3回目 3rd

平成23年機械・知能系５セメスター
そうせいがく
創成学
Creation and Production
2. 素材の創成：材料の表面性状
Creation of materials :
Characteristics of material surface
固体の表面 Surface of materials
God made (
), but (
were the work of the Devil.
Wolfgang Pauli
)
固体の表面構造
Surface structure of material
固体の表面性状 Characteristics of material surface
(
)
+
(
)
=
(
)
固体の表面性状 Characteristics of material surface
汚れなどの膜
Contamination
吸着分子膜
Adsorbed molecular film
酸化膜 Oxide film
加工変質層
Damaged layer
金属素地 Basic metal
表面性状パラメータ Parameter for surface textures
断面曲線と粗さ曲線
主な粗さパラメータ
Profile and roughness curve
Roughness parameter
断面曲線
うねり曲線
Ra
Ry
Arithmetic
mean
roughness
Maximum
height
roughness
粗さ曲線
Rz
Ten point
mean
roughness
断面曲線
＝
Profile curve
＋
いずれも粗さ曲線から計算される。
Calculated from roughness curve.
代表的な表面形状の測定方法 Measurement method of surface texture
(
)
(
)
(
(
)
(
)
)
接触の機構
Contac mechanics
見かけの接触と真実接触 Apparent contact and real contact
Normal load
みかけの接触面積
Aa = a×b
Apparent contact area
真実接触部
Real contact area
真実接触面積
真実接触面積は
みかけの接触面積の
(
)
接触面剛性 Contact stiffness
接触面剛性
Contact stiffness
接触面が存在することで，
系の剛性が変化する特性
Change in stiffness at
contact interface
●(
)現実の接触面
は剛性を低下させる。
(
) decrease
Normal load P（荷重）
凹凸のない理想的表面
Without
asperities on
the surfaces
凹凸のある
現実の接触面
Asperities on
the surfaces
stiffness when contact with each other
●(
剛性は低下する。
Stiffness decreases as the number of
contact area (
).
)
Permanent deformation
Deflection Sd （変位量）
硬さとは？ What is hardness
１．硬さの基本概念 Basis concept of hardness
（１）指でさわる
指の感じる接触圧力が小さいほど軟らかい
Touch with a finger Lower contact pressure means softer.
例：ゴムは軟らかく，鉄は硬い
e.g.) Rubber is soft and iron is hard.
（２）お互いにこする
傷のついた方が軟らかい
Rubbing each other
Scratched surface is softer.
例：ガラスは鋼に傷をつける
e.g.) Glasses can scratch steels.
２．硬さ試験法の種類 Types of hardness test
（１）(
⇒(
（２）動的硬さ試験 Dynamic hardness testing
（３）引っかき硬さ試験 Scratch hardness testing
)
)
主な押込み硬さ試験法
ブリネル
硬さ
ヌープ
硬さ
ロックウェル
硬さ
Indentation hardness testing methods
ビッカース硬さ Vickers hardness
P
負荷
圧子
Diamond pyramid
indenter
L
q
く
ぼ
み
2Wsinq/2
HV=
L2
=
硬さの値（kgf/mm2, MPa, GPa）は
表面が(
)を示す。
Hardness value (kgf/mm2, MPa, GPa) means (
).
主な材料のビッカース硬さ
Vickers hardness, kgf/mm2
10000
5000
4000
3000
2000
Vickers hardness of engineering materials
Diamond (ダイヤモンド)
Cubic boron nitride (cBN)
Boron nitride (BN)
Titanium carbide (TiC)
Tungsten carbide (WC-Co)
1000
500
400
300
200
100
50
40
30
20
10
5
4
3
2
1
Glass (ガラス)
Titanium (チタン)
Gray iron (ねずみ鋳鉄）
Annealed mild steel (焼きなまし鋼)
Cementite
Hard chromium plate （クロムメッキ）
Martensite (マルテンサイト鋼)
Fully hardened tool steel (硬化鋼）
Brass (真鍮）
Nickel (ニッケル)
Pure iron (純鉄)
Zinc (亜鉛), gold (金), magnesium (マグネシウム)
Silver (銀)
Polystyrene (ポリスチレン)
Pure aluminum (アルミニウム)
Vinyl resin (ビニル樹脂)
Graphite (黒鉛)
Tin (スズ)
Lead (鉛)
表面性状，面取りの図示方法 Indication of surface roughness and chamfer
大西清著、JISにもとづく標準製図法、第13全訂版、理工学社（2010）
製図における表面性状 Surface texture in drawing
Gear pump
大西清著、JISにもとづく標準製図法、第13全訂版、理工学社（2010）
面取りの重要性：接触形態と接触圧力分布
接触形態
Contact geometry
W
(
)
接触圧力分布
Contact pressure
distribution
面取りのない剛体と弾性平面の接触
Contact between elastic flat surface and rigid body without chamfer
W
(
R
)
R
面取りした剛体と弾性平面の接触
Contact between elastic flat surface and rigid body with chamfer
二物体間の摩擦
Friction
摩擦係数の定義 Definition of friction coefficient
垂直荷重 Normal load
W
Static friction
coefficient
静摩擦力 Fs
接線方向外力
Tangential force
Kinetic friction
coefficient
動摩擦力 Fk
摩擦力 Friction force
F
摩擦係数
m=F/W
Friction force
摩擦力 F
P
静止
運動
時間 Time
：すべり出しの摩擦力 Fs / 荷重 W
Static friction coefficient : Fs/W at slip initiation
：運動中の摩擦力 Fk / 荷重 W
Kinetic friction coefficient : Fs/W at during sliding
アモントン・クーロンの法則（経験則） Amontons-Coulomb Law
（１）
摩擦力は，(
Friction force is
)する．
normal load
（２）摩擦力は，(
)に依存しない．
Friction force is independent of
.
