Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.10.2023

Размер:

10.35 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

а также

определении дисперсий ST2

и S

имеющих

число

степенен

свободы

= ( k - 1 )

и £ 2

= ( m - l ) соответственно. Дальнейшая

схема

вычислений

имеет

вид:

•

1,т .ч:

О , - - i t

г .

]= 1

д <

т к ; = ! 1

т к

j = l ]

с , =

Q, + Q 4 - Q : '

Q 3 - Q,

( к - 1 ) ( т - 1 )

к - 1

m -1

После всех расчетов

приступаем

к анализу факторов т и

ѵ.

Чтобы

факторы

V были

значимы,

необходимо,

чтобы

и S2

значимо

отличались

от

S 2

т.е. S 2 /S 2

; S.2 ,/S3 >F

где

F ,

значе-

1- р

1-р

1 _ Р

ния из таблицы распределения Фишера при

степенях свободы

=(k- 1 )

или

(m- 1) и

f2 = ( k - l ) ( m - 1).

Выше было сказано, что к входным переменным параметрам отно

сятся не только скорость и время трения,

но и

нормальная

нагрузка.

Для

оценки

влияния

факторов ѵ , т , Р

на

различных

их

уровнях при у с

ловии реверсивности трения был применен метод планирования экспе риментов на основе латинских квадратов. Как известно, метод постро ения латинских квадратов связан с построением дробно-факторного эксперимента. Планирование экспериментов при 30% реверса проводи

лось	при помощи латинского		квадрата	первого порядка	размером
Ю х Ю (К = 10). Анализ с			применением латинского квадрата требует,
чтобы число уровней всех факторов было одинаковым,					чего всегда мож
но добиться повторением каких-либо из уровней недостающее число
раз	[182]
Латинский квадрат		первого порядка		(10х 10), ( k=	10) применительно
к	факторам Р, ѵ, т	имеет	вид

	P .	p 2	p.
	P .		1
			1
V
1
			V i / y "
ѵ і		T j + m »
v k	\ / r k i	V Y k 2	T i - i / r k i
Итого		• > •	Г.
Итого			î

P k	Итого
P k
V r i k
T . / r 2 k	X	2
T . / r 2 k		2
T j - i / r j k	X .
T j - i / r j k		]
\ - i / r K k	x	k	k
	k		k
r k	2 Г ;		= 2
	i =	l 1	1=1

Схема расчетов для латинских квадратов похожа на двухфакторный дисперсионный анализ, описанный выше. Обозначим через наблю дения, проведенные при уровнях Р- и ѵ. а через Г- и Xj - соответ ственно итоги по столбцам и строкам. Тогда получим следующий по рядок анализа:

k	к	г	1	к	2
	к	2	i	к	.	к
Q = J_	S	X. -, Q4	= 4(	S	Г:)* = - (	2	X:) .
k i = l 1			k i = i		k	j = l

В связи с необходимостью оценивать третий фактор обозначим че

рез	у	сумму		всех наблюдений,	проводившихся	при	уровне т факто
ра времени т,				независимо от того, какие были		при	этом уровни фак
торов	Р	и	v. По выборке рассчитываем
0.	=		k
0.	=	, 1	2 У .
		k	ѵ = 1 ѵ
Затем			определяем дисперсию		воспроизводимости		S 3
							о

s , _ Q, + 2 Q 4 - Q 2 - Q 3 - Q 5

о( k - l ) ( k - 2 )

где число степеней свободы f2 = (k- l)(k -2). Дисперсии S*; S", и

ST , имеющие число степеней свободы f, = ( к - 1 ) , находим из выра жений

К ^

к - 1

Ц= ( Q , - Q J / ( k - D .

Эти дисперсии должны значимо отличаться от дисперсии							по
критерию	Фишера,	т.е.	=	Sp / Sg,	Fv = S2 /S^ и	^ т =	П Р И степе
нях свободы ft и		f,	[269]	должны	давать F T a b j l	< ^расч-	Т о г д а
действие	факторов	Р, ѵ и		т оценивается дисперсиями следующего
вида:

Всевозможные сочетания уровней, на которых проводился экспери мент, мы не приводим изза громоздкости таблиц.

На основании проведенного анализа можно заключить, что факторы времени, нагрузки, скорости и реверсивности движения с достоверно стью влияют на изменения свойств поверхностных слоев и, в частно сти, на микротвердость. При этом аналогичный по схеме анализ ука занных факторов трения свидетельствует и о достоверности их влияния на интенсивность экзоэлектронной эмиссии и контактной разности по тенциалов.

