał am an ia  ś wiatła pł yn ów  immersyjnych; AZ—  róż nica gł ę bokoś ci  mię dzy  kolejnymi  warstwicam i; - Rmai/(̂ max)p/  —  najwię ksza  wysokość chropowatoś ci  spoś ród  wszystkich  pododcin ków lub  fragmentów  pól  pom iarowych ; RT MI(RT M)PI  —  ś rednia  wartość  R mM   pię ciu  kolejnych  pododcin ków  lub  fragm entów pól  pom iarowych; R T j(R T ) P l  —  najwię ksza  wysokość  chropowatoś ci  n a  cał ym  odcin ku  lub  po lu  p o - miarowym. 2.  Technika  eksperymentalna M etoda  holograficznego  warstwicowania  powierzchni  ( I M H I )  wykorzystuje  zjawisko interferencji  frontów  falowych,  które  zachodzi  podczas  rekon strukcji  h ologram u  zareje- strowanego  metodą   podwójnej  ekspozycji  [2]. W  tym  przypadku  każ da  z  dwu  ekspozycji jest  dokonywana  po  napeł nieniu  kuwety  pł yn em  immersyjnym  o  in n ym  współ czynniku zał amania ś wiatł a. Z rekonstruowany  obraz  holograficzny  powierzchni  pokryty  jest  siecią   interferencyj- nych  prą ż ków  warstwicowych  o  wzglę dnej  róż nicy  gł ę bokoś ci  mię dzy  n im i: AZ  =   Z N +i  —Z N   = AZ  zależy  od  dł ugoś ci fali  A uż ytego  ś wiatła  laserowego  oraz  od  róż n icy  współ czynników zał amania  ś wiatła  n x   i  n 2   pł ynów  immersyjnych.  W  celu  uzyskan ia  m ap  warstwicowych badanych  powierzchni  zastosowano  udoskon alon ą   przez  autorów  m etodę   immersyjną BAD AN I A  C H R OP OWATOŚ CI  P O WI E R Z C H N I 79 interferometrii  holograficznej  ( I M H I ) .  Z aprojektowan o  w  tym  celu  nowy  ukł ad  optyczny i  kuwetę   immersyjną   nowej  konstrukcji  [1]. R ys.  1.  U k ł a d  bad awczy  d o  warst wico wan ia  replik  w  ś wietle  przech odzą cym.  1 —l a se r  H e- N e,  2 —  po- laryzacyjn y  dzieln ik  wią zki,  3 , 4  —  zwierciadł a  100%,  5 —  przeź roczysta  replika,  6 —  kuweta  immersyjną , 7  —  m ikr o sko p  h olograficzn y,  8 —  obiektyw,  9 —  pł yt a  h olograficzn a Schemat  ukł adu  badawczego  przedstawionego  n a  rys.  1.  Wią zka  ś wiatła  lasera  h lowo- neonowego  (1)  o  dł ugoś ci  fali  A =   632,8  n m  zostaje  podzielona  w  polaryzacyjnym dzielniku  wią zki  (2) n a  wią zkę   przedm iotową   i  wią zkę   odniesienia.  Wią zka  przedmiotowa p o  odbiciu  od  zwierciadł a  100%  (4)  przechodzi  przez  kuwetę   immersyjną   (6)  i  umiesz- czoną   w  niej  przezroczystą   replikę   (5).  N astę pn ie jest  rzutowan a  przy  pomocy  ukł adu optycznego  (7)  n a  pł ytę   holograficzn a  (9). Wią zka  odniesienia  p o  odbiciu  od zwierciadł a 100%  (3) zostaje  przekształ con a przez  obiektyw  (8) w  wią zkę   kulistą   i pada  bezpoś rednio n a  pł ytę   holograficzna  (9). Rejestracja  h ologram u i  rekonstrukcja  obrazu  holograficznego odbywa  się   w  tym  przypadku  w  wią zkach  kulistych  tworzonych  z  wią zki  ś wiatła  wycho- dzą cej  z  lasera  za  pom ocą   obiektywów  mikroskopowych.  Z astosowana  do  tych  badań replika • i \ K—010  - \ \ "  *•   "  »  "  / /   \ "s „  "  „  "  . .   "  „ elementy dystansowe LA • !• ID O i1 urz /   pł aszczyzna  odniesienia R ys.  2.  K u wet a  immersyjną n owa  kuweta  immersyjną   (rys.  2)  umoż liwia  szybką   zmianę   replik  i  ł atwą   identyfikację pun któw  pom iarowych.  