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: 97

Скачиваний: 0

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

 

гоо\ày>,d

 

а

 

'

°/

SO

tooo

 

 

 

 

^iso- •0,08

 

 

 

1

/

's

1

 

 

 

 

 

§ по-•0,0В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

A

 

зо 2

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

j

/ V f

^500

 

 

 

 

80 •0,0t У "^1^?/^

 

'у2

—

Si

 

 

 

 

 

ta -о,оу

X,

 

 

il

jX!

10 1

 

 

 

 

 

 

 

Si

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

°Sd

1

 

 

 

 

 

 

20

10

 

 

3

50

WO

 

/50

 

SO 80

WO 110 №0

 

o

 

 

 

Tetinepamypa, °C

 

 

 

Теппература, Y

Рис. 73. Влияние нагрева на экзоэмиссию

(3,4), окисление

(1,2) и КРП

(5)

образцов

из стали

25(a)

и алюминия

(б) после

одностороннего (1,

3) и реверсивного

(2,4,5)

трения

 

 

 

 

 

цевых образцов в специальном приспособлении. Полученные

результаты

показаны

на рис. 73

(условия трения аналогичны табл. 15), где кри­

вые

1 и 2 отвечают

коррозии

стали

25, соответственно,при

односторон­

нем

и реверсивном

трении, а

кривые

3 и 4 аналогично относятся к

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

кривых

1, 2 и 3,4

рис. 73 с помощью

критерия

Стьюдента

для установ­

ления влияния реверсивности

трения на величину изменения

экзоэлектрон­

ной эмиссии и степени окисления поверхности

стали.

Для

этого на ­

ходилось среднее

значение отклонений

кривых

при

одностороннем

и

реверсивном

трении

на всех

уровнях фактора

Т°С по формуле

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M =

2 Д і / к

(і= 1, ... к),

 

 

 

 

 

 

і - 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Д і - соответствующая разность отклонений

значений

экзоэмиссии

и толщин окисной пленки в случае реверсивного и одностороннего

 

трения

на

каждом

уровне;

к - количество уровней

температуры,

на

которых измерялись значения экзоэмиссии и толщина окисной пленки.

После

нахождения

среднего

значения кривых определялась

средняя

квадратичная

погрешность

 

 

 

 

^ ( А і - М ) '

 

 

 

а= W1

k(k- 1)

 

 

 

По

критерию

Стьюдента

[ 182 ]

находилась значимость

откло­

нения M как

t = M/m при

числе

степеней свободы Г, = к - 1 . _В

результате

было

получено,

что для экзоэмиссии t = 4,8;

а для

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

цов

наблюдается повышенная интенсивность

экзоэмиссии

(кривая

4)

и коррозии

(кривая 2) по сравнению с односторонней обработкой

(кри­

вые

3 и 1),

что объяснимо более развитой

в дефектном

отношении

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

окисной

пленки, которая

имеет сложную структуру, состоящую

из м а г ­

нетита

І 7 е 3 О ц и промежуточного продукта окисления - гидрата

окиси

железа

Ре(ОН)3 , но и

определяем суммарно с ней толщину адсорби­

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 ­

лорода на металле

имеет разную

направленность [203]. Так, при малых

температурах, до 105 С, когда на

поверхности

металла

сконденсирована

влага и адсорбция

молекул-окислителей

И, 0

сопровождается

связью

с металлом через

атом кислорода, происходит

отдача

металлу

электро­

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

 

 

 

 

Т а б л и ц а 16

Время

окисления,

Толщина пленки,

X

мин,

при 20

0С

трение одно­

трение ревер ­

 

 

 

 

 

 

стороннее

сивное

 

5

 

5

7

10

 

10

13

20

 

15

20

30

 

18

24

40

 

19

26

50

 

20

27

перемену

знака

КРП

при

температуре 100-105 С. Значения Д ф

на

рис. 73 отложены (несмотря на обратный знак компенсации потен­

циометром

после

100

С)

в одну сторону и отражают характер'

измене ­

ния работы выхода. Действительно, при нагреве работа выхода электро­

нов с поверхности стального образца

(кривая 5

рис. 73,а) сначала

уменьшается, а затем, после испарения воды, в

результате

развития

газовой коррозии возрастает. Нулевое

значение

Аф

перед

сменой

знака отвечает работе выхода электронов с вибрирующего никелевого эталона.

