Файл: Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении.pdf

Р е в е р с и в н ое трение

в алюминии с о з д а е т большую

плотность

д и с л о ­

каций, чем одностороннее

скольжение,

причем

применение

поверхност ­

но-активной

смазки приводит,

как и для меди,

к обшему

возрастанию

плотности дислокаций по сравнению с вазелиновым маслом, а также

снижает

отношение

плотности

дислокаций,

образованных

при реверсе,

к плотности

дислокаций

при одностороннем скольжении.

Полученная

плотность дислокаций в образцах после трения

для алюминия

и

меди

высока,

что вполне

соответствует

литературным

данным

[ 244-247,252,

253],

относящимся

к глубокой

предельной пластической

деформации

металлов. Дальнейшие исследования дефектности структуры

образцов

после одностороннего и реверсивного

трения предполагается

провести

с помощью

электронного

микроскопа

и с

учетом

специфических

о с о б е н ­

ностей [ 257, 258], связанных

с утонением

и просвечиванием

м а с с и в ­

ных

образцов.

Полученные

данные

позволяют

подсчитать энергию, которая

з а п а с а ­

ется в металле в результате

трения при образовании

линейных

и т о ­

чечных

дефектов. Так как число вакансий

определяется

выражением

[259 , 260]

-г

V.

n = N a P - U / k T = N a e 2 ^ = N a „ e - V / R T ,

к Т

2 к Т

R

T '

г д е

Na, n -

число атомов и вакансий в металле

соответственно;

u - энергия

образования

в чистом

металле одной

вакансии;

к - по ­

стоянная Болыімана; R - газовая

постоянная;

Т - абсолютная

т е м п е ­

ратура;

z _

координационное

число (для меди и алюминия

z = 12);

Ѵ а _

энергия

взаимодействия

соседних атомов, взятая с обратным

знаком;

V -

энергия образования

моля вакансий

Ѵ =

uR/ k = N 0 u

N Q -

число

Авогадро.

По Френкелю энергия образования моля вакансий может быть при­

ближенно приравнена [259, 261] теплоте сублимации

(парообразования),

что упрощает

расчет

u

-

V

„

V ,

V

.

kT

~ ;

u =

тг k =

ггкал/ вак.

R T

R

N 0

Для

меди энергия

образования вакансий

составит

8 , 1 ' Ю 4

1

1

„

,

U

=

A

F

0

^

1

^

=

3 , 5 1 э в / в а , .

При этом

теплота парообразования

для меди

[262] равна

8,1 "10* кал/г - моль,

а числа

0,239

и 1,6' Ю - 1 *

-

коэффициенты

перевода калорий

в джоули

и джоулей в электрон-вольты.

Подсчитаем теперь энергию вакансий, которая остается в модной

пластинке

после

одностороннего

Е

и реверсивного Ер трения сколь­

жения

Е 0

= 3.51 • 2,2-101 8

-3.83-1СГ2 0

«

0,29

к а л / с м 3 !

Е р = 3 , 5 Ь З , 3 - 1 0 " -3,83-Ю"2 0

~

0,44 к а л / с м 3 .

Определим-сначала атомный

объем

В /

у =

^3,54 ^

7^4. с м 3 , а з а -

8,94

тем грамм-атомный вес меди, который составит 0,143

г - а т / с м 3 . Та ­

ким образом,

Е 0

- 0,29

к а л / с м 3

= 2,03

к а л / г - а т ; Е„

-

0,44

к а л / с м 3 =

= 3,08 кал/г - ат .

Как было показано выше, при трении

возникают не только точеч­

ные, но и линейные дефекты, которые также

влияют на запасенную энер ­

гию. Для реальных поликристаллов формулы

для нахождения

энергии

в объеме

вокруг

соответственно

краевой

и винтовой дислокаций

могут

быть упрощены с учетом

равенства

lnRA0 w4Tr

[ 260];

<5 -4 )

Ь к р

-

1

п г о ; Ь винт

- 4 т

г 1

п г 0

1

^ 5 '

Поэтому для краевой, винтовой и любой смешанной дислокаций,

которые образуются при трении,

упругая энергия вокруг ядра дислока­

ций на единицу объема определится

[252 ]

Е, ~ G b 2 = E i

: = 4,85-10"'х

х(2,56 • Ю- 8 ')г = 3,2-10"

эрг/см,

где для меди

Q= 4 , 8 5 - ю "

дин/см* -

модуль

сдвига;

Ь = 2,56 А •= 2,56-10"8

см -

вектор Бюргерса. Эта

энергия единицы длины дислокации может быть использована для рас ­

чета суммарной

энергии

дислокаций Е через

плотность

Е =

E j N j ,

эрг / см3

Тогда энергия, запасенная дислокациями, при одностороннем и ревер­

сивном

трении без смазки

составит

Е 0 = 3,2-Ю"4

.4,4-10" = 1,4-10"

э р г / с м 3

= 3,36

к а л / с м 3

= 23,5кал/г-ат;

Е р = 3,2 - Ю - ' - 10,05 - 10 1 1

= 3,2-Ю8

э р г / с м 3 =

7,7

кал/см 3

= 53,6

кал/г - ат,

ляет 0,5 кал/г,

а по нашим расчетам для одностороннего трения

-

0.4 кал/г. При

реверсивном трении в результате знакопеременных

сдви­

говых процессов энергия деформированной решетки металла

увеличива­

ется вдвое, что также согласуется с проведенными в нашей

лаборато­

рии калориметрическими исследованиями.

