פרק 4: פני השטח של חומרים
4.1 מדוע פני השטח חשובים
כאשר אנו מתבוננים בחומר, נדמה לעיתים שעיקר העניין נמצא בנפחו הפנימי. אחרי הכול, רוב המסה נמצאת בתוך החומר ולא על פניו. מנקודת מבט הנדסית, זוהי לעיתים קרובות טעות.
חלק גדול מן התהליכים החשובים ביותר מתרחש דווקא באזור דק מאוד הסמוך לפני השטח. לעיתים מדובר בשכבה שעובייה קטן מאלפית המילימטר, אך שכבה זו קובעת אם החומר יחליד, יישחק, יידבק לחומר אחר או יפעל כזרז בתגובה כימית. במקרים רבים אפשר לשנות באופן דרמטי את התנהגות החומר מבלי לשנות כלל את נפחו הפנימי — אלא רק באמצעות שינוי פני השטח.
המקור לכל זה פשוט: האטומים שעל פני השטח נמצאים במצב מיוחד. אטום בתוך החומר מוקף שכנים מכל עבריו, וכל קשריו “מסופקים”; אטום על פני השטח חסר שכנים מצד אחד, ולכן יש לו קשרים לא-מסופקים ואנרגיה עודפת. אנרגיית פני השטח הזו היא ה”מנוע” שמושך אליו מולקולות מן הסביבה, מזרז תגובות ומניע קורוזיה. מסיבה זו התפתח תחום שלם במדע ובהנדסת חומרים, המוקדש לחקר פני השטח ולהנדסתם.
נבחן ארבע תופעות מרכזיות שכולן, ביסודן, תופעות פני שטח.
קורוזיה
מרבית תהליכי הקורוזיה מתחילים על פני השטח. האטומים שבתוך החומר יציבים יחסית, ואילו אלה שעל פני השטח חשופים לסביבה החיצונית ובאים במגע עם חמצן, מים, מלחים, חומצות, בסיסים ומזהמים שונים. לכן תגובות כימיות מתרחשות בראש ובראשונה באזור זה. גם כאשר הנזק הסופי חודר לעומק החומר, תחילתו כמעט תמיד על פני השטח — ולכן קורוזיה היא, ביסודה, תופעת פני שטח. (לנושא זה נקדיש תשומת לב מיוחדת בהמשך הספר.)
אדהסיה
כאשר שני חומרים מודבקים זה לזה, הקישור ביניהם אינו מתרחש בנפח החומר אלא בממשק שביניהם — כפי שראינו כבר בחומרים המרוכבים, שבהם איכות הממשק קובעת את התכונות. חוזק האדהסיה מושפע מניקיון פני השטח, מחספוס, מהרכב כימי, מנוכחות תחמוצות ומאנרגיית פני השטח. מסיבה זו הכנת פני השטח היא לעיתים קרובות השלב הקריטי בתהליכי הדבקה, צביעה וציפוי — משטח מלוכלך או מחומצן יכשיל את ההדבקה החזקה ביותר.
שחיקה
כאשר שני גופים נעים זה ביחס לזה, המגע ביניהם מתרחש על פני השטח בלבד. לכן גם תהליכי החיכוך והשחיקה הם תופעות פני שטח מובהקות. במקרים רבים כשל של רכיב הנדסי אינו נובע מחוסר חוזק של החומר כולו, אלא מהרס הדרגתי של שכבת פני השטח. דוגמאות נפוצות הן גלגלי שיניים, מסבים, כלי חיתוך, בוכנות ומנועים. מסיבה זו שיפור עמידות השחיקה מתמקד לעיתים קרובות בשינוי פני השטח בלבד, ולא בשינוי החומר כולו — רעיון שיעמוד במרכז הפרק הבא.
קטליזה
תגובות כימיות רבות מתרחשות על פני שטח של חומר מוצק. במהלך הקטליזה, המולקולות המגיבות נספחות לפני השטח, מגיבות זו עם זו, ולאחר מכן עוזבות אותו. לכן שטח הפנים הזמין הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר בתכנון זרזים, וזרזים רבים מיוצרים בצורה נקבובית מאוד, כך ששטח הפנים הכולל שלהם יהיה גדול ככל האפשר (לעיתים מאות מ”ר בגרם חומר בודד). כאן שב ומופיע מושג הנקבוביות שהכרנו בקרמיקות — אך הפעם הנקבוביות היא דווקא המטרה.
