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

торого наступает разупрочнение со снижением мнкротвердости, что и подтверждается проведенными нами измерениями. Так, после четырех минут трения образцов из стали 45 при нормальных нагрузках 13,2, 26,4 и 52,8 кГ (кривые экзоэмиссии показаны на рис. 34,а) были соот­ ветственно получены следующие значения микротвердости рабочих по­

так и для стали 25 большему наклепу поверхности трения отвечает по­ вышенная интенсивность эмиссии электронов.

В зависимости от выбранного режима трения меняется и вид осцил­ лограмм экзоэмиссии. Для примера на рис. 35 приведены участки осцил­ лограмм, полученные для различных условий трения. Обычно процесс трения обезжиренных стальных поверхностей при малых и средних на­ грузках дает осциллограммы, аналогичные рис. 35 а. Однако, если на­ грузка достаточно велика, то вид осциллограмм резко меняется. Чуть ли не с начального момента трения на них появляются острые вспле­ ски, пики, и осциллограммы приобретают пилообразный характер. От­ метим, что для стали 25 (рис. 35,в) экзоэмиссия сначала возрастает

70

Рис. 35. Осциллограммы экзоэмиссии лри трении ста лей без смазки при различ­ ных нагрузках; скорость 1,5 м/сек

круче, а затем уменьшается стремительнее, чем для стали 45 (рис. 35,6). При этом меняется и вид поверхностей трения (рис. 36). Обыч­ но равномерно грубая, характерная для трения без смазки при средних нагрузках поверхность стали 25 (рис. 36а) становится при больших давлениях вся в оспинах, вырывах. Так, на рис. 366 видны глубокие оспинки, следы шелушения поверхности от перенаклепа. Такому состоя­ нию поверхности соответствовала пилообразная осциллограмма, что свидетельствует о локально-мощных актах разрушения поверхности трения.

Как уже указывалось, повышенной микротвердости поверхностного слоя отвечала большая экзоэмиссия. В связи с этим представляло ининтерес проследить взаимосвязь между интенсивностью экзоэмиссии и

происходит идентичный процесс увеличения экзоэмиссии и микротвер­ дости в период приработки с дальнейшей стабилизацией их значений при наступлении установившегося режима. Увеличение нормальной на­ грузки до 26,4 кГ вызывает сначала коротішй "всплеск" эмиссии, после чего наступает ее уменьшение (участок I I ) . При нагрузке 52,8 кГ повторяется та же закономерность. Падению эмиссии экзоэлектронов отвечает аналогичное снижение микротвердости поверхности трения. Наблюдаемые на рис. 37 пики экзоэмиссии могут быть объяснены тем, что в момент приложения нагрузки в дополнительную пластическую деформацию вовлекаются новые, как бы резервные, микрообъемы, ко ­ торые способны еще упрочняться, достигать предельного состояния, а

затем разупрочняться. Таким образом, разупрочнение должно наступать через стадию дополнительного упрочнения. На кривой микротвердости 2 (рис. 37) эти пики не всегда обнаруживаются, что связано со с к о ­ ротечным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения и объяс­ нимо меньшей чувствительностью метода микротвердости и дискретно­ стью ее измерения.

71

Рис. 37. Влияние изменяющейся нормальной нагрузки при трении на экзоэмиссию (1) и микротвердость (2) для стали 25 ( а ) и стали 45 (б)

скорость 1,5 м/сек, I - 13,2 кГ; I I - 26,4 кГ; I I I - 52,8 кГ

ции, упрочнением и плотностью дислокаций для кристаллов и металлов установлена определенная зависимость [206-212], то в начальный пе ­ риод скольжения увеличивающейся микротвердости поверхности трения соответствует все возрастающая плотность дислокаций. Однако в даль­ нейшем при трении процесс генерирования дислокаций постепенно з а ­ медляется и наступает установившийся режим с динамическим равно­ весием свойств рабочей поверхности, что подтверждается стабильными значениями ее микротвердости, силы трения и экзоэмиссии. Одновре­ менно протекающие при этом процессы упрочнения и отдыха характери­ зуются постоянным развитием дефектов структуры при упрочнении и обратным их снятием, "залечиванием" при отдыхе. Дальнейшее же уве­

тенсификацию отдыха и проявляется в снижении упрочнения, плотности дефектов деформированной решетки и в соответствующем уменьшении' уровня экзоэлектронной эмиссии. Как видно, роль дефектов структуры в данном случае является до определенного момента доминирующей для экзоэмиссии при непрерывно деформируемой трением поверхности по сравнению с термоэмиссией, непосредственно возрастающей с повыше­ нием температуры.

73

Остановимся теперь на результатах исследований экзоэлектронной эмиссии при трении, опубликованных другими авторами.

