Явища поверхні тертя

Цей вміст було завантажено нашими користувачами, і ми припускаємо, що вони добросовісно мають дозвіл поділитися цією книгою. Якщо ви володієте авторським правом на цю книгу, і вона незаконно розміщена на нашому веб-сайті, ми пропонуємо просту процедуру DMCA для видалення вашого вмісту з нашого сайту. Почніть із натискання на кнопку нижче!

FRICTI0 N ПОВЕРХНІ ФЕНОМЕНИ

СЕРІЯ ТРИБОЛОГІЇ Редактор Д. Доусон (Велика Британія) Консультативна рада В. Дж. Барц (Німеччина) Р. Бассані (Італія) Б. Бріско (Велика Британія) Х. Чжичос (Німеччина) К. Фрідріх (Німеччина) Н. Гане (Австралія)

Вип. 6 VOl. 7 вип. 8 ВОл. 9 ВОл. 10 ВОл. 11 ВОл. 12 вип. 13 вип. 14 вип. 15 вип. 16 вип. 17 вип. 18 ВОл. 19 ВОл. 20 ВОл. 21 ВОл. 22 вип. 23 вип. 24 вип. 25 вип. 26 вип. 27 вип. 28 вип. 29

W.A. Glaeser (США) H.E. Гінтерманн (Швейцарія) К. Людема (США) Т. Сакураї (Японія) В.О. Віннер (США)

СЕРІЯ ТРИБОЛОГІЇ, 29 РЕДАКТОР: Д. ДАУСОН

FRICTI0 N ПОВЕРХНІ ЯВИЩА Університет Георгія П. Шпенкова Сілезький Сосно, Польща

ELSEVIER Амстердам Лозанна Нью-Йорк Оксфорд Шеннон Токіо

ELSEVIER SCIENCE B.V. Sara Burgerhartstraat 25 P.O. Box 21 1,1000 AE Amsterdam, Нідерланди

ISBN 0 444 81684 4

для наукових, інженерно-технічних та технічних працівників, але також може бути цінним для випускників та студентів, які займаються трибологією та триботехнологіями. Сподіваємось, що проблеми, вирішені різними фізичними міркуваннями та методами, виявлять інтерес для фізиків. Книга також може бути корисною для хіміків, що спеціалізуються на змащуванні. Ті, кому ще не потрібно було вирішувати проблеми трибології, можуть почати дізнаватися, наскільки складним, цікавим та різноманітним є світ тертя і яких знань він вимагає. Таким чином, автор сподівається, що це може привернути увагу до проблем трибології серед тих фізиків та хіміків, які ще не зробили свого вибору в науці. Вибачаючись за неадекватність цієї книги, автор буде вдячний за всі коментарі. Я із задоволенням висловлюю щиру подяку професору Дугласу Годфрі за його доброзичливі та цінні коментарі щодо перекладу сьомого розділу. Я також хочу подякувати професору Миколі Мишкіну та його помічникам за виправлення всього англійського тексту. Велике спасибі моєму сину Максиму, який допомагав мені на всіх етапах у підготовці цього рукопису.

Георгій П. Шпенков Сосновець, 1994 рік

Ця сторінка навмисно залишена порожньою

Глава 1 ВЗАЄМОДІЯ ТВЕРДИХ ТВЕРДИХ .

Поверхнева енергія та поверхневий натяг. 1 подвійний електричний шар на фазовому інтерфейсі. 7 Механічна модель подвійного електричного шару. 19 Тертя; Позитивне правило градієнта. 24 Адсорбційне пом’якшення поверхонь. 31

Глава 2. ПОВЕРХНЯ ДЕРЖАВА; ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ. 35 2.1. Вимірювання робочої функції електрона для поверхневої оцінки стану 35. 2.2. Співвідношення робочої функції та обробки поверхні металу. 39 2.3. Кінетика електронної робочої функції оброблених металевих поверхонь. 47 2.4. Співвідношення робочої функції та якості обробки різних металів. 54 2.5. Вплив обробки поверхні напівпровідників на робочу функцію електронів. 62 2.6. Кінетика різниці контактних потенціалів в адсорбції мастильних матеріалів. 65 2.7. Варіації робочих функцій електронів твердих тіл при ковзанні та спосіб відбору матеріалів. 72

Глава 3 ФІЗИЧНА ХІМІЯ КОНТАКТНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ПРИ ВИБОРНОМУ ПЕРЕДАЧІ. 77 3.1. Вибірковий переказ. 3.2. Фізична природа захоплення металу. 3.3. Механізм вилучення при селективному перенесенні; Електрохімічний механізм переносу .