4.2 מבנה פני השטח
כאשר מתבוננים בפני שטח במיקרוסקופ, מתברר שהם שונים מאוד מן התמונה האידיאלית של גביש מושלם. בפועל פני השטח הם אזור מורכב ודינמי, המכיל פגמים, זיהומים, תחמוצות וחומרים שנספחו מן הסביבה. לעיתים קרובות הם שונים בהרכבם ובתכונותיהם מן החומר המצוי מתחתיהם.
שכבת בילבי
בשנת 1921 הציע המדען האנגלי בילבי (Beilby) כי פעולות עיבוד מכני כגון ליטוש או השחזה יוצרות על פני השטח שכבה דקה בעלת מבנה שונה מזה של החומר שמתחתיה. במהלך העיבוד, החום והעיוות הפלסטי המקומיים כה עזים, עד שהשכבה החיצונית “נמרחת” ומאבדת חלקית את מבנה הגביש המקורי. שכבה זו מכונה שכבת בילבי.
כיום ידוע שהתמונה מורכבת יותר מן ההסבר המקורי, אך המושג נשאר בשימוש לתיאור שכבת פני שטח שעברה שינוי משמעותי עקב עיבוד מכני. שכבה זו עשויה להשפיע על עמידות לשחיקה, על קורוזיה, על הידבקות ואף על תוצאות מדידות פני השטח עצמן.
ספיחה
אטומים ומולקולות מן הסביבה נוטים להצטבר על פני שטח של מוצקים, בתהליך הנקרא ספיחה (Adsorption). חשוב להבחין בינו לבין ספיגה (Absorption): בספיגה החומר חודר אל תוך נפח הגוף, ואילו בספיחה הוא נשאר על פני השטח בלבד. (כלל אצבע לשוני: ספיחה — על הפנים; ספיגה — אל הפנים.)
הספיחה היא תוצאה ישירה של אנרגיית פני השטח שהזכרנו: פני השטח “משלמים” חלק מן האנרגיה העודפת שלהם בכך שהם קושרים אליהם מולקולות מן הסביבה. לכן אפילו משטח שנראה נקי לחלוטין מכוסה בדרך כלל בשכבות דקות של אדי מים, חמצן, פחמימנים ומזהמים — וקשה מאוד לקבל פני שטח נקיים באמת (הדבר דורש ריק גבוה במיוחד).
תחמוצות
רבות מן המתכות מכוסות באופן טבעי בשכבת תחמוצת דקה, הנוצרת כמעט מיד לאחר החשיפה לאוויר. כאן ההבחנה קריטית, ונשוב אליה בקורוזיה: לעיתים התחמוצת מגינה על החומר מפני המשך חמצון — שכבה דקה, צפופה וצמודה החוסמת את המגע עם החמצן. דוגמאות מפורסמות הן אלומיניום, טיטניום וכרום, שכולם חייבים את עמידותם לשכבת תחמוצת מגינה (פסיבית). לעומת זאת, במקרים אחרים — כמו החלודה על ברזל — התחמוצת נקבובית ואינה מגינה, והקורוזיה ממשיכה להתפשט פנימה.
שכבות תחמוצת ממלאות תפקיד מרכזי בקורוזיה, בציפויים ובהידבקות, ולכן יש להביאן בחשבון כמעט בכל תהליך הנדסי הקשור לפני שטח.
בשלב זה ברור שפני שטח אינם גבול גיאומטרי בלבד, אלא אזור בעל מבנה ותכונות ייחודיים, אשר במקרים רבים קובע את התנהגות החומר כולו. השלב הבא הוא לתאר את צורתם הגיאומטרית של פני השטח ואת הדרכים למדוד אותה.
4.3 טופוגרפיה וחספוס
כאשר מתבוננים בפני שטח בעין בלתי מזוינת, הם נראים לעיתים קרובות חלקים לחלוטין. אולם הגדלה מספקת מגלה תמונה שונה: גם משטח מלוטש היטב מכיל בליטות, שקעים, חריצים ופגמים. למעשה, פני שטח מושלמים קיימים רק במודלים תאורטיים.
כדי לתאר את הגיאומטריה של פני השטח נהוג להבחין בין מספר רמות של אי-סדירות, לפי קנה המידה שלהן — מן הגדולה ביותר ועד הקטנה ביותר.
