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

Рис. 76. Схема проведения опыта для выяснения влияния среды на окисление поверхности трения (1,2)

ность, как и следовало ожидать, наблюдается и для экзоэмиссии с алю­ миния и цинка (кривые 3,4).

Рассматривая характер распределения интенсивности экзоэмиссии и коррозии в зоне контакта трения в зависимости от направления сколь ­

жения, следует подчеркнуть его идентичность ранее полученным резуль ­ татам по микротвердости, остаточным напряжениям, ультрафиолетовой фосфоресценции деформированных трением монокристаллов и распре­ делением дислокационных полей. Это приводит к выводу о глубокой взаимосвязи на энергетической основе трения [ 4 , 218, 371-374] .фи­ зико-механических и химических свойств поверхностных и глубинных

рода в смазке недостаточно для обычной скорости окисления, то дол ­

ния. С целью проверки этого предположения были проведены следую­

159

ковой интенсивностью экзоэмиссии. Это свидетельствует о том, что слой смазки не предохраняет поверхность металла от окисления,и растворенного в масле кислорода вполне достаточно для формирова­ ния окисной пленки, экранирующей эмиссионный поток.

В проведенных нами опытах имеется ряд обстоятельств, влияющих на достоверность полученных результатов, например, выдержки по вре ­ мени, необходимые для снятия образцов с машины трения (правда, в некоторых опытах измерения экзоэмиссии проводились непосредственно на машине трения), их обезжиривания, сушки, установки под детекто ­ ром и пр. За время этих выдержек обе поверхности ( 1 , 2) одновре­ менно окислялись, пленка быстро росла, особенно в первые минуты. Когда же начинались измерения экзоэмиссщі, толщины окисных пленок на исследуемых половинах кольца возможно различались незначитель­

ределенного внимания, поэтому исследования в этом направлении нами продолжаются.

Рассматривая вопросы, связанные с экзоэлектронной эмиссией, окислением и динамикой развития деформаций поверхностных слоев и их разрушением при трении, следует упомянуть об интересных иссле ­

дованиях по газовыделению при трении [ 375], проводимых в лаборатории И.М. Любарского. С помощью разработанного масс= спектрометрического

атмосферы поглощаются образовавшейся ювенильной поверхностью. При небольших объемах нарушенного материала выход газа происходит прак­ тически мгновенно и каждому акту нарушения поверхности трения с о ­ ответствует пик газовыделения. Так как количество газа, выделяюще­

В начальной стадии незначительное газовыделенне происходит в основ­ ном за счет изнашивания окисной пленки. С разрушением окисной плен­ ки, образованием ювенильных поверхностей и схватыванием интенсив­ ность выделения водорода резко возрастает. С ростом температуры наблюдаются структурные превращения, которые приводят к снижению интенсивности изнашивания и газовыделения. Периодические выбросы газа объясняются выкрашиванием частичек "белой" зоны и вступле­ нием в активный объем трения новых масс металла из приповерхност­ ного слоя.

160

Рис. 77. Выделение водорода при трении и сила трения [375]

Эти исследования интересно было бы провести совместно с изме­ рением экзоэлектронной эмиссии. Действительно, разрушение поверх­ ностного слоя с образованием новых поверхностей с пониженной рабо­ той выхода является одновременной предпосылкой к газовыделению, адсорбции и химической реакции (за счет микроколичеств кислорода, поступающего к ювенильным поверхностям из окружающей разреженной среды или из продуктов износа), а также служит причиной возникнове­ ния экзоэлектронной эмиссии. Как мы полагаем, кривые интенсивно­ сти экзоэлектронной эмиссии и газовыделения, снятые в динамических условиях трения, должны иметь один и тот же характер. Эти данные важно было бы сопоставлять с интенсивностью изнашивания, определен ной обычными методами, а также путем соответствующего пересчета микроколичеств выделившихся при трении газов на износ. Проведение таких исследований поможет глубже понять природу трения и изна­ шивания и разобраться в сложных молекулярно—механических взаимо­ действиях и физико-химических процессах, происходящих в поверхност­ ных слоях.

Таким образом, приведенные данные позволяют заключить, что между коррозионными и эмиссионными явлениями существует опреде­ ленная взаимосвязь, в основе которой лежит дефектность структуры поверхности трения. Особенно хорошо такая взаимосвязь наблюдается в исследованиях по трению с учетом реверсивности скольжения как весьма мощного режимного фактора, значительно изменяющего состоя­ ние поверхностных и глубинных слоев. Вызывая повышенную концент­ рацию дислокаций и вакансий, реверсивное трение в большей степени, чем одностороннее, создает за счет дополнительных деформаций более развитую в дефектном отношении структуру и новые поверхности и, увеличивая удельную свободную энергию, способствует усилению кор­ розионных и эмиссионных процессов. В процессе трения возникают и развиваются разнообразные физико-химические эффекты [1, 235, 376, 377], влияющие на износостойкость, что имеет много общего с проч­ ностными особенностями металлов, деформируемых в коррозионноактивных средах [251, 369, 378-381] .