3.4. Властивості граничного шару в селективному перенесенні. 86 3.5. Зв'язок між зносостійкістю металів при селективному перенесенні з Гальвано-ЕРС у статиці. 95 3.6. Роль ЕРС у селективному перенесенні з низькою швидкістю ковзання. 97 3.7. Зміни потенціалів металевих електродів у мастилах, що сприяють вибірковій передачі. 101 3.8. Зносостійкість металів при селективній передачі та робочій функції. 104 3.9. Вплив водню на селективний перенос. 107 3.10. Ініціювання селективного перенесення порошками. 109 3.11. Узагальнений схематичний опис селективного переказу. 113 3.12. Інші процеси, відповідальні за селективну передачу міді . 120 3.13. Розробка концепції селективного переказу. 121 3.14. Приклад заявки на вибірковий переказ; Нова багатофункціональна добавка. 127 Розділ4 РОЛЬ ВИСОКОГО ТИСКУ І РУЧЕННЯ НОЖНИХ ТРИВАНЬ .

4.1. Місцевий рівень збудження. 133 4.2. Іонізація газу при ковзанні металів. 135 4.3. Можливий механізм формування шарів «сервовітів». 143 4.4. Явища на межі розділу під високим тиском та деформацією зсуву. 145 4.5. Періодичність процесів у поверхневих шарах під час тертя. 154 4.6. Теоретичний підхід до опису періодичності трибопараметрів. 165 4.7. Структурні зміни поверхневих шарів при терті. 172 Розділ 5. СТРУКТУРНІ І ФАЗОВІ ЗМІНИ, ВИВЧЕНІ МЕСБАУЕРСКОЮ СПЕКТРОСКОПІЄЮ .

Можливість електронної спектроскопії Моссбауера. 177 Механізм полірування. 184 Анізотропія властивостей поверхні після обробки. 192 Деформація кристалічної решітки поверхневого шару з нержавіючої сталі шліфуванням. 196 5.5. Вплив мастильних матеріалів та мастильно-охолоджувальних рідин на структуру поверхневого шару та фазовий склад. 201 5.6. Модифікація поверхні методом неабразивного антифрикційного покриття. 209 5.7. Роль вихідного стану поверхні в структурних і фазах 213 змін при механічній обробці .

Глава 6. ВПЛИВ ЗОВНІШНИХ ЕЛЕКТРОМОТИВНИХ СИЛ НА КОНТАКТНУ СТІЙКІСТЬ І ЗНОС. 217 6.1. Електричні контакти. 217 6.2. Зверніться до електричного опору. 219 6.3. Опір контакту ковзних електричних контактів в експерименті. 221 6.4. Знос розсувних електричних контактів. 227 6,5. Електрокапілярні та електропластичні ефекти. 229 6.6. Електропластичний ефект у розсувних парах. 236 6.8. Ініціювання селективного перенесення електричним струмом. 245 6.9. Практичні рекомендації. 246 6.10. Проблеми вдосконалення конструкції стандартних струмоприймачів. 247

Розділ 7. ГІДРОГЕНАЦІЯ ПРИ ПОВИХНЕННІ МЕХАНІЗМУ ВОДІННЬОГО ВОДЕНЮ .

7.1. Вступ; Водневе крихкість і зношення металів воднем. 251 7.2. Джерела водню та фактори, що впливають на поглинання. 252 7.3. Виділення та поглинання водню під час ковзання твердих тіл. 254 7.4. Гідрування металів під час ковзання проти пластмас із високим тертям. 261 7,5. Механізм високотемпературного гідрування металів під час ковзання проти пластмас із високим тертям. 270 7,6. Вплив поглинання водню на робочу функцію металів та сплавів. 285 7.7. Механізм зносу водню. 287 7,8. Запобігання зносу водню при різних видах розсувних збірок. 291 7,9. Приклади використання селективного переносу для запобігання зносу водню. 294 7.10. Вплив магнітного поля на поведінку водню. 296

Ця сторінка навмисно залишена порожньою

ВЗАЄМОДІЯ ТВЕРДИХ ЦІЛ 1.1.

