mae 493n_503t_lec 2

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“Tribology in Mechanical Engineering” MAE 493N/593T Dr. Konstantinos A. Sierros West Virginia University Mechanical & Aerospace Engineering ESB Annex 263 [email protected]

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“Tribology in Mechanical Engineering”

MAE 493N/593T

Dr. Konstantinos

 A.

 Sierros

West Virginia University

Mechanical & Aerospace Engineering

ESB Annex

 263

[email protected]

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Course material

You can read and download course material from the following blog;

http://wvumechanicsonline.blogspot.com

e‐handouts will be also uploaded in the blog

Please print responsibly! 

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Surfaces

• No real surface can possess perfect geometry

• Surface roughness and errors in the shape (waviness)

Roughness

Waviness

Total profile

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Surfaces

Before polishing After polishing

http://www.leicester‐ils.co.uk/electropolishing.html

• Stainless steel

 surface

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Roughness and waviness

• Waviness 

(b): 

Undulations 

with 

relatively 

long 

wavelengths 

(mm 

scale)• Roughness (c): Variations with much shorter wavelengths

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Contact between surfaces

 When two surfaces contact each other, the 

surface asperities (tips of  the

surface roughness) must first carry the load

http://www.theshortspan.com/features/friction.htm

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Contact between surfaces

• Geometric texture

 of 

 surfaces

 depend

 on;

a.Production route

b.Nature of  underlying substrate

Atomic lattice resolution of  a mica 

surface. Height image. Image size 6.6 nm x 

6.6 nm,

 z‐range

 0.4

 nm

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2076

• Atomically smooth surfaces

• If  2 mica (clean) surfaces touch each other;

apparent contact area ≈

 true contact area

• Squeezing 2 small

 rubber

 surfaces

 together;

apparent contact area ≈

 true contact area

(elastic deformation of  asperities)

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How do we examine surfaces?• Optical microscopy (up to 1000x mag)

 Scanning Electron Microscopy ‐

 SEM (high 

magnification up

 to

 300000x

 and

better field of  depth)

 Transmission Electron Microscopy  – TEM (even 

higher magnification, 750000x)

 Atomic

 Force

 Microscopy

  – 3D

 surface

 

topography and true atomic resolution

in high vacuum

 Profilometry  – 3D surface topography, longer 

scans and

 5 nm

 vertical

 resolution

 

diamond stylus

surface

Stylus

movement

MEMS  –

 Sandia Labs

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Statistical nature of  surfaces

• No 

single 

numerical 

parameter 

can 

adequately 

describe 

surface 

geometry• Centre line average roughness (Ra

 ) and Root mean square roughness (Rq

 )

are the simplest parameters

dx y

 L

 R

 L

∫ =0

1α 

Length 

Coordinate in the surface

Height of  surface measured above 

mean level

( At mean level: area of  material above = area of  the voids below) 

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Making smooth surfaces and using Ra

Decreasing roughness

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Issues with average roughness (Ra

 )

• Different 

topographies 

may 

have 

the 

same 

Ra value!

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How do we overcome this problem?

• Using 

the 

root 

mean 

square 

roughness 

value 

(Rq

 ) 

⎟⎟ ⎠

 ⎞

⎜⎜⎝ 

⎛ 

= ∫ 

 L

q dx L R y0

21

In this

 case;

 y becomes

 y2

 as

 compared

 to

 Ra

 equation

and this squared term gives greater significance to surface variation

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Abbott bearing area curve

• We 

should 

be 

able 

to 

estimate 

the 

bearing 

area•

 Bearing area

 is the proportion of  the nominal contact area between two 

opposing surfaces that are in true contact

It 

is 

reallybearing

length!

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Statistical treatment of  surfaces

 We first define Φ(z) which is the probability distribution function* of  

the z axis

 For Φ(z) ‐

 Plot the number of  times a particular value of  z occurs in the 

data vs. the value of  z and scale the most close data fitting curve so the 

area under

 it

 is

 unity;

 

*A mathematical function that is used to model the frequencies and probabilities of  

events over time.