צורה (שגיאת צורה)
הסטייה הגדולה ביותר מן הצורה האידיאלית נקראת שגיאת צורה (form error). לדוגמה: מוט שאמור להיות גלילי אך יצא מעט חרוטי; משטח שאמור להיות מישורי אך יצא מעט קמור; חור שאמור להיות עגול אך יצא אליפטי. סטיות אלה קשורות בדרך כלל לדיוק הייצור, נמדדות לרוב במילימטרים או בעשיריות המילימטר, ואינן נחשבות בדרך כלל לחלק מן החספוס — אף שמבחינה הנדסית הן עשויות להיות חשובות מאוד.
גליות
בקנה מידה קטן יותר מופיעה הגליות (Waviness) — סטיות מחזוריות יחסית בעלות אורך גל גדול. הגליות נוצרת לרוב מרעידות של המכונה, מחוסר קשיחות של המערכת, מחוסר איזון או מתנודות תרמיות. היא נמצאת בתווך בין שגיאות הצורה הגדולות לבין החספוס העדין, ולעיתים משפיעה על איטום, על רעידות, על שחיקה ועל התאמת חלקים זה לזה.
חספוס
האי-סדירויות הקטנות ביותר נקראות חספוס (Roughness), ומקורן בדרך כלל בתהליך העיבוד עצמו — סימני חריטה, סימני כרסום, סימני ליטוש, או פגיעות של חלקיקים שוחקים. בקנה מידה זה פני השטח מורכבים מרצף של פסגות ועמקים. למרות ממדיהם הזעירים, מאפיינים אלה משפיעים באופן משמעותי על חיכוך, שחיקה, הידבקות, קורוזיה וביצועי ציפויים. מסיבה זו חספוס פני השטח הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר בהנדסת פני שטח.
הבחנה זו בין שלוש הרמות אינה רק תאורטית: בעת מדידה, מפרידים ביניהן באמצעות סינון (filtering) לפי אורך גל, כדי לבודד את החספוס מן הגליות ומשגיאת הצורה.
פרופיל פני השטח
כאשר מעבירים חתך דמיוני דרך פני השטח מתקבל פרופיל פני השטח — עקומה דו-ממדית של גובה כתלות במיקום. באמצעותו ניתן למדוד את הגובה והמיקום של כל בליטה ושקע, ומרבית מדדי החספוס המודרניים מבוססים על ניתוח מתמטי של פרופיל זה. לפני עידן המחשבים נהגו לעיתים להשוות פני שטח לדוגמאות תקניות באמצעות מגע וראייה; כיום מרבית המדידות מבוצעות אוטומטית במכשור ייעודי.
4.4 מדדי חספוס / טיב השטח
לאחר שתיארנו את מבנה פני השטח, עולה השאלה כיצד ניתן לכמת אותו. תיאור מילולי כגון “חלק” או “מחוספס” אינו מספיק לצרכים הנדסיים, ולכן פותחו מדדים מספריים. חשוב לזכור מראש: אף מדד יחיד אינו מסוגל לתאר באופן מלא את כל מורכבותם של פני השטח, ולכן משתמשים לעיתים בכמה מדדים במקביל.
כל המדדים נמדדים ביחס לקו ייחוס (לרוב הקו הממוצע של הפרופיל) ובתוך אורך מדידה מוגדר — שתי נקודות שיתבררו כחשובות מאוד בהמשך.
Ra
המדד הנפוץ ביותר הוא Ra — הממוצע האריתמטי של הסטיות המוחלטות של הפרופיל מן הקו הממוצע. במילים פשוטות, Ra מתאר את הגובה הממוצע של האי-סדירויות; ככל שערכו קטן יותר, פני השטח חלקים יותר.
יתרונו הגדול הוא פשטותו, ולכן הוא מופיע כמעט בכל שרטוט הנדסי ובכל מפרט. אך יש לו מגבלה חשובה: מאחר שהוא ממצע, הוא “מטשטש” פגמים מקומיים. שני משטחים שונים מאוד — אחד חלק עם חריץ עמוק בודד, ואחר מחוספס באופן אחיד — עשויים להציג בדיוק אותו ערך Ra, אף שהתנהגותם ההנדסית שונה לחלוטין.