Следует также

отмстить, что

аналогичные

рис. 73,а и табл. 15

экспериментальные

данные

были

получены и на

алюминиевых

образцах

после их одностороннего и реверсивного абразивного трения

[119].

Так, из табл. 16, отражающей влияние реверсивности абразивного

трения алюминия

на рост

окисной пленки (условия эксперимента ана ­

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

отражению падающего

света и,

как

следствие,

к

потере чувстви­

тельности метода

и

к большому

разбросу

экспериментальных

данных. Между тем

представляло

интерес исследовать

в дополнение

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

У дельная

Трение

Фотографиче­

Число

молекул

 

нагрузка,

ская

плотность

и о

 

- ю 1 5

р н , 9 , " 1 ( Г \

 

 

кГ/см

 

IT

 

2

2

1 J

Г / с м 1

 

 

 

 

на

1 см *

 

 

Одностороннее

 

0,28

 

0,79

4,46

 

 

0,32

 

0,81

4,56

 

 

 

0,32

 

0,81

4,56

4

 

 

0,30

 

0,80

4,52

 

 

 

 

 

 

 

 

Реверсивное

 

0,48

 

0,87

4,91

 

'

0,42

 

0,85

4,80

 

 

 

 

 

 

0,50

 

0,88

4,97

 

 

 

0,52

 

0,89

5,03

при 75 С для увеличения оптической плотности почернения. Дальнейшая обработка пленки была обычной,в метолгидрохиноновом проявителе и гипосульфитаом закрепителе. Полученное изображение деформированной

трением поверхности фотомѳтрировалось на микрофотометре МФ--2. Каж ­ дый опыт повторялся не менее четырех раз. Фотографическое изображе­ ние поверхностей трения в следах выделяемой перекиси водорода пока­ зано на рис. 74,а для плоских пар трения и на рис. 74,6 для брусков.

В табл. 17 представлены экспериментальные данные по образова­ нию перекиси водорода на поверхностях трения образцов из алюминия, полученные в сравнимых условиях реверсивного и одностороннего сколь­ жения без смазки на установке рис. 22 ( схема 56). Условия экспе ­ римента: 50 X 10 сек; 6 мин; 27 м/мин.

Для пересчета значений оптической плотности почернений на абсо ­ лютное число образовавшихся молекул 11,0, была экспериментапьно установлена зависимость между плотностью С и концентрацией 11,0, с помощью примененного нами клина. Расположение пленки под малым углом к поверхности контрольного раствора перекиси давало на фото­ эмульсии непрерывное и плавное линейное уменьшение плотности по ­ чернения с увеличением расстояния от поверхности раствора. Затем была определена скорость испарения перекиси, рассчитана по формула Скэтчарда Г365] ее мольная доля в парах над раствором и вычислено

количество

п'

молекул 11^0

, вызывающее данное

почернение

пленки

по формуле [ 170,

171 ]

 

 

 

 

 

 

,_

nQ e

-0,417h

, у

 

 

 

 

 

 

n -

 

 

 

 

 

 

где

n Q

-

количество молекул перекиси на нулевом

уровне;

h

- р а с ­

стояние над раствором. По вычисленным значениям

п'

д л я ' 1 1 , 0 ,

был

построен градуировочный

график D = П(п'), по

которому

и

расшиф­

ровывались микрофотограммы, полученные с пооерхностеГі трения об­ разцов.

156

 

 

 

Т а б л и ц а

17

 

Фотографичес­

Число молекул

 

 

Трение

кая

плотность

н , о , - 1 0 1 5

 

 

 

С

 

на 1 с м '

Г / с м !

 

 

0,35

0,82

 

4,63

Одностороннее

0,36

0,83

 

4,69

 

 

0,30

0,80

 

4,52

 

 

0,32

0,81

 

4,56

Реверсивное

 

0,75

0,99

 

5,59

 

Q J 5

0 ) 9 g

5

( 5 9

 

 

0,65

0;95

 

5,30

 

 

0,70

0,97

 

5,48

Из табл. 17 видно, что после реверсивного трения образуется боль­

шее число молекул перекиси, чем на

образцах после

одностороннего

скольжения. Учитывая, что между числом выделившихся молекул

Ц Q

толщиной окисной пленки, измеренной оптическим

поляризационным

методом, и привесом окисного слоя

существует линейная зависимость

[ 170, 172] , данные табл. 17 можно объяснить более интенсивной кор­

розией образцов после

реверсивного

трения. При этом наблюдается

неплохое качественное

совпадение с

приведенными

в

настоящем

р а з ­

деле другими нашими данными по коррозии.