Согласно работе [213] проведено изучение кинетики экзоэлектронной эмиссии при трении на воздухе химически чистых металлов: золота по золоту и золота по платине. Сферический скользящий контакт диаметром 1,5 мм из золота совершал возвратно-поступательное движение со ско­

мерялась экзоэлектронная эмиссия. Из рис. 38 видно, что при трении

нию поверхностных слоев. При этом наблюдались процессы схватывания и окисления. После снятия нагрузки возникает скачок эмиссии (рис. 38), связанный с тем, что подвижный образец отводится в конец дорожки трения и не перекрывает участка поверхности, эмиттирующего электро­ ны. Это является недостатком методики, так как экранирование свето­ вого и эмиссионного потоков постоянно перемещающейся под счетчиком при трении державкой с образцом создает дополнительные трудности при оценке кривых эмиссии после прекращения трения, а также делает необходимым введение поправки к динамическим кривым. Очевидно, эта поправка сделана в работе [75] для случая трения золотого контакта по образцам из платины, золота, палладия и серебра, так как такого скачка экзоэмиссии, как на рис. 38, после снятия нагрузки уже не

Анализируя характер изменения во времени интенсивности экзоэлек­ тронной эмиссии при трении благородных металлов [75, 213], следует под­ черкнуть его идентичность, особенно в приработочный период, с нашими данными по трению сталей и алюминия [109].

Представляют интерес исследования Л.Г.Коршунова [214] по т е р м о - стимулированной экзоэлектронной эмиссии с металлических поверхно­ стей после их трения в вакууме 2'10"5 мм рт.ст., проведенные с и з ­ мерениями износа, коэффициента трения, э.д.с. и переходного кончактного электросопротивления при различных скоростях скольжения. Полу­ ченные им результаты (рис. 39) свидетельствуют о том, что интенсив­ ность экзоэлектронной эмиссии и характер ее изме;:эмия при нагреве образцов из стали 40X10Г10 после трения зависят от скорости сколь­ жения, причем максимальной интенсивности термостимулированной экзо­ эмиссии при скорости скольжения 4,5 м/сек (кривая 1) соответствует и максимальный износ. Такие же параметры, как э.д.с. и контактное электросопротивление, снятые в динамике трения, оказались, с нашей точки зрения, судя по лреаставленным результатам, практически не зависящими от износа [ 214, 215]. Поэтому представляло бы интерес проведение дополнительного исследования экзоэлектронной эмиссии в вакууме непосредственно в динамике трения для сравнения с характе­ ром изменения износа, коэффициента трения, электродвижущей силы и контактного электросопротивления.

Применение термостимулированной экзоэлектронной эмиссии может оказаться перспективным для оценки состояния поверхностей трения

74

Рис. 38. Зкзоэмиссия при трении золота по платине (а) и золоту (6) [213]

Рис. 39. Термостимулированная зкзоэмиссия стали 40Х10Г10 после трения при различных скоростях скольжения

1 - 4,5 м/сек; 2 - 7,5 м/сек; 3 - 0,75 м/сек [214]

разнообразных деталей машин, так как этот метод позволяет проводить исследования спустя длительное время после прекращения деформаций и соответствующего демонтажа подшипникового узла. Подобный пример

Результаты исследования показали, что независимо от вида деформации (трение, шлифование) зкзоэмиссия возникает при одинаковой темпера­

ность экзоэмиссии зависит от природы деформирования и структурных изменений в поверхностных слоях металла. Однако для более строгого анализа температурных кривых экзоэмиссии следует иметь контрольную кривую температурной характеристики счетчика с помещенным под ним отожженным образцом.

В процессе внешнего трения [216-224] возникают разнообразные электрические явления, которые в свете приведенных выше данных м о . гут иметь близкое отношение к экзоэлектронной эмиссии. Так, А.Д.Ду­ бинин [218] в своей энергетической теории рассматривает термоэлект­ ронные и термические процессы, которые формируются при трении под воздействием сложного спектра упругих и пластических волн и объясня­ ются непрерывным превращением механической энергии в колебатель­ ную и волновую энергию субмикроскопических и микроскопических час -

75

Г.і a в a. V.

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ И РЕВЕРСИВНОСТЬ ТРЕНИЯ

когда направление движения постоянное или же меняется на обратное. Известно много работ по трению и износу, в которых исследовались пары одностороннего или реверсивного трения. Однако в этих работах влияние самого реверса на свойства поверхностных слоев в сравнимых условиях с односторонним трением не учитывалось. Между тем именно при реверсе, как показали исследования [105, 111, 229-236] формируют­ ся и протекают более экстремальные и своеобразные по сравнению с односторонним скольжением разнообразные явления и процессы. В р е ­ зультате этих исследований, при которых значительное внимание уде­ лялось и экзоэлектронной эмиссии, были изучены динамика развития свойств при реверсивном трении, влияние смазок и поверхностно-ак­ тивных присадок, рассмотрены микродефекты структуры и кинетика их образования при реверсе, а также установлен характер развития и

влияния на процесс реверсивного трения свойств поверхностных и глу­ бинных слоев в сочетании с физико-химическими эффектами и дислока­ циями. Остановимся на некоторых результатах этих исследований, что