Как видно из рис. 41, 43, при реверсивном трении нарушается пря мая взаимосвязь между твердостью и экзоэмиссией, обнаруженная при одностороннем трении, что заставляет высказаться в пользу дислока ционного механизма, предопределяющего эмиссию электронов с дефор мированной поверхности. Этот вывод может быть также подтвержден и значительным изменением работы выхода электрона на рис. 41, 43 (кривая 3) при реверсе.

Из литературы известно [78, 270, 271], что изменение работы в ы хода при деформации металлов связано главным образом с дефектами структуры. При этом основную роль здесь играют дислокации, поверх ностные ступеньки и ребра атомарного масштаба, т.е. субмикрорельеф поверхности. Так, рассматривая с термодинамической точки зрения деформированный металл как раствор, вторым компонентом которого

являются дефекты,	В.И.Крюк	и В.В.Павлов [ 271]	показывают,	что	и з
менение работы выхода за счет дислокаций и субмикрорельефа в					сред
нем составляет 0,1	- 0,3 эв,	а за счет вакансий	- 0,04 эв.	Зависи

мость же между работой выхода и концентрацией дефетков имеет сле

дующий вид:
а	~ а д е ф +	" Т 1 п 1 Л деф;
для	меди, деформированной растяжением
	,	. ,	RT ]	A i
a— const		+ 3	~2~ 'S	I >
где	а д ѳ ф - парциальная работа выхода дефектных атомов, зависящая

от мольного объема металла; ІѴдеф - концентрация дефектов, мольная доля.

Таким образом, с ростом числа дефектов уменьшается работа выхода, что стимулирует увеличение интенсивности экзоэлектронной эмиссии. Вывод подтверждается приведенными выше данными по экзо электронной эмиссии, контактной разности потенциалов, степени д е формации и дефектности структуры образцов при одностороннем и р е версивном трении.

При изучении осциллограмм экзоэмиссии при трении были обнару жены "всплески" ее интенсивности в момент реверса. Эти "всплески"

эмиссии [108] впервые навели на мысль о возможном		упрочении по
верхностей	трения в момент реверса с последующим их	разупрочнени
ем. Однако	на кривых микротвердости (рис. 41, а) такой промежуточ
ной стадии	упрочнения перед разупрочнением не наблюдалось, что,

очевидно, связано с дискретным изменением микротвердости и доста

точно большим интервалом	времени (1 «• 2 мин) между	измерениями.
Для доказательства этого	предположения был выполнен	эксперимент

с более коротким интервалом времени трения между замерами микро твердости. Так, при разбивке минутного интервала при измерении

микротвердости (например, рис. 41,6, четвертая -	пятая	минуты т р е
ния) на более короткие - пятнадцатоеекундные с	замерами: 4 мин;
4 мин 15 сек; 4 мин 30 сек; 4 мин 45 сек; 5 мин были		получены

соответствено следующие значения микротвердости: 585, 620, 600, 530, 510 к Г / м м 2 , что свидетельствует о наличии при реверсе короткой и поэтому скрытой промежуточной стадии упрочнения поверхностных слоев с последующим их разупрочнением из - за предельных деформаций. Этот важный вывод для понимания развития свойств при реверсивном трении, подсказанный.экзоэлектронной эмиссией, не только подчерки вает необходимость изучения процессов трения непосредственно в ди

намических	условиях, но и показывает	тесную взаимосвязь формируе-.
мых свойств рабочих поверхностей трения с тонкими физическими				я в
лениями.
Рассмотрим еще ряд экспериментов		по экзоэлектронной эмиссии		и
динамике реверсивного трения металлов.
На рис. 44,а представлены кривые		экзоэмиссии с поверхности алю
миния при различных режимах трения		без смазки о бруски из стали
45 с нагрузкой 13,2 кГ. Как видно из		кривой 1, в первые минуты		т р е
ния происходит интенсивное увеличение эмиссии, которая			затем незна
чительно снижается. Если же осуществляется перемена			направления
скольжения,	то испускание электронов	поверхностью трения возраста
ет (кривая	2), а при дальнейшем трении начинает уменьшаться. При

повторяющихся реверсах характер кривых 2-10 будет зависеть не толь
ко от продолжительности каждого реверса,	но и от направления	перво
го скольжения. Например, кривые 3,5,7,9	совпадают с исходным	на


правлением трения и дают при реверсе меньшее				возрастание		экзоэмис
сии, чем кривые		2,4,6,8,10, отвечающие как бы		"чистому"		первому
реверсу. Таким		образом, первое нагружение приводит к глубоким и з
менениям в поверхностных слоях алюминия и оказывает					существенное
воздействие на последующий процесс трения скольжения.
При	трении (1,5		м/сек; 26,4 кГ) без смазки	образцов	из	сталей
25 и 45	(рис. 44,6)		так же, как и для алюминия,	наблюдается с р е