Таким образом, при

реверсивном

скольжении в

поверхностных слоях

металлов

образуется значительно большее число дислокаций и вакансий,

чем при

одностороннем

трении [234,

236, 264]. Эта

закономерность с о ­

экзоэлектронной эмиссии,

непосредственно

и непрерывно измеряемой

в условиях реверсивного

скольжения [111],

Методика проведения опы­

как важная физическая характеристика состояния поверхности

[184,267],

определяющая работу выхода

электронов, измерялась на воздухе м е т о ­

дом

вибрирующего

электрода.

Во всех опытах эталоном сравнения слу­

жил

вибрирующий

никелевый

электрод, а экспериментально

полученные

значения контактной разности потенциалов откладывались

на графиках

с учетом изменения работы выхода. Эксперименты проводились

одним

из авторов

совместно с В.И. Рябошапченко,

На рис.

41 представлены

экспериментальные кривые экзоэмиссии

жение работы выхода, причем в период

приработки I наблюдается

пря­

мая зависимость между экзоэмиссией и

микротвердостью, которая

в

I—*-

Л*—

Ш — g

I

-И

-Ш

\

1

a

с

Si

1\

—•—. .

0,36-

200

-

f

О -с

Б50

150

\650

WO I

/ 1

1

0,32-

SSO

100

/

! \

1

і/ЗО

50

I

0,17--і/50

- / /

!

V

1

ß^ojo-

X ,

,

,

! V

? 9

1 1 1

0 1

,

0,25

11

Z

3 і/

5 В

7

8 9 10 11 11

1

2.

3

if

5

В 7 8

9

10 11

Врепя трения, пин

Врепя

трения,

пин

Рис . 41. Влияние

реверсивности

скольжения на свойства поверх­

ности трения образцов из стали

25(a), стали 45(6),

алюминия ( в ) ;

1 - экзоэмиссии; 2 - микро-

твердость;

3 - КРП

1 I 3 ï 5 Б 7 8 9 10 11 11

Врепя

трения, пин

дальнейшем(II) при реверсе нарушается. Более стабильно

сохраняется

при реверсе характер кривых эмиссии и контактной разности потенци­

алов. Уменьшению при реверсе работы

выхода

электронов

(участки

II

на рис. 41 ) соответствует возрастание интенсивности экзоэмиссии.

Аналогичные

результаты

(рис. 41) были получены

при широком варьиро­

вании

режимами

трения

без смазки. Скорость скольжения изменялась

от 1,5 до

6,3

м/сек, а

нормальная нагрузка -

от 13,2

до

66

кГ. От­

сивность

экзоэлектронной эмиссии. Однако из -за

температурных в о з ­

действий

и связанных с ними физико-химических

процессов происходи­

рабочих

поверхностей с

постепенным

развитием усталостных процессов,

о наличии

которых

можно судить по

уменьшающимся "всплескам" экзо ­

эмиссии

с

ростом

числа

реверсивных

циклов.

Зрепя трения,

пин

Дрепя трения,

пин

Рис. 42. Изменения

свойств поверхности трения образцов из стали 45

в начальный период

одностороннего трения без

смазки; скорость

6,3

м/сек;

нагрузка

26,4

кГ

1

-

экзоэмиссии;

2 - микротвердость; 3 - КРП

Рис.

43.

Изменение

экзоэмиссии

(1),

микротвердости (2)

и

КРП

(3)

для

образцов из стали

25

при реверсе

через

каждую

минуту;

скорость

1,5 м/сек;

нагрузка 26,4 кГ

Значительный объем

экспериментальных

данных,

аналогичных

рис. 4 1 -

43

и

относящихся

к различным

скоростям

и

нагрузкам

реверсивно­

поверхностных слоев, являются скорость скольжения

V , реверсивность

движения ± R , нормальная нагрузка Р и

время

трения

образцов т.

Произведем оценку влияния факторов V,

Р и т

в целом ча микротвер­

ку влияния реверсивности трения на

H ^ удобнее всего

осуществлять

з точках изменения скорости скольжения по максимальным и мини­

мальным значениям микротвердости. Все экспериментальные

значенияо

микротвердости для сталей 25 и 45 были приведены к виду

у =

Н^/Н

где

H ° -

усредненная исходная микротвердость отожженных

образцов

до начала

испытаний;

- усредненные

измеренные

значения

микро­

твердости

после

трения.

Изучение влияния факторов

Р, V и

т на

Н р

проводилось

при

30%-ном

реверсе ( по схеме испытаний

рис. 41 ) и при

50%-ном

реверсе

по схе ­

ме, изображенной на рис. 43,

со следующими

сочетаниями

уровней:

V =

1,50;

2,70;

4,50;

6,30

м/сек . ;

Р

=

13,2;

26,4;

52,8

кГ;

T Ä J

1 - 6 ;

1 - 1 2

мин. Качественная

оценка влияния

реверса

на и з м е -

д

+ —

+

пение у осуществлялась

по отклонениям

Д yj = yj - у

,

где у

- эна-