Ś redn ica  przestrzeni  pomiarowej  kuwety  wynosi  0 26  mm,  a  od- legł ość  mię dzy  pł askorównoległ ym i  szklanymi  ś cianami  kuwety  jest  regulowana  za  po- m ocą   kulek  dystansowych  o  ś rednicy  od  dziesią tych  czę ś ci  m ilim etra do  kilku  milimetrów. 80  M.  LEC H ,  I .  M R U K ,  J.  STU PN ICKI Odległ ość  t a jest  uzależ niona  od  gruboś ci  repliki  i  wymaganych  pochyleń jej  powierzchni wzglę dem  pł aszczyzny  odniesienia,  którą   stanowi  przedn ia  ś ciana  kuwety.  Kuweta  jest przystosowana  do  m ocowania  w  typowych  uchwytach  z  zestawów  holograficznych  pro- dukcji  P .Z .O. Repliki  badan ych  powierzchni  wykon an o  z  przezroczystej  gumy  silikonowej  P ola- stosil  M 2000  metodą   odlewania  mieszaniny  gumy  z  utwardzaczem  n a  interesują cym fragmencie  oczyszczonej  powierzchni. D o uform owan ia  repliki  o  odpowiednich  wym iarach uż ywa się  pierś cienia metalowego  o dokł adn ie wykonanych, pł askorównoległ ych powierzch- niach  podstawy,  wewnę trznej  ś rednicy  0  10  mm  i  gruboś ci  0,5  m m . T ak  wykon an y  pierś- cień  jest  nał oż ony  n a  dokł adnie  oczyszczoną   badan ą   powierzchnię .  Obję tość  wewną trz pierś cienia wypeł nia  się   pł ynną   gumą   silikonową   a  n astę pn ie dociska  się  pł askorównoległ ą pł ytką   szklaną   stanowią cą   tylną   ś cianę  kuwety.  P o utwardzen iu  gumy  silikonowej  oddziela się  pł ytkę  ze znajdują cą   się   n a niej  repliką   od  badan ej  powierzchni  i  umieszcza  w  kuwecie. W  badaniach uż ywano jako  pł ynów im m ersyjnych:  powietrza  o  współ czynniku  zał am an ia ś wiatła  n  — 1,00029, alkoholu  etylowego  o  współ czynniku  zał am an ia  ś wiatła  n  — 1,36140 co  przy  uż yciu  ś wiatła lasera  H e—N e  daje  róż nicę   gł ę bokoś ci  mię dzy  kolejnymi  warstwi- cami  AZ  =   1,75  / um.  D la  powierzchni  o  mał ych  chropowatoś ciach  zastosowan o  in n y zestaw  pł ynów immersyjnych;  powietrze  (n  =   1,  00029) oraz  wzorcową   ciecz  immersyjną I M F   o  współ czynniku zał am ania  ś wiatła  n  =   1,618, co  przy  tej  samej  dł ugoś ci fali  ś wietl- nej  daje  róż nicę   gł ę bokoś ci  mię dzy  warstwicam i  AZ  =   1,024  / urn. P owietrze  ja ko  pł yn immersyjny  nie  zanieczyszcza  powierzchni  repliki,  a  cien ka  warstwa  wzorcowego  pł yn u immersyjnego  I M F  lub  alkoholu  zawarta  m ię dzy  powierzchnią   repliki  a  pł aszczyzną   od- niesienia  utrzymuje  się   dzię ki  napię ciu  powierzchn iowem u.  Z astosowan y  w  ukł adzie  o p - tycznym  m ikroskop  holograficzny  pozwala  n a  otrzym an ie  w  pł aszczyź nie  pł yty  h ologra- ficznej  kilkusetkrotnie  powię kszonego  obrazu  holograficznego  powierzchni  repliki.  Z re- konstruowany  wią zką   odniesienia  obraz  holograficzny  pojawiają cy  się   w  pł aszczyź nie pł yty  holograficznej,  charakteryzuje  się   dużą   jasnoś cią   i  bardzo  dobrą   czytelnoś cią   p o - krywają cych  go prą tków  interferencyjnych.  Obraz  taki  może być  zarejestrowany  aparatem fotograficznym  lub  może  być  obserwowany  za  pom ocą   m ikroskopu  optycznego,  o  ile wymagane  są  jeszcze wię ksze  powię kszenia. 3.  Zastosowanie  holograficznych  m ap  warstwicowych  do  okreś lania parametrów  trybologicznych  powierzchni D la  wykazania  przydatnoś ci  metody  warstwicowan ia  holograficznego  d o  okreś lan ia param etrów  trybologicznych  powierzchni  technicznych  p o d d an o  badan iom  szereg  p o - wierzchni metalowych  o róż nych sposobach  i róż nej  dokł adn oś ci obróbki.  