激光共聚焦显微镜在磨损表面粗糙度表征中的应用

　　1　引　言

　　磨损是一种常见的表面失效现象,磨损表面形貌直接反映设备材料的磨损、疲劳和腐蚀等特征行为。研究表明,相互接触的零件原始表面形貌可以通过相对运动阻力的变化而影响磨损,磨损过程中所发生的表面形貌的变化又将影响到随后磨损阶段。此外,磨损表面形态又是摩擦磨损全过程的最终直接记录。因此,磨损表面形貌是判定磨损机制最直接、最主要的判据[1]。

　　常用的磨损表面形貌观察手段有体视显微镜、扫描电镜,但不具备表面形貌特征的数字化描述功能;常用的粗糙度测量手段有干涉仪、粗糙度仪等,但是不能对磨损表面形貌进行观察。先进的磨损表面形貌分析、表征设备要求在观察到磨损表面形貌的同时能得到准确的表面形貌数据以便能进行进一步的分析。而激光共焦扫描显微镜(LSCM)的出现弥补了这一缺陷,同时具备磨损形貌观察以及数字化描述的功能,能方便、准确地对磨损表面形貌进行深入研究[2,3]。粗糙度是数字化描述磨损表面形貌特征的最常用参数,常用的粗糙度评定参数有轮廓算术平均偏差Ra,微观不平度十点高度Rz以及均方根粗糙度Rq等[4]。本文采用ZEISS LSM 5Pascal激光共聚焦显微镜,通过调节物镜和测量视场等参数以及过滤参数,对磨损表面粗糙度特征进行精确描述,在此基础上对不同磨损形态的磨损表面形貌进行分析。

　　2　试验材料和方法

　　试验采用粗糙度仪标准试样和车削试样,经Mahr Perthometer M3便携式粗糙度仪测量得到粗糙度值Ra。如表1所示。

　　3　结果与分析

　　激光共焦扫描显微镜早期用于生物领域[5,6],随着不断的改进,目前在材料领域也得到了广泛的应用,成为介于光学显微镜和电子显微镜之间的微观测量手段。采用共轭焦点技术成像,相干性很好的激光作为激发光源。光源、被测样品及探测器处在彼此对应的共轭位置上,激光束从光源针孔射出,经过分光镜,再由扫描透镜聚焦于样品表面,对样品内焦平面上每一点进行扫描。然后反射的激光束经由入射光路直接返回到分光镜,经分光镜折射和探测透镜聚焦后,透过探测针孔(Detector Pinhole)由光电倍增管探测收集。在此过程中,只有来自样品焦平面上的光才能在探测针孔平面正确聚焦,从而穿过探测针孔而成像;焦平面以外区域射来的光线在探测针孔处是离焦的,被探测针孔滤除,不能被光电倍增管探测收集[7]。因此,用激光共焦扫描显微镜观察表面时,非观察点不能成像,从而克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点,把物体分为若干光学断层,逐层扫描成像,层与层之间有高的纵深分辨率,这样成像图像清晰。图1所示为一个典型的激光共焦扫描显微镜系统的示意图。