версом возрастание экзоэлектронной эмиссии. Характер этих кривых показывает, что даже сравнительно короткий начальный период трения, когда стабилизация деформации и многих сопровождающих ее процес сов еще не завершена, оказывается достаточным для создания в при поверхностных слоях металла труднообратимых направленных деформа

ций, знак от которых	весьма долго сохраняется при последующих ре
версах. Так, кривые	&, 5' для стали 45, а также кривая 3 для стали
25 на рис. 44 б дают	меньшую экзоэмиссию по сравнению с кривыми

2', 4', и 2,4. Однако с ростом числа реверсивных циклов в поверхност ных слоях металла возникают и развиваются усталостные явления, ко торые отмечаются на осциллограмме постепенно уменьшающимися "всплесками" эмиссии с каждым новым реверсом. Характер развития

10	20	30	Ц-L
	a	Bpenя,	пин

°ис. 44. Влияние		направления	скольжения	на экзоэмнссию образцов
из	алюминия (а)	и сталей 2S	и 45(6) при	трении без смазки о бруски
из	стали 45

усталостных процессов при реверсе, установленный по экзоэмиссии,

подтверждается	проведенными нами ранее	исследованиями [231] с	по
мощью метода трения тонких пластинок.
Представляло	также интерес изучить влияние реверсивности трения
на эгсзоэмиссию	не только отожженой, но	и закаленной стали. На	рис.

45 приведены кривые эмиссии электронов при трении закаленной и шлифованной стали 45 о такие же бруски. По принятой методике каж

дый минутный	цикл полностью	повторялся, но с вращением шпинделя
в одну или в	противоположную	сторону. В момент останозки образца

возбуждающая электронную эмиссию ультрафиолетовая подсветка по верхности трения прекращалась специальной электромагнитной заслон кой. Как видно из рис. 45, реверсивное трение закаленной стали (верх ние кривые) дает повышенную интенсивность экзоэмиссии по сравне нию с пульсирующим односторонним скольжением (нижние кривые для всех 12 циклов). При этом в момент реверса происходит значительное

Рис. 45. Влияние				ревер
сивности		скольжения			на
экзоэмиссию			образцов
из закаленной			и	шлифо		/00 \
ванной стали 45, HR-12;

трение	без смазки;				с к о
рость	1,5	м/сек;		на
грузка 59,5 кГ; 12 цик -
лов (верхняя			кривая		-
реверс	50	хШ	сек;		ниж
няя -	одностороннее
пульсирующее			трение			Циклы, врепя работы, пин
50 X 10 сек )

возрастание экзоэмиссии, которая затем несколько спадает. Отметим, что и для закаленной стали наблюдается описанный нами выше эффект сохранения знака скольжения первого цикла.

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод,

что знакопеременное протекание сдвиговых деформаций при трении
приводит к увеличению уровня экзоэлектронной эмиссии. В момент	р е
верса происходят изменения свойств рабочей поверхности, бурное	р а з

витие разнообразных дефектов, увеличение плотности дислокаций и об

разование	новых поверхностей, что очевидно, повышает в большей с т е
пени, чем	при одностороннем скольжении, свободную поверхностную

энергию, уменьшает работу выхода электронов, а также активизирует хемосорбционные процессы.

Таким образом, как мы полагаем [107], разнообразные дефекты структуры рабочих поверхностей трения, и в частности дислокации, являются исходным звеном в формировании эффекта экзоэлектронной эмиссии, интенсивность которой предопределяется плотностью распре деления этих дефектов.

В связи с изложенным представляло интерес в дополнение к опы там с тонкой пластинкой количественно определить плотность дислока ций и в массивных кольцевых образцах одностороннего и реверсивного трения после их испытания на экзоэмиссию.

Как известно, плотность дислокаций может быть рассчитана по и з менению объема или электросопротивления металла после отжига, при котором происходят сток в источники метастабильных дислокаций,

взаимная аннигиляция дислокаций между собой или с вакансиями.		И з
менение объема	в результате исчезновения дислокаций находится	ди
латометрически	[244, 255, 272] по макроскопической деформации	сдвига.
В наших опытах образцы в виде колец подвергали трению скольже
ния, после чего	кольца разрезали и отжигали в течение двух часов

при 600 С с последующим медленным охлаждением в печи. Измерение размеров колец соответственно после разрезки и отжига измеряли с точностью до одного микрона на компараторе ИЗА-2. Относительную