Поверхнева енергія та поверхневий натяг

’T:), де F - сила, необхідна для поширення тріщини; L - довжина отвору тріщини; a - ширина зразка, а 2t - товщина зразків. У ряді досліджень пропонується простий розрахунок, отримуючи приблизні значення, які, однак, задовільно представляють кореляційні зв'язки o для різних металів. Як ілюстрація досить прийнятної емпіричної формули, що стосується основного

Взаємодія твердих тіл

Характеристика твердого тіла, а саме EWF, ми можемо представити рівняння, отримане С.Н. Задумкіна для літаків (h, k, l) може бути представлений:

де k, = 1,15 для Zv = 8 і k, = 1,08 для Zv = 12; n - число валентних електронів; і V, - питомий молярний об’єм.

Поверхневе натягнення. Загальний термодинамічний підхід до рівноваги поверхневого шару з двома сусідніми об'ємними фазами дає такий вираз для загальної енергії поверхневого шару

де T = dU/dS - температура шару (коефіцієнт інтенсивності); - ентропія шару (коефіцієнт ємності); s - площа інтерфейсу фази;

є,. .the. коефіцієнт інтенсивності, подібний до тиску в об'ємній фазі dU/dV = -P, який називається поверхневим натягом шару (розміри y дорівнюють Дж/м2 або Н/м); pi = dLl/dni - хімічний потенціал компонента i в шарі (коефіцієнт інтенсивності); і nj “’ - надлишок компонентів i у поверхневому шарі. Поверхневий натяг y входить у вирази надлишку вільної поверхневої енергії шару ds), визначеного відповідно до рівняння (1.1) як i

Поверхневий натяг регулюється характером контактуючих фаз. При адсорбції ПАР ефект ефекту Ребіндера проявляється у різних формах [4.5]. Вони включають зменшення поверхневого потенціалу, що спричинює розм’якшення металу; виникнення та подальше поширення тріщин, що призводять до руйнування твердих речовин; різке падіння міжфазної енергії, що викликає спонтанну дисперсію, що супроводжується утворенням частинок колоїдних розмірів. Ефекти здебільшого походять від зменшення енергії вільної поверхні твердого тіла на межі із середовищем. При адсорбції поверхнево-активних речовин (зокрема, дифільних молекул) поверхневий натяг рідкої фази помітно зменшується. Оскільки поверхневий натяг і вільна поверхнева енергія для «однокомпонентної» рідини чисельно рівні, будь-яке зменшення поверхневого натягу тягне за собою еквівалентне зменшення вільної поверхневої енергії. З фундаментального рівняння Гіббса (1.2) для міжфазного шару випливає, що поверхневий натяг у поверхні поверхні y визначається як вільна поверхнева енергія

де Ns - число частинок у поверхневій фазі, а N - число частинок у частині об'єму V. Ідентифікація поверхні загальної внутрішньої енергії системи становить U, = A U/(

) + C 1 (Ns - N,)/(As) + y = T

Тут, $ = (SS-S,)/(As) - поверхневе ущільнення ентропії, а T = (N ”-N,)/(As) - поверхневе ущільнення речовини або адсорбція. Поверхневе ущільнення вільної енергії системи (питома вільна поверхнева енергія) визначається як

З (1.3) випливає o, q. Потім, коли генерується «поверхнева фаза», робота витрачається не тільки на створення поверхні, але і на зміну щільності речовини

Взаємодія твердих тіл

За рівнянням Ліппмана

де q - поверхнева щільність заряду електрода. З рівняння (1.4) видно, що (T монотонно змінюється з потенціалом. Відносна поверхня 8, щільність поверхневої зміни q та потенціал cp корелюють рівнянням

де 8 - відношення площі твердої поверхні після деформації і до [7].

Рис. 1.1. Різниця між поверхневим натягом y та роботою по генерації оборотної одиниці поверхні (3 твердого електрода на рівні похідних цих величин відносно потенційного cp для платини в 1 н. H, SO, 171: 1) ayacp; 2) асла; 3) aoiacp.