 

 

 

Если учесть результаты работы

[364] , в которой

авторы пришли

к выводу, что одной молекуле окисла соответствует образование одной

молекулы переклеи водорода, то из соотношения

1Н, О , -

Ц 5А1, 0 ,

[ 170] можно прийти

к заключению о распаде значительной

частя

Н О

как промежуточного продукта окисления на

поверхности

м е -

1

2

 

 

 

 

 

 

талла. Ранее было сказано, что центрами экзоэмиссии и

коррозии я в ­

ляются преимущественно места выхода дислокаций на поверхность

трения,

в которых локально повышена свободная поверхностная

энергия

и

более

низкие электродные потенциалы и работа

выхода

электрона.

В связи с этим данные табл. 17 должны нести в себе скрытую ин ­

формацию о плотности распределения дефектов в поверхностных

слоях

металла. Попытаемся

по числу молекул перекиси

водорода,

образованных

на поверхности металла, хотя бы весьма приближенно рассчитать плот­ ность этих дефектов.

Как известно [ 252, 366], вокруг линии дислокации можно выделить центральную область, или так называемое ядро дислокации, где скон­ центрированы значительные искажения решетки и неприменим закон Гукэ, и более удаленную область упругих напряжений. Если полагать, что процессы хемосорбции и образования перекиси Н г 0 преимущест­ венно происходят в области ядра дислокации, то можно ориентировочно определить заполнение поверхностной площади ядра дислокации моле ­ кулами перекиси. Так, если радиус ядра дислокации г гг 1-10 см

[260],

расстояние между атомами кислорода

в молекуле

перекиси

d =

= 1,49

К

[367], то отношение их круговых

площадей

составляет

 

^ / ( d / 2 ) 1

=

(1-10"')Ѵ(1,49/2

• Ю - ")*«2 - 10 2 .

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, на площади одного ядра дислокаций

ориентировочно

помещается

своими

активными

кислородными

атомами

2*103

молекул

1І з 0 . По данным

же табл. 17 на одном, квадратном

сантиметре

по -

верхкгости образуется в среднем 0,8-10

молекул Н а 0

,

что с

учетом

коэффициента, 2*102 дает 4-101 2

ядер дислокаций. Полученная

плотность

дефектов 4-101 2

см"2 отвечает

предельной

плотности

дислокаций,

что

имеет

место в поверхностных

слоях металла

при трении

без

смазки

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 ­

правления

скольжения. Так как направленность сдвиговых

деформаций

влияет на плотность

дислокационных

полей и, как следствие,

в о з ­

действует

на микротвердость и остаточные напряжения, то

с л е ­

дует ожидать неодинакового развития корризионных и эмиссионных

процессов

по контакту трения. В связи с этим были

проведены

опыты

по изучению экзоэмиссии и коррозии

в зоне контакта

трения

металлов

с учетом направления скольжения. Методика испытания на трение

брусков

20 X 20 X 50 мм о кольца 60 х 50 х 15 мм

была

принята

идентичной ранее описанной в работах [229 , 231], а

измерения,

с в я ­

занные с

образованием

Н 3 0 3 , проводились фотометрированием

пленки

с изображением контакта. Равномерный и строго фиксированный в

темноте прижим пленки эмульсией к цилиндрической

поверхности

зоны

контакта

осуществлялся

в специально сконструированном

приспособле­

нии. Интенсивность

экзоэлектронной

эмиссии в зоне

контакта

опре­

делялась открытым счетчиком со щелевой диафрагмой при равномерном

возвратно-поступательном движении

суппорта (ход 16

мм) с образ­

цом и непрерывной записи эмиссии

самописцем.

 

Полученные экспериментальные

данные при трении

без смазки алю­

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

вых 1 на рис. 75

видно увеличение коррозионной

способности металла

в зоне выхода

кольца из контакта с бруском

при одностороннем сколь ­

жении. Реверсивное трение приводит не только

к

более равномерной

коррозии в зоне

контакта, но и к повышенной

ее

интенсивности (кри­

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

158

Смотрите также файлы