（３）動摩擦力は，(
Friction force is independent of
)に依存しない．
※ 実際には，成立しないことが多い．
These laws are not often applied to actual
frictional behavior.
.
摩擦の発生メカニズム Mechanism of friction generation
F = Fa + Fp (Fh)
(
)
(
)
突起の食い込みによる
掘り起こし
Ploughing due to
penetration by hard
asperities
凝着
掘り起こし
)
圧縮変形から除荷に至る過程
での弾性ヒステリシス損失
Elastic hysteresis loss
弾性ヒステリシス損失
応力
真実接触域における凝着
Adhesion
at real contact area
(
ひずみ
摩擦の凝着説 Adhesion theory of friction
Normal load
Friction force
橋本巨著，基礎から学ぶトライボロジー，森北出版（株），(2006)
Traction force
摩擦力：真実接触部における(
Friction force：Force to shear adhesion in the real contact area
n
n
i 1
i 1
F   Fi  so  Ari so Ar
so: 凝着部の最大せん断強さ
(maximum shear strength）
Ar：真実接触面積
(real contact area)
)
表面粗さと摩擦係数の関係 Friction coefficient and surface roughness
W
F
P
Smooth
Rough
W
F
P
摩擦・摩耗低減のための方法 Method to reduce friction and wear
吸着分子膜による(
)(
(
)
by adsorbed molecular films
粉末固体潤滑剤
Solid lubricants
(powder form)
ころがり案内
Rolling type guide
)
固体潤滑被膜
Solid lubricating film
磁力
Magnetic force
圧力流体による静圧潤滑
Hydrostatic lubrication
(
)
接触面における凝着を
いかに低減するかが鍵！
How to reduce adhesion in
the contact area?
摩擦係数の概略的な範囲 Approximate friction coefficient values
0.1
1.0
流体潤滑
Hydrodynamic lubrication
境界潤滑
Boundary lubrication
自己潤滑性材料（無潤滑）
Boundary lubricating materials (dry)
セラミックス（無潤滑）
Ceramics (dry)
金属（無潤滑）
Metals (dry)
金属（静浄面・真空）
Metals (cleaned surface in vacuum)
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
摩擦係数
Friction coefficient
10
1
本日のまとめ Today’s summary
固体表面の凹凸は，うねりと粗さの２種類
Surface texture: waviness and roughness
金属の表面は，加工変質層，酸化膜，吸着膜，汚染膜
に覆われている．
Metallic surfaces are covered with damage layer, oxide
layer, absorbed film, and contamination film.
見かけの接触面積に比べ真実接触面積は極めて小さい．
Real contact area is significantly smaller than apparent
contact area.
接触面の数が多い，表面が粗いなどの場合には，接触
面剛性が低下する．
Large number of contact area and rough contact surfaces
decreases contact stiffness.
本日のまとめ Today’s summary
摩擦の法則は，成り立たない場合が多い．
Amontons and Coulomb friction laws are not frequently
applicable.
摩擦抵抗力の発生は，凝着，掘り起こしが主因子
（＋弾性ヒステリシス損失）
Friction is generated due to mainly adhesion and
ploughing (elastic hysteresis loss)
凝着力とは真実接触部における凝着をせん断するのに
必要な力である．
Adhesion force is force to shear adhesion in the real
contact area

Download Report