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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 119

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

93

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

94

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

95

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)

f

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

У

М-

-

о АД)^/"' ,

 

 

 

(5.7)

 

 

 

 

А

 

V

^ ~ " 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

С

учетом

конкретных

величин и табличных

значений формулы

(5.6)

и (5.7) могут быть упрощены и приведены к

следующему

виду:

 

N j = kf.

Коэффициент

к

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-

96

 

 

 

 

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

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.

Смотрите также файлы