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

эмиссии. Экспериментальные данные по кривым 1-4 статистически об­ рабатывались для установления их значимого различия. Достоверность кривых составляла 95-99%.

Проведенный анализ на значимость позволяет перейти к сравнению

которых измерялись значения экзоэмиссии и толщина окисной пленки.

152

окисления t = П . При этих значениях критерия Стыодента достовер­ ность влияния реверсивного трения по отношению к одностороннему для величины измерения экзоэмиссии равна 99,0%, а для окисления - 99,9%. Обратимся к рис. 73. При нагреве реверсивно обработанных образ­

поверхностью после реверсивного трения [236] с ее увеличенной энер ­ гией решетки и измененной работой выхода. Кривые на рис. 73 имеют характерную точку перегиба при температуре порядка 105 С. До этой температуры оптическим методом мы измеряем не только толщину

рованной пленки воды. Начиная с 60 С вода интенсивно испаряется, и этот процесс экстремален при температуре сушки порядка 105 С, после чего начинает развиваться не электрохимическая, а газовая коррозия. Наименьшей толщине пленки (кривые 1 и 2) отвечает максимальная экзоэмиссия (кривые 3, 4 ) . Очевидно, термостимулирование электронов за счет нагрева образца и экзотермической реакции окисления железа успешно конкурирует с защитными экранирующими свойствами пленки окисла и воды, что выражается в увеличении интенсивности экзоэмиссии. Однако после 105 С экранирующее действие пленки окисла с ростом толщины становится более заметным, экзоэлектроны начинают ею по ­ глощаться и интенсивность эмиссии уменьшается.

В объяснении полученных данных следует учитывать не только и з ­ менение толщины пленки окисла и воды и экранирующую их роль, но и физико-химические эффекты на поверхности раздела с металлом. Дейст ­

вительно, электронный обмен в процессе химической адсорбции с учас ­ тием молекулы паров воды из воздуха или непосредственно атома кис ­

нов кислорода. При этом поверхностный слой приобретает положитель­ ный заряд и работа выхода уменьшается. Уменьшение работы выхода увеличивает эмиссию электронов. Когда же влага испаряется с поверх­ ности металла, начинает развиваться газовая коррозия, при которой наблюдается переход электронов от металла к кислороду с образова­ нием двойного электрического слоя, отрицательная поверхность кото ­ рого направлена в сторону атмосферы. В результате такой адсорбции кислорода работа выхода электронов из металла возрастает и, как следствие, снижается, интенсивность экзоэмиссии после 105 С, что видно по кривым 3,4 на рис. 73.

Приведенное объяснение перегиба кривых экзоэмиссии при нагреве образцов на основе изменения работы выхода электронов подтвержда­ ется экспериментально. Полученная нами методом вибрирующего элект ­ рода кривая 5 контактной разности потенциалов при нагреве стальных образцов в воздушной среде после их реверсивного трения показывает

153

ния работы выхода. Действительно, при нагреве работа выхода электро­

знака отвечает работе выхода электронов с вибрирующего никелевого эталона.

логичны условиям табл. 15), видно, что и для алюминия реверсивное трение вызывает более интенсивный рост окисной пленки, чем после одностороннего скольжения.

Как было сказано, выше, оптический поляризационный метод может быть использован для определения толщины окисной пленки на метал ­ лических поверхностях начиная с шестого класса чистоты. Более грубые после обработки поверхности приводят к неоднократному преломлению и

к ранее приведенным данным развитие коррозии в первые минуты окис­ ления и на грубых поверхностях после их реверсивного и одностороннего трения скольжения без смазки. Для этого нами был использован "эф ­ фект Рассела", который заключается в образовании на поверхности окис­ ляемого металла перекиси водорода, вызывающей почернение фото­ эмульсии [362, 363]. Доказано [362],что перекись водорода возникает при окислении цинка, свинца, олова, серебра, ртути, меди, алюминия, кадмия, магния и железа. Трудно ее обнаружить на металлах, которые

154

и свидетельствует о связи поверхностных химических реакций с локаль­ ной концентрацией энергии в дислокациях и с плотностью их обра­ зования в результате деформации трением. Отметим, что более точные расчеты в этом направлении могут быть проведены с учетом работ Э.М. Гутмана [368, 369] по термодинамике механохимического эффекта с использованием понятия химического потенциала дислокаций.