Для различных пар и смазок изучены упругие деформации вне зоны

ства испытанных материалов реверсивное скольжение приводит к значи­ тельному возрастанию (от 20 до 60%) силы трения и упругих деформа­ ций вне контакта. Установлены отличительные особенности распределе­ ния остаточных напряжений первого рода в образцах по глубине от по­

вия на величину и знак остаточных напряжений реверса и адсорбцион­ ного пластифицирования [232, 233]. При измерении микротвердости для различных пар обнаружена идентичная зависимость упрочнения от на­ правления скольжения и показан динамический характер перераспреде­ ления степени наклепа по контакту трения [229]. Реверсивное трение быстрее, чем одностороннее, исчерпывает возможности микрообъемов

77

упрочняться, расшатывает их микроструктуру и интенсифицирует уста ­ лостные процессы, вследствие чего наступает переупрочнение, которое сменяется разупрочнением поверхностных слоев [230]. Вывод о разви­ тии разупрочнения при реверсе через промежуточную и скоротечную стадии упрочнения был сделан при анализе кривых экзоэлектронной эмиссии, снятых в динамике трения [108, 111], и подтвержден затем дальнейшими измерениями микротвердости.

С помощью разработанного метода трения монолитного пакетного образца [239] установлена идентичность распределения по контакту

сохраняют по глубине от поверхности сдвиговые деформации разных знаков, и которые дают представление о наследственности знакопеременного нагружения. Доказано, что понятие реверса только как перемены на­ правления скольжения на обратное будет неполным без учета способ­ ности поверхностных и глубинных слоев пар перестраивать свои свой­ ства согласно изменившимся условиям трения. Однако чувстивтельность металла к знакопеременным деформациям с каждым новым реверсом постепенно ослабевает в связи с развитием усталостных процессов, роль которых при реверсивном трении более ощутима, чем при односто­

Формирование свойств поверхностных и глубинных слоев под воздей­ ствием знакопеременных сдвиговых деформаций находится в тесной связи с дислокационными процессами [229, 231, 234].

Знакопеременное протекание сдвиговых деформаций с бурным разви­ тием дефектов структуры, увеличенной степенью деформации, разулрочѳ— нием и усталостными процессами приводят к отрицательному эффекту реверса - повышенному по сравнению с односторонним скольжением износу [ 230, 236, 241]. Последнее необходимо учитывать при оценке износостойкости реальных деталей машин. Для различных пар и смазок было также установлено [233, 236], что вредный для практики эффект реверса можно ликвидировать подбором поверхностно-активных приса­ док к смазке, в связи с чем был предложен способ повышения износо­ стойкости пар реверсивного трения.

Однако было замечено, что на первом, весьма коротком этапе, р е ­ версивное трение в поверхностно-активной среде способствует более итенсивному разрушению поверхностной структуры по сравнению с односторонним трением, затем наступает установившаяся стадия экстре ­ мального улучшения свойств рабочих поверхностей. Эта особенность позволила разработать и внедрить в производство новый способ уско­ ренной приработки узлов трения скольжения [242], который содержит два следующих обязательных элемента: замену одностороннего сколь­

78

управлять эксплуатационными свойствами деталей машин при реверсив­ ном трении.

В некоторых случаях, когда применение поверхностно-активных при­

цательный эффект реверса и снижается износостойкость пары. Ликвиди­ ровать эффект однократного реверса и повысить износостойкость пар трения можно способом совпадающих деформаций [230, 241], основан­ ным на принципе наименьшей их знакопеременности.

Дальнейшее изучение состояния поверхностных слоев при реверсив­ ном трении проводилось в сравнении с односторонним скольжением и с учетом возникающих физических и химических явлений на рабочих

поверхностях [236]. При этом в комплексе рассматривались экзоэлек­ тронная эмиссия, контактная разность потенциалов, упрочение и про­ цессы окисления. При проведении этих исследований была принята ра­ бочая гипотеза, по которой инициаторами разнообразных физико-хими­ ческих процессов на поверхностях трения являются места с локальной

2. Дефекты структуры и влияние сравнимых условий одно­ стороннего и реверсивного трения на их образование

Поверхностные слои деталей машин, работающих в условиях ревер­ сивного трения скольжения, постоянно испытывают знакопеременные сдвиговые деформации. При этом наблюдается, как было показано выше, комплексное изменение свойств поверхностей трения, которое в срав­ нении с односторонним скольжением можно объяснять исходя из дис­ локационных представлений о природе трения и износа.

В результате протекания знакопеременных сдвиговых деформаций в поверхностных слоях при трении происходят постоянная переориентация микроструктуры, интенсивное генерирование разнообразных дефектов и образование новых поверхностей. Изменение знака деформаций приво­ дит не только к дополнительному генерированию и перемещению дис ­ локаций, но и к их закреплению и частичной аннигиляции при встрече дислокаций разных знаков или дислокаций с вакансиями. Увеличение плотности дефектов сопровождается коагуляцией вакансий с дальней­ шим образованием микропор, пустот, развитием трешин и новых поверх-

79