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

Глава IV.

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ И ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ

При трении скольжения поверхностные слои сопряженных пар под­

ственно в динамике трения. При этом происходят сложные процессы упруго-пластических деформаций, диспергирования, сопровождаемые различными физико-химическими явлениями и непрерывным поглощени­ ем и выделением энергии. Поэтому изучение свойств поверхностных слоев в динамических условиях трения представляет особый интерес для прогнозирования износостойкости. Решение многих актуальных проб­

щено немало публикаций, однако, несмотря на широкий круг поднимае­

в литературе практически отсутствовали данные, относящиеся к этому направлению. Указанное обстоятельство побудило разработать методику измерения экзоэлектронной эмиссии при трении на воздухе, а получен­ ные результаты сообщались впервые [107-119]. Не останавливаясь на

и,з металла свидетельствует о преодолении им работы выхода. Иными словами, электрон, находясь на определенном энергетическом уровне в потенциальной яме, при вылете совершает работу против сил двойного электрического слоя и сил электрического поля внутри металла, а так ­ же против сил электрического изображения. Чем выше энергетический

60

В механически устойчивом свободном состоянии потенциальная энер­ гия атомов в решетке металлов является минимальной и атомы нахо­

шается устойчивое положение атомов - они поднимаются в своих по­ тенциальных ямках - и, как следствие, увеличивается потенциальная энергия деформированной решетки. Когда потенциальная энергия до ­ стигнет определенной величины, происходит выброс атома на вершину потенциального барьера из потенциальной ямки и смещение его в на ­ правлении вектора поля напряжений. Этот элементарный акт пластиче­ ской деформации характеризуется значительным возрастанием потенци­ альной энергии в слое и возбужденным состоянием атомов решетки.

При трении скольжения, когда имеют место упругие и пластические сдвиговые деформации, образование дефектов решетки и диспергирова­ ние металла, слабосвязанные электроны в возбужденных атомах забра­ сываются на более высокие энергетические уровни, а кинетическая энергия свободных электронов при этом увеличивается. Таким образом,

ет повышение свободной поверхностной энергии и снижение работы вы ­ хода электронов.

Поэтому можно ожидать возникновения экзоэлектронной эмиссии с металлических поверхностей трения в зависимости от режимных факто­

Затем образцы помещались в установку (рис. 24,6) под торцовый счетчик. Время начала измерения экзоэлектронной эмиссии отсчитывалось по секундомеру с момента прекращения трения и строго выдержи­ валось равным одной минуте. Опыты повторялись по 5-8 раз на отож­ женных образцах, после чего выводились усредненные кривые экзоэмиссии и определялась их достоверность.

выше эмиссии после одностороннего скольжения. Во всех случаях для стимулирования экзомиссии образцы освещались ультрафиолетовым осве ­ тителем ОИ-18 через светофильтр УФС1 для сталей и чугуна и через

61

/Ѵ/t, Un77/'flUH

Рис. 27. Ход экзоэлектронной эмиссии с поверхности образцов из стали 25 ( а ) , стали 45 (б),чугуна СЧ15 _ 32 (в) и алюминия (г) после реверсивного (1) и одностороннего (2) трения без смазки

дополнительный фильтр БС12 для алюминия. Кривые 1 и 2 на рис. 27,г

Образование перегибов на кривых эмиссии можно объяснить хемосорб-

6?

не так заметен, как для чугуна, вследствие уменьшения времени обра­ зования окислов железа и из - за большей способности мягкой стали по­ лучать упрочнение.

Высказанное предположение о причинах образования "горба" на кри­

кому включению возбуждающей подсветки при непрерывно продолжаю­ щемся трении алюминиевого образца о поверхность бруска из стали 40. Как видно из осциллограммы, и для алюминия наблюдается небольшая инерционность эмиссии после включения подсветки. Включение и выклю­ чение возбуждающего эмиссию освещения производилось специальной электромагнитной заслонкой с реле времени при непрерывно горящей ртутной лампе.