Rt
מדד חשוב נוסף הוא Rt — ההפרש בין הפסגה הגבוהה ביותר לבין העמק העמוק ביותר בכל תחום המדידה. בניגוד ל-Ra, המדגיש את ההתנהגות הממוצעת, Rt רגיש במיוחד לפגמים מקומיים. לכן הוא שימושי כאשר חריץ עמוק בודד או בליטה חריגה עלולים להשפיע על תפקוד הרכיב — למשל כמוקד לריכוז מאמצים או לתחילת סדק.
מדדים נוספים
ביישומים מתקדמים נעשה שימוש במדדים רבים נוספים:
- Rq — חספוס ה-RMS (Root Mean Square), כלומר השורש הריבועי של ממוצע ריבועי הסטיות. למעשה זהו חספוס המחושב בשיטת הריבועים הקטנים ביותר — אותה שיטה סטטיסטית המשמשת בכל מקום שבו רוצים למזער את סכום ריבועי הסטיות. מאחר שהוא מעלה את הסטיות בריבוע, Rq רגיש לפסגות ולעמקים חריגים יותר מ-Ra, ולכן מועדף בעבודה סטטיסטית ובמשטחים אופטיים.
- Rp — גובה הפסגה הגבוהה ביותר (מעל הקו הממוצע);
- Rv — עומק העמק העמוק ביותר (מתחת לקו הממוצע).
Rz, ובעיית קו הייחוס
המדד Rz מתואר לרוב כ”גובה אופייני של הפרופיל”. כאן נדרשת זהירות מושגית. בהגדרתו ה”נאיבית”, Rz הוא פשוט המרחק בין הפסגה הגבוהה ביותר לעמק העמוק ביותר — אך אז הוא כמעט אינו נבדל מ-Rt, שכן שניהם נשלטים על ידי שני אירועים קיצוניים בודדים, והם רגישים מאוד לבחירת קו הייחוס ולנקודות החריגות שבמקרה נפלו בתחום המדידה. מדד המבוסס על נקודה אחת קיצונית בכל קצה אינו יציב סטטיסטית — מדידה חוזרת על אותו משטח עלולה לתת ערך שונה למדי.
הפתרון המקובל הוא לא להסתמך על זוג קיצוני יחיד, אלא לחלק את אורך המדידה למספר מקטעים שווים ולמצע ביניהם. במקום הפסגה והעמק הבודדים, לוקחים את ה-2 או ה-3 הגבוהים והעמוקים ביותר, וממצעים:
- Rz2 — ממוצע של שתי הפסגות הגבוהות ביותר ושני העמקים העמוקים ביותר;
- Rz3 — ממוצע של שלוש הפסגות ושלושת העמקים.
(העיקרון הזה הוא בדיוק הבסיס למדד ה-Rz הקלאסי לפי תקני DIN/ISO, המבוסס על ממוצע של חמישה מקטעי מדידה.) היתרון ברור: ככל שממצעים יותר אירועים, כך המדד יציב ובר-שחזור יותר, ופחות רגיש לפגם בודד מקרי. לכן, כאשר רוצים לתאר את הטיב האופייני של פני השטח (ולא את הפגם הגרוע ביותר), עדיף לרוב לדווח Rz2 או Rz3 על פני Rz “נאיבי” או Rt.
עם התפתחות שיטות המדידה התלת-ממדיות נוספו גם מדדים המתארים את פני השטח כולו (מדדי S, כגון Sa ו-Sq) ולא רק חתך יחיד. עם זאת, עבור רוב היישומים ההנדסיים הבסיסיים, Ra ו-Rt מספקים תיאור ראשוני שימושי.
4.5 שיטות לאפיון פני שטח
פני שטח ניתנים לאפיון במגוון רחב של שיטות, ואין שיטה אחת המתאימה לכל מצב. בחירת השיטה תלויה בשאלה שאנו מנסים לענות עליה: מהי צורת פני השטח? מהו החספוס? מהו ההרכב הכימי? מהו המבנה המיקרוסקופי? לעיתים נדרש שילוב שיטות לקבלת תמונה מלאה.
נציג ארבע שיטות מרכזיות, המסודרות בקירוב לפי רזולוציה עולה.