деформацию наружных поверхностных слоев трения колец определяли

по	формуле
	,					(5.6)
	- па
	D '
	TT	2
где	h -	толщина кольца;		D - диаметр осевой окружности кольца; а -
коэффициент, учитывающий невозможность искривления						стенок кольца
в осевой		плоскости; f -		изменение расстояния между		метками у кон
цов	распила кольца.
	Любое поле внутренних напряжений может быть формально описано
распределением			дислокаций		[252], т.е. состояние внутренних напряже
ний	полностью		определяется		тензором плотности дислокаций, связан
ным с тензором дисторсии.					Можно принять, что разрезка колец по

образующей вызывает не только исчезновение части внутренних напря жений и перераспределение дислокационных полей, но и приводит к

частичной аннигиляции дислокаций. Последующий же отжиг

завершает

исчезновение

дислокаций, образованных в результате деформации

т р е

нием

поверхностных

слоев. При этом

аннигиляция дислокаций

приводит

к одним и тем же эффектам независимо от знака

внутренних

напряже

ний. Поэтому

при расчете s

по формуле (5.6)

суммировались

по

абсолютным величинам, полученным после разрезки и отжига.

Следу

ет

отметить,

что величина

f после

рекристаллизационного

отжига

составляла

примерно

10% от f разрезки.

Для определения плотности дислокаций использовалась следующая

[272 ]

зависимость:

N d

= ( d o N o

М-

о АД)^/"' ,

(5.7)

^ ~ " S ~ J

где

Njj - плотность дислокаций; d 0

удельный вес материала;

А -

атомный

вес; ДѴ/Ѵ,

Д1/1 = е. -

соответственно изменение

объема

и относительная

деформация.

учетом

конкретных

величин и табличных

значений формулы

(5.6)

и (5.7) могут быть упрощены и приведены к

следующему

виду:

N j = kf.

Коэффициент

для стали

25 равен 3,26*101 3 , а для

стали

45 к= 3,20-101 2 . Полученные опытные

и расчетные данные

приведены

в табл. 4.

Из табл.4 видно, что при реверсивном трении в поверхностном слое металла возникает большая плотность дислокаций, чем при односторон нем скольжении, причем для более пластичной стали 25 плотность дис локаций оказывается выше, чем для стали 45, что хорошо согласуется с теорией деформационного упрочнения, построенной на основе дисло кационных представлений [ 252, 253]. Анализируя данные табл. 4 для стали 45, можно заметить, что отношение плотности дислокаций при реверсе к плотности дислокаций при одностороннем трении составляет примерно 1,38, что почти совпадает со средним отношением значений экзоэмиссии при реверсе к эмиссии при одностороннем скольжении, по лученным из рис. 27,6. Конечно, ответственными за экзоэмиссіпо явля-

				Т а б л и ц а 4
Влияние реверсивности трения на плотность дислокаций в стали
Условия	трения	f, мм	s • 10~4	N , - Ю " , с м " 2
				а
Сталь	25	0,617	3,48	2,01
Реверсивное		0,617	3,48	2,01
Одностороннее		0,473	2,67	1,54
Сталь	45


Реверсивное		0,169		0,94	0,540
Одностороннее		0,123		0,68	0,394
П р и м е ч а н и е .	Трение 10 мин без смазки при скорости скольжения
	1,5 м/сек	и нагрузке		26,5 кГ.
ются не только	дислокации,	но и точечные			дефекты. Так как из
менение объема	при пластической		деформации за счет выхода вакансий
составляет примерно 20% общего			изменения		объема [210, 255], то впол

не возможно, что и удельный вес, вносимый вакансиями в экзоэмиссшо, будет соответственно меньше. Следует подчеркнуть и доминирующую роль дислокаций, в изменении работы выхода электрона при деформации [271 ] .

	Приведенные в табл. 4 значения плотности дислокаций	рассчитаны
по	величине относительной деформации при максимальном	значении h
в	формуле (5.6), что соответствует тонкому поверхностному слою. Но
в	процессе трения деформации подвергается не только поверхностный

слой металла, но и вовлекается определенный приповерхностный объем, глубина распространения которого зависит от градиента механических свойств [ 2 ] . Поэтому, несмотря на то, что данные по плотности дис локаций рассчитаны для тонкого поверхностного слоя, авторы[ 113] склонны с определенным усреднением их относить ко всему пластиче ски деформированному трением объему металла, который по проведен ным измерениям распространяется до глубины 50-100 мк.