Приведенные данные по образованию перекиси водорода на поверх­ ностях трения хорошо подтверждаются измерениями интенсивности экзоэлектронной эмиссии. Были получены результаты, аналогичные пред­ ставленным на рис. 27.

Как было установлено [105, 229, 370], в зоне контакта трения наблюдается неравномерное распределение свойств, зависимое от на ­

делялась открытым счетчиком со щелевой диафрагмой при равномерном

миния и цинка о кольца из стали 45 представлены на рис. 75. Из кри­

вые 2) по сравнению с кривыми 1 на рис. 75. Аналогичная закономер-

158

Рис. 76. Схема проведения опыта для выяснения влияния среды на окисление поверхности трения (1,2)

ность, как и следовало ожидать, наблюдается и для экзоэмиссии с алю­ миния и цинка (кривые 3,4).

Рассматривая характер распределения интенсивности экзоэмиссии и коррозии в зоне контакта трения в зависимости от направления сколь ­

жения, следует подчеркнуть его идентичность ранее полученным резуль ­ татам по микротвердости, остаточным напряжениям, ультрафиолетовой фосфоресценции деформированных трением монокристаллов и распре­ делением дислокационных полей. Это приводит к выводу о глубокой взаимосвязи на энергетической основе трения [ 4 , 218, 371-374] .фи­ зико-механических и химических свойств поверхностных и глубинных

рода в смазке недостаточно для обычной скорости окисления, то дол ­

ния. С целью проверки этого предположения были проведены следую­

159

ковой интенсивностью экзоэмиссии. Это свидетельствует о том, что слой смазки не предохраняет поверхность металла от окисления,и растворенного в масле кислорода вполне достаточно для формирова­ ния окисной пленки, экранирующей эмиссионный поток.

В проведенных нами опытах имеется ряд обстоятельств, влияющих на достоверность полученных результатов, например, выдержки по вре ­ мени, необходимые для снятия образцов с машины трения (правда, в некоторых опытах измерения экзоэмиссии проводились непосредственно на машине трения), их обезжиривания, сушки, установки под детекто ­ ром и пр. За время этих выдержек обе поверхности ( 1 , 2) одновре­ менно окислялись, пленка быстро росла, особенно в первые минуты. Когда же начинались измерения экзоэмиссщі, толщины окисных пленок на исследуемых половинах кольца возможно различались незначитель­

ределенного внимания, поэтому исследования в этом направлении нами продолжаются.

Рассматривая вопросы, связанные с экзоэлектронной эмиссией, окислением и динамикой развития деформаций поверхностных слоев и их разрушением при трении, следует упомянуть об интересных иссле ­

дованиях по газовыделению при трении [ 375], проводимых в лаборатории И.М. Любарского. С помощью разработанного масс= спектрометрического

атмосферы поглощаются образовавшейся ювенильной поверхностью. При небольших объемах нарушенного материала выход газа происходит прак­ тически мгновенно и каждому акту нарушения поверхности трения с о ­ ответствует пик газовыделения. Так как количество газа, выделяюще­

В начальной стадии незначительное газовыделенне происходит в основ­ ном за счет изнашивания окисной пленки. С разрушением окисной плен­ ки, образованием ювенильных поверхностей и схватыванием интенсив­ ность выделения водорода резко возрастает. С ростом температуры наблюдаются структурные превращения, которые приводят к снижению интенсивности изнашивания и газовыделения. Периодические выбросы газа объясняются выкрашиванием частичек "белой" зоны и вступле­ нием в активный объем трения новых масс металла из приповерхност­ ного слоя.