מיקרוסקופיה אופטית
המיקרוסקופ האופטי הוא מן הכלים הוותיקים והנפוצים ביותר. יתרונותיו: פשטות, עלות נמוכה ומהירות עבודה גבוהה. באמצעותו ניתן לבחון שריטות, סדקים, פגמי עיבוד ומבנים מיקרוסקופיים כלליים. מגבלת היסוד נובעת מאורך הגל של האור (כמחצית המיקרון): אי אפשר להבחין בפרטים קטנים ממנו, ולכן ההגדלה והרזולוציה מוגבלות. (מגבלה זו מתחברת ישירות לתורת הפסים מן הפרק הקודם — האור הנראה הוא גלי אלקטרומגנטי בעל אורך גל מוגדר.)
SEM — מיקרוסקופ אלקטרונים סורק
מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק (SEM) הוא מן הכלים החשובים ביותר במדע החומרים המודרני. במקום אור, המכשיר משתמש באלומת אלקטרונים — ומאחר שאורך הגל של האלקטרונים קטן בהרבה מזה של האור, מתקבלים עומק שדה גדול, הגדלה גבוהה ורזולוציה מצוינת. תמונות SEM מאפשרות לראות בפירוט מבנים גבישיים, פגמי שטח, מוצרי קורוזיה, שכבות ציפוי ומנגנוני שבר. מסיבה זו SEM הפך לכלי עבודה מרכזי במעבדות חומרים. (לעיתים קרובות הוא משולב עם גלאי EDS, המאפשר גם ניתוח כימי מקומי של פני השטח.)
פרופילומטריה
פרופילומטריה מיועדת למדידה ישירה של טופוגרפיית פני השטח. בשיטה הקלאסית (פרופילומטר מגע), מחט יהלום דקה נעה על פני המשטח ומתעדת את שינויי הגובה, ומן הפרופיל המתקבל מחשבים את Ra, Rt ושאר המדדים שראינו. כיום קיימות גם שיטות אופטיות המודדות ללא מגע, שיתרונן בכך שאינן פוגעות במשטחים עדינים (וגם אינן מוגבלות ברדיוס החוד הפיזי).
AFM — מיקרוסקופ כוח אטומי
מיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM) מאפשר מדידות ברזולוציה גבוהה במיוחד. בקצה זרוע גמישה מותקן חוד חד מאוד הסורק את פני השטח, וכוחות זעירים הפועלים בין החוד לדוגמה (כוחות בין-אטומיים) גורמים לתזוזות הנמדדות בדיוק רב. כך ניתן לקבל מפות טופוגרפיות ברזולוציה ננומטרית, ולעיתים אף ברמה האטומית. השיטה שימושית במיוחד לחקר ציפויים דקים, מוליכים למחצה, חומרים ביולוגיים וננו-חומרים. שים לב להבדל המושגי מ-SEM: ה-SEM “מצלם” את פני השטח, ואילו ה-AFM “ממשש” אותם פיזית בחוד.
סיכום הפרק
- תהליכים הנדסיים רבים נשלטים על ידי תופעות פני שטח, שמקורן באנרגיית פני השטח — האטומים החיצוניים בעלי קשרים לא-מסופקים.
- קורוזיה, אדהסיה, שחיקה וקטליזה מתרחשות בעיקר באזור פני השטח.
- פני השטח שונים בדרך כלל מן החומר שמתחתם: שכבת בילבי, ספיחה ושכבות תחמוצת (מגינות או לא-מגינות) משנות את תכונותיו.
- את הטופוגרפיה מתארים בשלוש רמות לפי קנה מידה: צורה, גליות וחספוס, המופרדות בסינון.
- מדדי חספוס מכמתים את פני השטח: Ra (ממוצע, פשוט אך מטשטש פגמים), Rt (קיצוני, רגיש לפגם בודד), Rq (RMS, בשיטת הריבועים הקטנים), ו-Rz — שבצורתו הבודדת אינו יציב ודומה ל-Rt, ולכן עדיף למצעו כ-Rz2/Rz3.
- כל המדדים תלויים בקו הייחוס ובאורך המדידה — ומכאן היתרון שבמיצוע.
- שיטות אפיון (מיקרוסקופיה אופטית, SEM, פרופילומטריה, AFM) מספקות מידע גיאומטרי, מבני וכימי, בקני מידה שונים.
בפרק הבא נראה כיצד ניתן לא רק לאפיין את פני השטח, אלא גם לשנותם באופן מכוון — באמצעות טיפולי שטח וציפויים.