Так как этот приповерхностный деформированный объем металла взаимно участвует на основе дислокационных реакций в формировании физико-химических свойств поверхности, то экзоэлектронная эмиссия, возникающая, как мы полагаем, с дефектных мест, характеризует не только поверхностные процессы, но и, учитывая линейную протяжен ность дефектов, как бы суммарно отражает состояние более глубиных слоев металла. Таким образом, приведенные выше экспериментальные кривые экзоэмиссии являются результатом проявления и взаимного влияния свойств поверхности, глубинных слоев и физико-химических особенностей среды.

Постоянное генерирование и перераспределение полей дислокаций при реверсивном трении, коагуляция вакансий с образованием микропор и трещин, перенаклеп металла приводят к последующему более интенсивному износу при реверсе, к более глубокому, чем при одно стороннем трении, микрорельефу поверхности [230] и повышенной температуре рабочих поверхностей, что, безусловно, влияет на ско рость окислительной реакции и экзоэмнссию. При этом, на наш взгляд, исходным предопределяющим эти факторы механизмом является дис локационный, который формирует при дискретном контакте под влия нием адгезионно-силовых факторов трения микрорельеф поверхности и создает локальные места с повышенной поверхностной энергией, с которых и начинает развиваться процесс окисления. Тепловой эффект

деформации при трении, суммируясь с выделением тепла за счет э к з о термической реакции окисления, повышает температуру поверхности трения, что ускоряет процесс окисления и увеличивает до определен ного предела, связанного с толщиной окисной пленки, экзоэлектронную эмиссию.

При реверсивном скольжении большей интенсивности экзоэмиссии соответствует повышенная по сравнению с односторонним трением плотность дислокаций, что подтверждает высказанное ранее [107-110, 231] предположение о роли дефектов структуры на процессы формиро вания трения и экзоэмиссии, а также отвечает известным представле ниям [13, 70, 72, 168] о прямой связи между эмиссией и микродефек тами, образуемыми при пластической деформации. Совместное изуче ние трения и экзоэлектронной эмиссии в динамических условиях поз воляет проводить не только непрерывные наблюдения за развитием свойств поверхностных слоев, но и устанавливает тесную взаимосвязь между физико-химическими поверхностными явлениями и процессом деформации в твердом теле.

Г.і a в a VI.

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ И ТРЕНИЕ СО СМАЗКОЙ

В предьщущих главах было показано, что при трении	металлов	в о з
никает экзоэлектронная эмиссия, интенсивность которой зависит от
режимов скольжения. Однако эти исследования [107-115]	относились
к трению на воздухе обезжиренных поверхностей и не затрагивали		т а
кого важного вопроса, как влияние смазки при трении на	эмиссию
электронов. Между тем смазка воздействует на процесс	трения и	и з

меняет не только его силовые параметры, но и отражается на свой

ствах поверхностных слоев [1,2, 273]. Рассматривая свойства			рабочих
поверхностей	трения на основе	дислокационных представлений	[ 4,	229,
234 , 274-276]	и принимая, что	центрами эмиссии экзоэлектронов		явля

ются	места	выхода	дислокаций и	вакансий	на поверхность, т . е . места
с локальной		концентрацией энергии, можно			полагать, что смазка, и з
меняя	дефектность		поверхностного	слоя и характер его взаимодей

ствия с окружающей средой, влияет и на экзоэлектронную эмиссию. Результатам исследования экзоэмиссии при трении металлов в условиях смазки посвящена настоящая глава [116-118].

Экзоэлектронная эмиссия измерялась на металлических кольцах р а з мером (60 х50х 15) мм, подтвергаемых трению со смазкой о стальные бруски, на установке, показанной на рис. 24. Было обнаружено, что при граничном трении вылет электронов через тонкую пленку смазки не наблюдается из - за ее экранирующего действия. При жестких режи мах трения с возможным разрывом граничных слоев смазки и крат ковременным обнажением ювенильных поверхностей отмечалось эпи зодическое появление весьма слабой экзоэлектронной эмиссии. Наруше ние граничного трения влечет за собой быстрый разогрев рабочих поверхностей и смазки, которая начинает дымить, что изменяет рабо чую характеристику открытого детектора экзоэлектронов и приводит

к лавинообразному разряду. Было также установлено, что даже следы
смазки на деформированных ранее и эмиттирующих металлических о б р а з
цах вызывают полное прекращение экзоэлектронной эмиссии. По этой
причине экзоэлектронная эмиссия измерялась не в динамике трения
скольжения, а спустя	3 мин. после	остановки машины трения,	обезжи
ривания и высыхания	закрепленных	на ее шпинделе образцов.	Пред

варительно были проведены контрольные опыты	по экзоэмиссии и кон
тактной разности потенциалов для определения	влияния обезжиривания
на время стабилизации свойств поверхности.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