Взаємодія твердих тіл

Віднімання рівняння (1.4) з рівняння (1.5) дає зміну щільності заряду в результаті пружної деформації електрода при постійному потенціалі

e/aT-ao/a> Om, об'ємна концентрація більшості набагато більша, ніж металу, оскільки носіїв заряду досить мала. Електронний перехід від металу до напівпровідника триває до тих пір, поки електрохімічні потенціали електронів в об'ємному пе і на поверхні напівпровідника не зрівняються, створюючи тим самим поле, яке гальмує подальший перехід електрона від металу до напівпровідника. Отже, в рівновазі маємо пе = песор

У C, = -w, "+ ecp, + k

P - повна потенціальна енергія електрона n-типу за мінусом потенціалу

енергія в електростатичному полі; cp і cp - електростатичні потенціали електронів в об'ємі і на контактній поверхні напівпровідника; ecp і ecp - це потенційні енергії електронів в електростатичному полі в об'ємі та на поверхні; і С, і С, - термодинамічні концентрації електронів в об'ємі та на поверхні напівпровідника. Стрибок потенціалу контакту в просторовому шарі заряду напівпровідника становить

AT, = (kT/e) ln (C,/C,). Для Се = 10-3до

і C, = l, з виразу (1.11) отримуємо Acps = 0,18 В.

Отже, при CPD, більшому за цей, поверхня напівпровідника набуває металевих властивостей. Як і у випадку контакту метал-метал, початковий бар'єр на межі врівноважується CPD практично до повної міри і близький до нуля, тоді як весь потенційний бар'єр розташований у просторовому шарі заряду напівпровідника . Ефективна товщина L контактного шару просторового заряду, тобто глибина, на яку поле проникає в напівпровіднику, становить L = J

EA @/(e 'n) де E - абсолютна діелектрична проникність середовища, а n - концентрація носіїв заряду в напівпровіднику. Значення L збільшується разом із різницею робочих функцій [захищено електронною поштою] між металом та напівпровідником, оскільки концентрація носіїв заряду в напівпровіднику зменшується. Цей випадок стосується утворення n-n + переходу так званого антибар'єрного шару зі зниженим електричним опором (рис. L, 5, а).

Формування антибар'єрного (а) та інверсійного (бар'єрного) (б) шарів: 1) металу та напівпровідника перед контактом; 2) перехід метал-напівпровідник після досягнення рівноваги; W та W,. - рівні Фенні металу та напівпровідника відповідно; Wc - енергія дна зони провідності; і Wv - верхня енергія валентної зони.

Взаємодія твердих тіл

Коли напівпровідник p-типу контактує з металом, враховуючи це

qs >> qm, стрибок контактного потенціалу в просторовому шарі заряду напівпровідника становить

AW, kT Acps = - + - lnC. e e

Метало-електролітний контакт; структура подвійного електричного шару. Відмінною особливістю контакту метал-електроліт проти контакту метал-напівпровідник є величезна ємність DEL, що відповідає відстані між пластинами конденсатора, що дорівнює приблизно 108 см, якщо подвійний шар уподібнюється конденсатору. Тут виникає поле напруженості порядку lo8 Vkm, яке на два порядки вище, ніж для максимального поля, що виникає у твердих тілах. Це пояснюється наступним [131. Негативні іони електроліту притягуються до поверхні металу з позитивним потенціалом. Однак електрони негативно заряджених іонів не можуть потрапити в метал ні самостійно, ні через тунельний ефект, оскільки в електричному плані вони на кілька електровольт нижчі за рівень Фермі в металі (рис. 1). Концентрація носія в електроліті на рівні Фермі незначна. Підвищення енергії негативних іонів до рівня Фермі металу вимагає поля порядку lo8 Vkm, що досягається при збільшенні концентрації заряджених іонів в електроліті.

Рис. 1.6. Конфігурація енергії контакту металу з електролітом [131: а) відсутність напруги зміщення; б) на електроліт подається негативна напруга.

У більшості випадків джерело енергії, необхідне електронам для переходу від електроліту до металу, виробляється в результаті хімічних реакцій, починаючи до того, як електрони негативних іонів виведуться на рівень Фермі. Наприклад, 0, утворення при електролізі води супроводжується виділенням енергії, достатньої для перетворення електрона іона OH- в один із станів, близьких до рівня Фермі металу. Як вперше зазначив Колрауш (1872), інтерфейс розчину електрод може бути представлений у вигляді великого конденсатора з інтервалом «пластини», рівним радіусу іона. Таке подання уподібнює інтерфейс до DEL або, як його часто називають, до “плоского конденсатора”, теорія, розроблена Гельмгольцем. На рисунку 1.7 наведено розподіл заряду та потенційне відхилення в DEL відповідно до Гельмгольца. Перехід потенціалу DEL (ps -, = A