D la powierzchni tych  wykon an o  repliki,  a  nastę pnie  w  opisan ym  powyż ej  ukł adzie  optycznym  uzyskan o m apy  warstwicowe  mikronierównoś ci  powierzchn i. M ię dzy  innymi  badan o  m ikrogeom etrię   powierzchni  tytan u  p o  obróbce  strugan iem . U rozm aicony  charakter  mikronierównoś ci  tej  powierzchni  pozwolił   wyeksponować  zalety holograficznego  warstwicowania  powierzchni.  N a  rys.  3  przedstawion o  m apę   warstwico- wą   n a  fragmencie  repliki  tej  powierzchni  p rzy  róż nicy  gł ę bokoś ci  mię dzy  warstwicam i BADAN IA  CHROPOWATOŚ CI POWIERZCHN I 81 Rys.  3. U kł ad  warstwie  powierzchni  struganej  próbki  tytanowej.  Róż nica gł ę bokoś ci  mię dzy  warstwicami Az  g  1,75 |jim Rys.  4. M apa warstwicowa  opracowana n a podstawie  obrazu  prą ż ków  interferencyjnych  (rys.  3) AZ  =   1,75  / im.  N a  podstawie  obrazu  linii  interferencyjnych  z  rys.  3  wykreś lono  mapę warstwicowa  i  ozn aczon o  rzę dy  warstwie  (rys.  4).  Jednocześ nie  przy  uż yciu  przyrzą du Talysurf  5  otrzym an o  profilogram  powierzchni  wraz  z  wydrukiem  param etrów  chropo- watoś ci  powierzchni  (rys.  5).  M a p a  warstwicowa  (rys.  4)  posł uż yła do  wyznaczenia  war- toś ci  niektórych  param etrów  chropowatoś ci  oraz  powierzchniowej  krzywej  noś noś ci, kt ó re  porówn an o  n astę pn ie  z  wartoś ciami  param etrów  zmierzonymi  profilografometrem Talysurf  5.  N a  rys.  6  po kazan o  przebieg  powierzchniowej  krzywej  noś noś ci  uzyskanej n a  podstawie  m apy  warstwicowej  oraz liniowej  krzywej  noś noś ci  tej  powierzchni  wykreś lo- nej  za  pom ocą   profilografom etru  Talysurf  5. 6  M ech .  T eoret.  i  Stos.  1—2/ 84 82 M .  L E C H ,  T.  M R U K ,  J .  S T U P N I C 0.25 mm CUT- OFF (LONG) (R) H  i0mm = 100.0  p m U  10mm=  10.0  jLim SKID  YES TIP  RADIUS  NORMAL - f-   - +-   - +- \ - U  10 mm =10.0 pm h-   - t-   - t-   - t-   - +-   - +- 15 12 10, 7 5 2 ,00 , 50 00 50 00 50 DEPTH (urn) 95 80 54 27 8 1 TP% 5 16 23 17 7 1 HSC RT12 RT11 RT10 RT9 RT8 RT7 RT6 RT5 RT-4 RT3 RT2 RT1 HSO SM XQ AQ "MAX R3TM RTM RP RT RSK RO RA 7.623  jUBl 11  .63  pm 8.438  jum 11 •   SO  p m 7 . 9 3 5  j j m 7 . 8 4 2  p m 1 4 . 2 9  j j m H  .  46  Aim 9.619  p m 9.381  p m 12  .52  pm 13  .34  p m 18 156. 2  p m 113.  2  jum 0.165 14.  46 jum 1- 270  p m 10- 73  y m 9.570  p m 16. 65  Aim - 0 . 0 17 3.332  «m 2.712  p m Rys.  5. Profilogram  i wydruk  parametrów chropowatoś ci  uzyskanych przy  uż yciu Talysurf  5 dla tej samej powierzchni  próbki  tytanowej,  którą   opisuje  mapa  warstwicowa  na rys. 3 M oż na  stwierdzić,  że  liniowa  krzywa  noś noś ci jest  bardziej  pł aska  i  zbliż ona  d o  p o - wierzchniowej  krzywej  noś noś ci, jedynie  dla  ś rednich wartoś ci  udział u n oś n ego.  N atom iast dla  wartoś ci  udział u noś nego  mniejszych  od  20%  i  wię kszych  od  60%  wystę pują   Jstotn e róż nice  w  charakterze  obu  krzywych.  W  przedział ach tych  powierzchniowa  krzywa  n oś- noś ci  dokł adn iej okreś la  rzeczywistą   powierzchnię   ko n t akt u  przez  uwzglę dnienie  najwyż- szych  szczytów  i najniż szych  dolin, które stylus  profilografom etru  zazwyczaj  omija  (mię dzy innymi  wskutek  ograniczonej  sztywnoś ci  i  okreś lonego  prom ien ia  stylusa).  