∫ 

+∞

∞− =Φ 1)( dz z

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Statistical treatment of  surfaces

 For real surfaces, a ‘bell‐shaped’

 curve is observed and Φ(z) is described by a 

Gaussian distribution

 (Large

 number

 of 

 randomly

 occurring

 events)

 

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Statistical treatment of  surfaces•

 In general, it is not always easy to  judge if  any given surface

 deviates 

from 

Gaussian 

distribution•

 To further investigate we can plot the number of  times a particular 

value of  z occurs in the data vs. the value of  z, on normal probability axes 

SD of 

 data

A truly random 

(Gaussian) distribution

falls 

on 

straight 

line

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Engineering surfaces

•  In general, random surfaces in engineering are the exception and not 

the rule

 Most surfaces are tailored to our needs and surface patterns are 

apparent in most cases (depending on magnification of  observation)

Si nanostructure, 200 nm pitch

Fabricated by lithography and DRIE

Chang‐Hwan Choi, UCLA

Turning on a lathe

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Statistical treatment of  surfaces• We can attempt to quantify the shape of  the distribution curve

• We can

 use

 the

 moments

 of 

 the

 distribution*

*A set of  numbers that describe various properties of  a distribution are called 

moments of  the distribution 

∫ 

+∞

∞− Φ= dz z zm

n

n )(nth

 moment

• For n=1, we generally choose the level from which z is measured

 to give us

m1

 =0

• For n=2, and taking into account that m1

 =0 we arrive at the following;

q

 Rm == σ 2

SD of  the distribution

root mean square 

roughness 

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Skewness, Sk

dz z zSm

k  )(1 3

33

3

Φ== ∫ 

+∞

∞−σ σ 

3d

 moment

• If  Sk

 =0, the distribution is symmetrical 

∫ +∞

∞−

Φ= dz z zmn

n )(

Skewness Sk

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Skewness, Sk

• If  Sk

 =0 the distribution is symmetrical (a)

• If  a process starts removing the peaks (b)

Sk

 <0

 

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Kurtosis, K

dz z zK m

)(1 4

44

4 Φ== ∫ +∞

∞−σ σ 

4th

 moment

• A 

Gaussian 

distribution 

has 

K=3• Distributions with sharper peaks than Gaussian have K<3 

∫ +∞

∞−

Φ= dz z zmn

n )(

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Considerations

(dealing only with height distributions)

• These statistical parameters are based on random data and they themselves are

subject to

 random

 statistical

 variations

• Therefore, we may not be able to tell if  a given value of  Sk

 or K represents a true

property of  the surface or it has been influenced by the sampling process itself 

• There is no information on the horizontal dimension and spatial

 distribution!

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Surface height distribution

 Based only on height distribution the two surfaces below give identical 

roughness parameters

 Their tribological response may be different since (a) exhibits

 an ‘open’

 texture 

and (b) exhibits a ‘closed’

 texture

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Surface ‘horizontal descriptors’

 In order to take into account the horizontal dimension of  the surface one should 

consider possible parameters such as;

‐ Number of  peaks per unit length of  profile

‐ Number of  crossing points per unit length with the mean level

• None 

of  

the 

above 

parameters 

are 

intrinsic  properties 

of  

the 

surface•

 It is widely accepted that surfaces exhibit a form of  self  similarity with increasing 

magnification

 Therefore; Peak density, zero‐crossing density etc are all highly dependent on 

the 

sampling 

interval

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Self ‐similarity

Autocorrelation functions (ACF)

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Autocorrelation functions (ACF)

• Approach to incorporate information on spatial variations

• The ACF  is

 defined

 as;

⎟⎟

 ⎠

 ⎞

⎜⎜

⎝ 

⎛ 

+×= ∫ ∞→

 L

 L

dx x z x z

 L

t 0

2)()(

1lim

1)( τ 

σ 

 ρ 

Sampling lengthSD of  z

Autocorrelation functions (ACF)

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• When τ=0, ρ(τ)=1 and the curve

must decay

 from

 a value

 of 

 unity

• As τ

 goes to infinity, ρ(τ) becomes

asymptotic to zero

• The form of  the curve decay provides

info on

 the

 spatial

 distribution

 of 

 roughness

Summary

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Summary

• No real engineering surface can possess perfect geometry

• There are

 several

 techniques

 of 

 surface

 examination

• Engineering surfaces are different compared to ‘real’

 surfaces

• Surface roughness parameters

• Attempts to incorporate information on spatial variations

Out of  class activity

You can attempt to solve the following problem;

Find the values of  Ra, Rq, Sk, and K for a surface whose profile is given by 

z(x)=αcos(πx/α)