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Проведенные исследования позволяют заключить, что при трении металлов возникает экзоэлектронная эмиссия, интенсивность которой зависит от многих условий и режимных факторов трения. По характеру кривых экзоэлектронной эмиссии, снятых в динамике трения, можно судить о формировании свойств рабочих поверхностей и кинетике про­ текания физико-химических процессов, что позволяет не только глубже познать сложные закономерности внешнего трения, но и в некоторых случаях прогнозировать износостойкость. Экзоэлектронная эмиссия имеет сложную природу, сущность которой еще окончательно не вы­ яснена, однако некоторые ее особенности уже теперь дают возможность

ся центрами экзоэмиссии и инициаторами различных физико-химических процессов, и в частности коррозионных, на поверхности трения. Учиты­ вая линейную протяженность дислокаций, а также тесную взаимосвязь свойств поверхностных и глубинных слоев, следует, на наш взгляд, рассматривать экзоэлектронную эмиссию не как чисто поверхностный эффект, но как физический процесс, описывающий состояние определен­ ного объема деформированного трением металла. Этот вывод может быть подкреплен данными о проникающей способности квантов энергии возбуждающей экзоэмиссию подсветки, глубина проникновения которых в твердое тело значительна и определяется коэффициентом поглоще­ ния или экстинции [382].

Энергетический баланс внешнего трения показывает [4, 383], что определенная часть затраченной работы идет на внешнее рассеива­ ние, доля которого незначительна по сравнению с другими составляю­ щими. Это особенно относится к экзоэлектронной экшссии, при которой средняя кинетическая энергия электронов, покинувших поверхность твердого тела, невелика и лежит в пределах 0,1-Ю,5 эв. Однако такая величина кинетической энергии определена для экзоэлектронов, эмиттируемых с поверхности металлов после прекращения деформации, и, очевидно, нуждается в значительной поправке для динамики трения.

Так как энергетический баланс самого явления экзоэлектронной эмис­ сии еще полностью не составлен и не подтвержден экспериментально даже для статических условий после любой деформации, то понятны

162

трудности такого баланса для динамики трения.Пока в общих чертах можно предположить следующую схему. Процесс трения создает пред­ посылки или в некоторых случаях непосредственно приводит к вылету эк­

Е + Е 0 + hv = е Р + mv J /2 .

Доля механической энергии, необходимая для формирования экзоэлект­ ронной эмиссии, состоит из двух слагаемых: динамического, действую­ щего непосредственно в процессе трения, и статического, характери­ зующего разнообразные остаточные явления и новые свойства поверх­ ностных слоев, приобретаемые сразу же после прекращения трения. Поэтому кинетическая энергия экзоэлектронов, возникающих в дина­ мике трения, должна быть выше, чем после его прекращения. Работа внешних сил при трении приводит к уменьшению потенциального барьера

алюминия, имеющего довольно высокий уровень Ферми [201J, эпизоди­ чески наблюдался вылет электронов и без возбуждающей подсветки, что свидетельствует о значительной роли динамических факторов тре­ ния в энергетическом балансе экзоэмиссии. После прекращения трения интенсивность экзоэлектронной эмиссии определяется конкуренцией процессов релаксации напряжений под воздействием дрейфа дефектов и перестройки дислокационных полей в более энергетически устойчивую форму, охлаждением поверхностей трения с изменением структуры и микрообъемов, ее составляющих, экзотермической реакцией окисле­

ния и экранирующим влиянием окисной пленки с ростом ее толщины. Приведенные результаты исследований не претендуют на исчерпы­

вающий охват вопросов, связанных с экзоэлектронной эмиссией при трении. Многое предстоит еще сделать, чтобы разобраться в слож­ ных взаимодействиях, формирующих это явление. В частности, не­ обходимы исследования экзоэлектронной эмиссии при трении в вакууме с одновременным изучением разнообразных процессов и с привлече­ нием прогрессивных методов и пр. Мы надеемся, что представленный в книге материал окажется полезным и заинтересует многих иссле­ дователей, а новые экспериментальные и теоретические работы в этом направлении дополнят наши представления об экзоэлектронной эмиссии

иее особенностях при внешнем трении.

Взаключение перечислим задачи, при решении которых приме­ нение экзоэлектронной эмиссии может оказаться весьма перспектив­ ным.

163