Для выяснения кинетических условий образования "горба" на кри­ вых эмиссии была проведена [110] целая серия опытов при трении на воздухе стали 25 (рис. 30). Если трение стали происходит без ультра­ фиолетовой подсветки (Т - Л, рис. 30,6,6), то экзоэмиссии не наблюдает-

63

нается и происходит с ультрафиолетовым освещением рабочей поверхно­ сти образца (рис. 30,а, Т + Л), то возникающая при этом экзоэмиссия характеризует состояние поверхностных слоев в динамических условиях скольжения. На рис, 30,а верхняя кривая соответствует реверсивному скольжению, а нижняя - одностороннему трению. Однако снятие нормаль­ ной нагрузки, т.е. переход на холостой ход при непрерывном воздейст­ вии ультрафиолетового света, не дает ожидаемого "горба" на кривой эмиссии (рис. 30,а, Х+ \ ) , а вместо этого происходит медленное сни­ жение ее интенсивности. Кривые на рис. 30,г показывают, что выклю­ чение подсветки при трении безынерционно снимает эмиссию. Повтор­ ное же включение подсветки через некоторое время непрерывного трения

временем и характером процесса (Т-Л).

64

Попытаемся объяснить особенности кривых на рис. 30. Как извест ­

Таким образом, приведенные экспериментальные данные трудно объяснить, руководствуясь только одной из известных гипотез. С на­ шей точки зрения, необходимо прежде всего принять во внимание энер­ гетическое состояние поверхностных слоев, которые после механической обработки приобретают повышенную дефектность структуры. Это сказы ­

возможно выделение энергии до нескольких электрон-вольт на один дефект, что влечет за собой интенсификацию многих поверхностных физико-химических процессов. При этом участки поверхности с локаль­ ной концентрацией указанных дефектов и повышенной энергией искажен­ ной решетки при наличии кислорода воздуха являются и активными цент­ рами коррозии, с которых начинается процесс окисления как последую­

вне энергии квантов достаточно для вырыва электрона. Однако здесь возможен процесс последовательного перехода электрона на более вы ­ сокий энергетический уровень под воздействием квантов энергии. Этот процесс обладает определенным временем развития, очевидно, различ­ ным для разных металлов, Так, по нашим наблюдениям, инерционность эмиссии (или положение "горба") во времени для чугуна больше, чем для стали. При этом следует также учитывать и возможность некото­ рого изменения свойств металлической поверхности под воздействием

возбуждающего облучения, в частности, ультрафиолетового света. Сни­ жение экзоэмиссии после максимума может быть объяснено наступив­ шим динамическим преобладанием процесса окисления с ростом толщи­ ны окисной пленки над процессом возбуждения, что хорошо иллюстри­ руется кривыми эмиссии быстро окисляющегося алюминия и более мед ­ ленно окисляющейся стали.

Приведенные выше данные показывают, что при трении скольжения на воздухе возникает экзоэлектронная эмиссия, которая, обладая ря­ дом особенностей, очевидно, характеризует состояние поверхностных слоев и может быть применена для исследования процессов в динами­ ческих условиях трения. С целью изучения влияния режимных факторов трения смазки на экзоэмиссию были проведены новые опыты.

Экспериментальные данные [112, 115] экзоэмиссии о зависимости от скорости трения скольжения для стали 25 приведены на рис. 31. В

вая 1 ) спад экзоэмиссии с увеличением времени трения отсутствует.

терным одновременным протеканием процессов микропластической д е ­ формации и диффузии кислорода в пластически деформируемые объемы металла.

Приведенные на рис. 31 экспериментальные кривые можно объяснить следующим образом. В начале трения происходит интенсивное развитие сдвиговых деформаций, генерирование дефектов структуры, разрушение

талла в местах выхода дислокаций возникают первые очаги хемосорбционных процессов с дополнительным тепловым эффектом за счет реак­ ции окисления железа кислородом воздуха. Возникающая вследствие этих взаимосвязанных процессов экзоэлектронная эмиссия характеризу­ ет кинетику приработки поверхностей трения. Так, например, с ростом скорости скольжения время приработки сокращается, температура по­ верхностей трения возрастает, интенсифицируются окислительные реак­