160

Рис. 77. Выделение водорода при трении и сила трения [375]

Эти исследования интересно было бы провести совместно с изме­ рением экзоэлектронной эмиссии. Действительно, разрушение поверх­ ностного слоя с образованием новых поверхностей с пониженной рабо­ той выхода является одновременной предпосылкой к газовыделению, адсорбции и химической реакции (за счет микроколичеств кислорода, поступающего к ювенильным поверхностям из окружающей разреженной среды или из продуктов износа), а также служит причиной возникнове­ ния экзоэлектронной эмиссии. Как мы полагаем, кривые интенсивно­ сти экзоэлектронной эмиссии и газовыделения, снятые в динамических условиях трения, должны иметь один и тот же характер. Эти данные важно было бы сопоставлять с интенсивностью изнашивания, определен ной обычными методами, а также путем соответствующего пересчета микроколичеств выделившихся при трении газов на износ. Проведение таких исследований поможет глубже понять природу трения и изна­ шивания и разобраться в сложных молекулярно—механических взаимо­ действиях и физико-химических процессах, происходящих в поверхност­ ных слоях.

Таким образом, приведенные данные позволяют заключить, что между коррозионными и эмиссионными явлениями существует опреде­ ленная взаимосвязь, в основе которой лежит дефектность структуры поверхности трения. Особенно хорошо такая взаимосвязь наблюдается в исследованиях по трению с учетом реверсивности скольжения как весьма мощного режимного фактора, значительно изменяющего состоя­ ние поверхностных и глубинных слоев. Вызывая повышенную концент­ рацию дислокаций и вакансий, реверсивное трение в большей степени, чем одностороннее, создает за счет дополнительных деформаций более развитую в дефектном отношении структуру и новые поверхности и, увеличивая удельную свободную энергию, способствует усилению кор­ розионных и эмиссионных процессов. В процессе трения возникают и развиваются разнообразные физико-химические эффекты [1, 235, 376, 377], влияющие на износостойкость, что имеет много общего с проч­ ностными особенностями металлов, деформируемых в коррозионноактивных средах [251, 369, 378-381] .

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Проведенные исследования позволяют заключить, что при трении металлов возникает экзоэлектронная эмиссия, интенсивность которой зависит от многих условий и режимных факторов трения. По характеру кривых экзоэлектронной эмиссии, снятых в динамике трения, можно судить о формировании свойств рабочих поверхностей и кинетике про­ текания физико-химических процессов, что позволяет не только глубже познать сложные закономерности внешнего трения, но и в некоторых случаях прогнозировать износостойкость. Экзоэлектронная эмиссия имеет сложную природу, сущность которой еще окончательно не вы­ яснена, однако некоторые ее особенности уже теперь дают возможность

ся центрами экзоэмиссии и инициаторами различных физико-химических процессов, и в частности коррозионных, на поверхности трения. Учиты­ вая линейную протяженность дислокаций, а также тесную взаимосвязь свойств поверхностных и глубинных слоев, следует, на наш взгляд, рассматривать экзоэлектронную эмиссию не как чисто поверхностный эффект, но как физический процесс, описывающий состояние определен­ ного объема деформированного трением металла. Этот вывод может быть подкреплен данными о проникающей способности квантов энергии возбуждающей экзоэмиссию подсветки, глубина проникновения которых в твердое тело значительна и определяется коэффициентом поглоще­ ния или экстинции [382].

Энергетический баланс внешнего трения показывает [4, 383], что определенная часть затраченной работы идет на внешнее рассеива­ ние, доля которого незначительна по сравнению с другими составляю­ щими. Это особенно относится к экзоэлектронной экшссии, при которой средняя кинетическая энергия электронов, покинувших поверхность твердого тела, невелика и лежит в пределах 0,1-Ю,5 эв. Однако такая величина кинетической энергии определена для экзоэлектронов, эмиттируемых с поверхности металлов после прекращения деформации, и, очевидно, нуждается в значительной поправке для динамики трения.

Так как энергетический баланс самого явления экзоэлектронной эмис­ сии еще полностью не составлен и не подтвержден экспериментально даже для статических условий после любой деформации, то понятны

162