W  t en  sam sposób  m oż na  wytł umaczyć fakt,  iż  wartoś ci  param etrów  ch ropowatoś ci  wyznaczone  n a BADANIA  CHROPOWATOŚ CI  POWIERZCHN I 83 powierzchniowa  krzywa  noś noś ci talysurf  5 2 Ai Ao • 100% i 15 14 13 12 11 i 8 7 6 5 2 1 ^ ' . , 0 0 % 0,50 134 534 1332 27,09 57^8 7U6 7760 86,58 9 $ 8 11,45 99,25 Rys.  6. Wykres  powierzchniowej  krzywej  noś noś ci  sporzą dzonej  n a podstawie  mapy  z rys. 5 oraz  odpowiadają cy  tej  powierzchni  wykres  liniowej  krzywej  noś noś ci  otrzymanej  z  Talysurf  5 Rmax/ lRmcJp R TM / ' R 7 M I P R,  / (RT)p IM HI 2A, 5p m 18,9  / jm 26,2  ) jm TALYSURF  5/ T- H/ 14,46  jam 10,73  pm 16,55  JJm " I M H I / RT- H 169  % 176% 158% Rys.  7. Porównanie wartoś ci  niektórych  parametrów  chropowatoś ci  powierzchni  struganej  próbki tytanowej  wyznaczonych  przy  uż yciu  map warstwicowych  i  zmierzonych  profilometrem  Talysurf  5 podstawie  m apy  warstwicowej  są   wię ksze n iż  zmierzone  profilografometrem,  co  dla  oma- wianej  powierzchni  ilustruje  tabela  n a  rys.  7. M a p a  warstwicowa  pozwala  również  n a  ł atwe  wyznaczenie  ką tów  pochylenia  stoków m ikron ierówn oś ci  powierzchni,  prom ien i  zaokrą glenia  wierzchoł ków  i  dolin,  kienmko- woś ci  struktury  oraz  kształ tu  i  droż n oś ci  kan ał ów  smarnych  pomię dzy  mikronierównoś- m Rys.  8.  U kł ad  warstwie  n a  szlifowanej  powierzchni  próbki  stalowej 84 M.  LEC H ,  I .  M R U K ,  J.  STU PN ICKI T  T  T k ł  ł   ^ f lis  i "+   4 ° ^ 4 + 4 + 4 4 ł 4 4 -f 4 - f- 4 f ' 4 . 4 - 4 f h t 4, 4 4~ < ft 1 + Ł ? f r & \ 4 f 4 ł f • f 4 t 4 4 4 • 4 4 '4 4 ^ ^ ] ] ^ ^ ^ -1 ^ + 3   +   H 22 2 1 1. 1, 1. 0 . 0 0 RT2E RT24 RT23 RT22 RT21 RT20 RT19 RT18 RT17 RT16 RT15 RT14 RT13 RT12 RT11 RT10 RT9 RT8 RT7 RT6 RT5 RT4 RT3 RT2 RT1 HSC SM XQ AQ RMAX R3TM RTM RP RT RSK  - RQ RA . 5 0 0 . 2 5 0 , 0 0 0 750 500 250 000 750 500 250 DEPTH (jum) 1  . 3 9 8  jum 1  .  426  jjm 1  . 743  jum 1 .  600  jum 1  . 703  jjm 1  .  769  jjm 2 .  085 jum 1- 268  jum 2 . 1 5 2  Jjm 2 . 3 5 1 jum 1  •   544  j j m 1 •   897  juin 1  •   885  Jjm 2. 353  j j m 1  •   S38  j j m 1- 197  jum 1 •   196jum 1  - 062 .urn 1  - 818 jjm 1  - 73 6 Jjm 2. 041  jjm 1  . 255 Jjm 1  . 3 6 5 jjm 1  . 819 jjm 1 . i 9 5  jjm 95 20,88jUm 19 .12  jjm 0.135 2.353 jum 0- 756 j j m 1.671  jum 1.511 jum 2.795jum 0. 150 0.411  jum 0.326 jjm 99  E 96  16 90  40 75  80 52  112 29  91 11  49 3  16 1  6 0  2 TP%  HSC Rys.  9.  Profilogram  i  zestawienie  parametrów  chropowatoś ci  szlifowanej  powierzchni  próbki  stalowej (rys.  8) uzyskane  za  pomocą   Talysurf  5 ciami  w  dowolnym  przekroju.  W  przypadku  powierzchni  o  wyraź nej  kierun kowoś ci struktury  i  ustalonym  profilu  n p. p o  obróbce  szlifowaniem,  strugan iem  lub  frezowaniem ustawienie  pł aszczyzny  odniesienia  (przednia  ś ciana  kuwety)  równolegle  d o  ś rodkowej powierzchni  zarysu  powoduje,  że  powstają ce  prą ż ki  warstwicowe  są   wzglę dem  siebie równoległ e,  co  utrudn ia  analizę   obrazu  warstwicowego.  Celowym  w  tym  przypadku  jest pochylenie pł aszczyzny  odniesienia  pod  niewielkim  ką tem.  