ющим последующим снижением экзоэмиссии. Заметим, что при больших скоростях скольжения в период приработки из зоны трения интенсивно вылетают искры, что влияет на экзоэмиссию и создает наводки и по­ мехи при ее измерении. Учитывая, что окисление железа кислородом воздуха является гетерогенным процессом [202,203], особенно слож­ ным при трении [ 1 , 4 ] , перегиб кривых эмиссии на рис. 31 может быть объяснен дальнейшим развитием процессов окисления стали с ростом

66

на свойства стали, однако, как мы полагаем, они создают дополнитель­ ный барьер, препятствующий вылету электронов, увеличивают работу выхода, проявляя как бы экранирующее действие. Такое экранирующее воздействие окислов на процесс эмиссии с увеличением скорости, а следовательно, с ростом температуры и скорости окисления становит­ ся преобладающим над одновременно протекающим термостимулирова­ нием электронов, что сдвигает перегиб крігвых 2-4 на рис. 31 в левую сторону. Следует отметить, что при больших скоростях скольжения на

Для определения степени влияния температуры на экзоэмиссию были проведены опыты с нагревом образцов после трения. На рис. 33 пока­

вается, так как с дальнейшим увеличением температуры уже наблюда­ ются частые "забросы" - предшественники лавинообразного разряда в

67

открытом рабочем пространстве счетчика. Начало неустойчивой работы

формированной трением поверхности стали. Кривая 2 показывает, что счетчик экзоэлектронов для выбранных условий испытаний обладает тем удобным для эксперимента свойством, что эмиссия нечувствительна к температуре нагрева в ннтервшіе 25-100 С.

Приведенные на рис. 33 данные можно объяснить одновременным воздействием на экзоэмиссию двух конкурирующих процессов - термостнмулированием электронов и ростом защитной окисной пленки на по­ верхности стали. Действительно, в первые минуты нагрева и окисле­ ния после трения термостимулированные электроны свободно проходят сквозь тончайшую окисную пленку, однако с ростом температуры и

Превалирование защитного действия пленки над термостимулированием

частично способствует и полученная зависимость экзоэмиссии от ско­ рости перемещения поверхности образца под счетчиком при холостом

Таким образом, можно заключить, что экзоэпектронная эмиссия с п о ­ верхностей трения стальных образцов зависит от скорости скольжения. ГІри этом механизм экзоэмиссии весьма сложен и обусловлен совокупностью протекания нескольких других процессов, каждый из которых может быть

68

доминирующим и определяться рядом условий и свойств, приобретаемых рабочей поверхностью непосредственно в динамике трения скольжения.

Дальнейшие исследования влияния режимных факторов трения на экзоэлектронную эмиссию с поверхности стальных образцов были про­ ведены при различных нормальных нагрузках [112, 114].

На рис. 34,а представлены кривые экзоэмиссии, полученные непо­ средственно при трении без смазки колец из стали 45 при различных

билизируется после трех минут трения. При нагрузке 26,4 кГ (кривая 2) происходит более интенсивная экзоэмиссия в начале трения, в даль­

ния при безостановочно вращающемся кольце, т.е. при холостом ходе, дает для всех кривых (рис. 34,а) медленное уменьшение экзоэмиссии во времени. При трении более пластичного материала стали 25 наблюдает­ ся аналогичная зависимость экзоэлектронной эмиссии от нормальной нагрузки (рис. 34,6). При нагрузке 52,8 кГ (кривая 3) происходит резкое возрастание эмиссии в первую минуту трения, после чего наблю­ дается ее значительный спад. В отличие от кривой 3, кривые 1 и 2 (рис. 34,6), полученные при нормальных нагрузках 13,2 и 26,4 кГ, не имеют такого перегиба и свидетельствуют о постепенном возрастании экзоэмиссии при трении с дальнейшей стабилизацией ее интенсивности.

Для определения аналитической зависимости интенсивности экзо ­ электронной эмиссии от времени непрерывного трения конструкционных сталей при различных скоростях скольжения и нормальных нагрузках В.И.Рябошапченко в нашей лаборатории были проведены специальные опыты и сделаны соответствующие расчеты. Экспериментальные дан­ ные аппроксимировались им следующей функцией:

ким образом, изменение интенсивности экзоэлектронной эмиссии в ди­ намике трения описывается в общем виде параболической функцией не ­ зависимо от выбранных нагрузок и скоростей скольжения.

69