Linie  warstwicowe  jakie  wów- BAD AN IA  CHROPOWATOŚ CI  POWIERZCH N I 85 czas  powstają   na  cał ym  obszarze  obserwacji  mają   ch arakter profilogramów,  ale  są   wolne od  bł ę dów  systematycznych  profilogramów  otrzymanych  przy  pomocy  stylusa. P rofilogramy  te  pozwalają   wyznaczyć  pewne  cechy  geometryczne  powierzchni  jak n p .  prom ien ie zaokrą glenia  wierzchoł ków  i  dolin, pochylenie  stoków,  anizotropię , zmien- noś ci  przekroju  bruzd  oraz  uwidaczniają   bezpoś rednio  regularnoś ć,  bą dź  nieregularność struktury.  P rzykł ad  tego  rodzaju  m apy  warstwicowej  n a  replice  zdję tej  ze  stalowej  po- wierzchni  szlifowanej  przedstawion o  n a  rys.  8.  N a  rysunku  tym  zaznaczono  promienie zaokrą glen ia  n iektórych  wierzchoł ków  i  dolin  mikronierównoś ci  oraz  ką ty  pochylenia stoków  odniesione  d o  przekroju  n orm aln ego.  Odpowiadają cy  tej  powierzchni  wydruk param etrów  chropowatoś ci  otrzym any  za  pom ocą   Talysurf  5  przedstawia  rys.  9.  Porów- n an ie  param etrów  ch ropowatoś ci  okreś lonych  m etodą   warstwicowania  holograficznego i  wyznaczonych  przy  uż yciu  Talysurf  5  dla  powierzchni  szlifowanej  przedstawiono  w  ta- beli  n a  rys.  10.  R ówn ież  w  przypadku  tej  powierzchni  pom im o regularnoś ci jej  struktury I M H I  dał a  wię ksze  wartoś ci  param etrów  niż  z  odczytu  profilogramu. " TM / RTM ' P/ RT M W IMHI 2,6  pm 2.0  Jjm 3,4 jum TALY5URF  5/ T- H/ 2,353 jam 1,671pm 2,795jjm f  IM HI/ " T- H 112% 118% 122% Rys.  10. Porównanie wartoś ci  niektórych  parametrów chropowatoś ci dla powierzchni  szlifowanej, wyznaczonych  przy  uż yciu  m ap  warstwicowych  i  zmierzonych  profilometrem  Talysurf  5 4.  Badanie  wiernoś ci  odtwarzania  przez  repliki Z  uwagi  n a  istotn e  zalety  stosowania  przezroczystych  replik  do  badan ia  mikronierów- noś ci  powierzchni  n p .  duż ych  obiektów,  bez  potrzeby  ich  demontażu  i  umieszczania w  kuwecie,  jak  równ ież  szczególną   przydatność  tego  rodzaju  replik  do  badań metodami optycznymi,  niezbę dne  jest  okreś lenie  wiernoś ci  odwzorowania  rzeczywistych  mikronie- równoś ci  przez  ich  repliki. R ozpowszechnion e  w  badan iach  chropowatoś ci  m etody  profilografometryczne  są stosowan e  do  badan ia  wiernoś ci  replik  [6], pom im o, że  nie nadają   się   do  tego  celu, gdyż są   obarczon e  bł ę dami  systematycznymi.  Bł ę dy  t e  wynikają   z  róż nic  odwzorowania  tych samych  szczegół ów  powierzchni  rzeczywistych  i replik  (rys.  11), zależą   od  ką ta  pochylenia profilu  (rys.  12)  oraz  od  róż n icy  podatn oś ci  m ateriał u  repliki  i  rzeczywistej  powierzchni n a  naciski  stylusa  profilografom etru. W  przypadku  stosowan ia  replik wykonanych  z bardzo mię kkich materiał ów n p . z  gumy silikonowej,  nie jest moż liwe jakiekolwiek badan ie ich powierzchni metodam i  dotykowymi. M etoda  immersyjna  interferom etrii  holograficznej  (I M H I )  eliminują ca  wymienione bł ę dy  i  ograniczenia  może  być  bezpoś rednio  zastosowana  do  badan ia  wiernoś ci  odtwa- rzan ia  uż ytych  replik.  J ako  rzeczywistych  powierzchni  do  badań  wiernoś ci  odtwarzania uż yto  przeł omy  przezroczystej  pł yty  szklanej,  dla  których  opisaną   poprzednio  techniką 86 M.  LEC H ,  I.  M R U K ,  J.  STU PN ICKI Wqd  systematyczny  dla bfą d  system atyczn y  dla  repliki Rys.  11, Błę dy  systematyczne  przy  odwzorowywaniu  metodami'profilografometrycznymi  rzeczywistych powierzchni i ich replik 0°  10"  20"  30°  40°  50°  60° 9 powierzchnia  rzeczywist V/ / / / / / / / / / . Rys.  12. Zależ ność bł ę dów odwzorowania  metodami profilografometrycznymi  od ką ta  pochylenia  profilu wykonano  repliki.  N astę pnie w  tym  samym  ukł adzie optycznym  uzyskan o  odpowiadają ce sobie  mapy  warstwicowe  przeł omów  szklanych  i  ich  replik.  N a  rys.  13a  przedstawion o ukł ad  warstwie  n a  powierzchni  pierwszego  z czterech  badan ych  przeł om ów  szklanych, a  n a rys.  13b  ukł ad  warstwie n a  powierzchni jego  repliki  w  tym  sam ym  miejscu.  D la  uzy- skania  informacji  o  stopniu  odwzorowania  powierzchni  przez  replikę   wykon an o  n a  pod- stawie  m ap  warstwicowych  wykresy  zarysu  powierzchni  przeł om u i jego  repliki  wzdł uż tej  samej  osi x- x  (rys.  13c). W  niektórych  pun ktach  profilu  obliczon o  rzeczywiste  war- toś ci  promieni  zaokrą glenia  wierzchoł ków i  dolin  oraz  ką tów  poch ylen ia  stoków  m ikro- nierównoś ci.  Jako  kryterium  wiernoś ci  odtwarzan ia  rzeczywistej  powierzchn i  przez jej replikę   przyję to  stosunki  wartoś ci  odpowiednich  prom ien i  zaokrą glen ia  i ką tów  pochyle- n ia  zarysu  przeł omu  i jego  repliki. Analogicznie  opracowano wyniki badań pozostał ych trzech przeł om ów (rys.  14, 15, 16) . Już  tylko  jakoś ciowe  porówn an ie  ch arakteru  warstwie  n a  rzeczywistych  powierzchniach i  odpowiadają cych  im replikach wskazuje  n a  dobrą   zgodn ość  szczegół ów  obu powierzchn i. P orównanie  wykresów  zarysu  oraz  obliczonych  param etrów  potwierdza  zadowalają cą wierność  odtwarzania  przez  uż yte  do  badań  repliki z gumy  silikonowej  P olastosil  M 2000. CT/ tP  •  Wi lir W   li  fP/ ^ \ w..MliMlMmilJIL r^ R1P=310,6 Aim R1 R = 3 3 0 ^p m R2P= 428,1 ur n R - 100 20C)  xlprnl*" Rys.  13. a) M apa warstwicowa  n a powierzchni przeł omu n r I , b) M apa warstwicowa  na powierzchni repliki przeł omu  nr I , c) Porównanie zarysu  powierzchni przeł omu nr I i jego repliki  w przekroju  x~x [87] - 200 - 100 Rys.  14.  a)  M apa  warstwicowa  na  powierzchni  przeł omu nr  I I , b)  M apa  warstwicowa  n a  powierzchni repliki przeł omu nr I I , c) Porównanie zarysu powierzchni przeł omu n r I I i jego repliki w przekroju  x—x [ 8 8 ] - sr  •   • • • "m . : • > ; ' * >: iiililwiiii - 100 c / / ? 3 z 'powierzchnia/ ^rzeczywista  / W e z. Q IT N Rp=A86JB>jni R(j=521,9>4nn Rp  ' ap=9,1° 2 i o O *  934°/ / / "  ' " 100 200 xtjjml Rys.  15.  a)  M apa  warstwicowa  na  powierzchni  przeł omu nr  I I I , b)  M apa  warstwicowa  na powierzchni repliki  przeł omu  n r I I I , c) Porównanie zarysu  powierzchni przeł omu  nr  III i jego repliki w  przekroju  x—x 90 M.  LEC H ,  I.  M R U K ,  J.  STOPN ICKI x IffiU^1- ;.-- - 100 100 xlpm] Rys.  J6. a) M apa  warstwicowa  na powierzchni  przeł omu  nr IV, b)  M apa  warstwicowa  n a powierzchni repliki przeiomu nr  IV, c) Porównanie zarysu powierzchni  przeł omu nr IV i jego repliki w przekroju  x~x 5.  Wnioski Badanie  mikronierównoś ci  powierzchni  metodą   immersyjną   in terferom etrii  hologra- ficznej  stwarza  moż liwoś ci  peł niejszego  opisu  chropowatoś ci  powierzchni  i  jej  cech  try- bologicznych  niż  m etody  dotychczas  stosowane.  W  tym  przypadku  wszystkie  param etry mikronierównoś ci  powierzchni  istotn e  ze  wzglę dów  trybologicznych  odn iesion e  są   do obserwowanej  powierzchni,  a  nie  do  kolejnych  przekrojów  i  nie  zawierają   bł ę dów  syste- matycznych  integralnie  zwią zanych  z  metodą   stylusa.  P oza  ogólnie  zn an ym i  bł ę dami systematycznymi  m etod  profilografometrycznych  zwią zanymi  z  kształ tem  ostrza  stylusa, kalibracją   ukł adu,  krzywizną   ś lizgacza  typowe  m etody  nie  pozwalają   n a  stosowanie  rep- BAD AN I A  C H R OP OWATOŚ CI  P O WI E R Z C H N I  91 lik  ze  wzglę du  n a  powstają ce  wtedy  bł ę dy  systematyczne  zwią zane  z  badaniem  negatywu powierzchni.  P o n ad t o  w  przypadku  stosowania  replik  z  mię kkich  materiał ów  nie  jest moż liwe  zastosowanie  m etod  dotykowych.  U zyskane  wyniki  potwierdzają   wysoką   przy- datn ość  m etody  immersyjnej  interferometrii  holograficznej  do  badan ia  mikronierównoś ci powierzchni  technicznych  oraz  wiernoś ci  odtwarzan ia  uż ytych  replik.  Jak  wykazano, param etry  chropowatoś ci  okreś lone  n a  podstawie  m ap  warstwicowych  mają   wię kszą wartość niż wyznaczone  profilom etrem . Wynika  t o z zarejestrowania  najwyż szych  szczytów i  najniż szych  dolin wystę pują cych  w  cał ym badan ym  obszarze  nierejestrowanych  zazwyczaj przez  profilom etr  ze  wzglę du  n a jego  przypadkową   ś cież kę   przejś cia,  skoń czony promień zaokrą glenia  stylusa  i  jego  ograniczoną   sztywność  boczną .  Stosowana  zazwyczaj  krzywa noś noś ci  Abbota- F irestona  m oże  być  zastą pion a,  dzię ki  uzyskaniu  m ap  warstwicowych, powierzchniową   krzywą   n oś n oś ci  charakteryzują cą   stosunek  powierzchni  n a  okreś lonym poziomie  do  cał kowitej  powierzchni  obszaru  pom iarowego.  Powierzchniowa  krzywa noś noś ci  odwzorowuje  dokł adn iej n oś n ość  powierzchni,  szczególnie  w  zakresie wierzchoł - ków  i  dolin,  co jest  istotn e  ze  wzglę du  n a  zjawiska  kon taktu. Stosują c  pochylenie  pł aszczyzny  odniesienia  uzyskuje  się   warstwice  w  postaci  serii „ profilogram ów"  pokrywają cych  cał y  badan y  obszar.  Pozwalają   one  w  sposób  bezpo- ś redni  okreś lić  n iektóre  param etry  trybologiczne,  jak  ką ty  pochylenia  stoków  mikronie- równoś ci,  prom ien ie  zaokrą glen ia  wierzchoł ków  i  dolin ,  droż ność  kanał ów  i prostolinio- wość  grzbietów.  Z astosowan a  m etoda  warstwicowania  powierzchni  przy  wykorzystaniu ich  przezroczystych  replik  w  ś wietle  przechodzą cym  eliminuje  szereg  ograniczeń  bezpo- ś redniego  badan ia  m ikron ierówn oś ci  powierzchni  obiektów  rzeczywistych.  M etoda t a jest dotychczas  równ ież  jedyn ym  obecnie  wiarygodnym  sposobem  sprawdzenia  wiernoś ci odtwarzan ia  przezroczystych  replik.  Pojawiają cy  się   w  trakcie  rekonstrukcji  w  pł aszczyź- n ie  pł yty  holograficznej,  kilkusetkrotn ie  powię kszony  obraz  holograficzny  charakteryzuje się   dużą   jasnoś cią   i  bardzo  dobrą   czytelnoś cią   prą ż ków  warstwicowych.  Moż liwe  jest zatem  dalsze  zmniejszenie  róż nicy  gł ę bokoś ci  mię dzy  warstwicami  do  kilku  dziesią tych czę ś ci  m ikrom etra uż ywając  ś wiatła  o mniejszej  dł ugoś ci fali  i pł ynu immersyjnego  o wię k- szym  współ czynniku  zał am an ia  ś wiatł a.  W  szczególnych  przypadkach  dokł adność m ap m oże  być  zwielokrotn ion a  metodą   multiplikacji  prą ż ków  warstwicowych,  bą dź  przy  po- mocy  ekwidensytometrycznej  analizy  obrazów  interferencyjnych. W  chwili  obecnej  uzyskanie  informacji  o  powierzchni  metodą   immersyjną   interfero- metrii  holograficznej  jest  bardziej  pracochł on n e  niż  uzyskanie  podobnych  informacji metodą   profilografometryczną ,  szczególnie  gdy  korzysta  się   ze  standardowych  programów n a  maszyny  cyfrowe  dla  wyznaczenia  param etram i powierzchni. Z dan iem  autorów  m et oda  immersyjną   nie  może  w  obecnej  chwili  zastą pić  metody profilografometrycznej,  szczególnie  w  badan iach  rutynowych,  gdy  zależy  n am  na  danych porównawczych  powierzchn i. Jedn akże w  badaniach, w  których konieczne jest  uwzglę dnie- n ie  rzeczywistych  kształ tów  chropowatoś ci  i  rzeczywistych  charakterystyk  powierzchni, m etoda  immersyjną   m oże  okazać  się   niezastą piona.  D la zwię kszenia  efektywnoś ci  metody podję to  próbę   autom atyzacji  etapu  odczytywania  i  analizy  obrazów  interferencyjnych. 92  M.  LECH ,  I .  M R U K ,  J.  STU PN ICKI Literatura  cytowana  w  tekś cie 1.  M. LEC H , I . M R U K, J. STU PN ICKI, Comparison of tribologkal parameters of surfaces determined by stylus method and immersion  method of holographic  inerferometry.  I I International Conference  on  Metrology and  Properties  of  Engineering  Surfaces,  14-  16 April  1982, Leicester,  England. 2.  M.  LE C H ,  I .  M R U K,  J.  STU PN ICKI,  Holographic  measurement  of  topography  of  engineering  surfaces  by use of  transparent replicas,  I I I International Tribology  Congress  Eurotrib'81, Warsaw 1981. 3.  M. LEC H ,  I . 'M R U K ,  J. STU PN ICKI, Running — in process of porous bearings observed by use of holographic interferometry,  8 th Leeds — Lyon  Symposium  on Tribology,  Lyon, 1981. 4.  B.  N OWICKI,  Badania mikrostruktury geometrycznej powierzchni obrobionych  i  metod jej  oceny, Prace N aukowe  Politechniki  Warszawskiej,  Mechanika  z. 70,  1980, Warszawa. 5.  T.  TSUKADA,  K.  SASAIIMA, A  three — dimensional  measuring  technique for  surface asperities,  „ Wear"' vol.  71, no  I ,  1981. 6.  K.  NARAYANASAMY,  V.  RADHAKRISHN AN,  R. G .  NARAYANAMURTHI,  Analysis  of  surface  reproduction characteristics  of  different replica  materials,  „ Wear",  no  57, 1979. P  e 3 w  M  e IIIEPEXOBATOCTH   ITOBEPXH OCTEft  H M M E P C H O H H Ł IM   M E TOflOM H H T E P O E P O M E T P H B  pa6oTe  npeflcraBJieH   HMMepcHonHwft  iweTOA roJiorpacbH iecicoH   H H iepdjepoiweTpH H fljM  HccneflOBaHHH  m epexoBaiocTH   TexrawecKH X  n oBepxH ocreii,  B KaToposw  H cnoJiraoBaH bi penrtHKH   3TH X  n oBepxH ocren  H  H o saa  oirraiecKaH   cucreM a.  I I o jiyieH bi  STH M  MeTOfloiw  MHKpoTonorpacj>H- • qecKHe KapTbi  HCCJieflOBaHLix  noBepxH ocreft  o paccTOHHHnx Me>Kfly  H 30nmcaM H  d Z s  1  M KM ,  flejiaioi B03MOWHWM   noflpo6neflmee  onncaH H e  H X reoiweTpH   H  onpenejieH H e  H OBLI X  TpH 6oJionraeci< nx  n ap a- MeTpoB.  B  MacTHOCTH   H ccJie^oBaH o  MeTajiJiiitiecKHe  noBepxHOCTH   n ocjie  crporaH H w  H   uiJiHtboBaHHH. OnpefleJieH H we  rojiorpad^H ^ecKH M   MCTOAOM   HeKOTopbie  napaM eTpbi  noBepxH ocTen  cpaBn en o  c  n ap a - MeipaMH  HSMepeBHbiMH  npo(pHJioMeTpoM  TajiH cypeb  5. JIpefljioH