Acest conținut a fost încărcat de utilizatorii noștri și presupunem cu bună credință că au permisiunea de a partaja această carte. Dacă dețineți drepturile de autor asupra acestei cărți și se află în mod greșit pe site-ul nostru, vă oferim o procedură simplă DMCA pentru a vă elimina conținutul de pe site-ul nostru. Începeți prin apăsarea butonului de mai jos!

gratuită

FRICTI0 N FENOMENE DE SUPRAFEȚĂ

SERIA TRIBOLOGIE Editor D. Dowson (Gt. Britain) Consiliul consultativ W.J. Bartz (Germania) R. Bassani (Italia) B. Briscoe (Gt. Marea Britanie) H. Czichos (Germania) K. Friedrich (Germania) N. Gane (Australia)

Vol. 6 VOL. 7 vol. 8 VOL. 9 VOL. 10 VOL. 11 VOL. 12 Vol. 13 Vol. 14 Vol. 15 Vol. 16 Vol. 17 vol. 18 VOL. 19 VOL. 20 VOL. 21 VOL. 22 Vol. 23 Vol. 24 Vol. 25 Vol. 26 Vol. 27 vol. 28 Vol. 29

W.A. Glaeser (S.U.A.) S.E. Hintermann (Elveția) K.C. Ludema (S.U.A.) T. Sakurai (Japonia) W.O. Winer (S.U.A.)

SERIA TRIBOLOGIE, 29 EDITOR: D. DOWSON

FENOMENE FRICTI0 N SURFACE George P. Shpenkov Universitatea din Silezia Sosno wiec, Polonia

ELSEVIER Amsterdam Lausanne New York Oxford Shannon Tokyo

ELSEVIER SCIENCE B.V. Sara Burgerhartstraat 25 P.O. Caseta 21 1.1000 AE Amsterdam, Olanda

ISBN 0 444 81684 4

pentru lucrătorii științifici, ingineri și tehnici, dar poate fi, de asemenea, de valoare pentru absolvenții și studenții care se ocupă de tribologie și tribotehnologie. Se speră că problemele rezolvate prin diverse considerații fizice și metode vor dovedi interesul fizicienilor. Cartea ar putea fi utilă și pentru chimiștii specializați în lubrifiere. Cei care nu au avut încă nevoie să se ocupe de problemele tribologiei pot începe să învețe cât de complicată, interesantă și diversă este lumea fricțiunii și ce cunoștințe necesită. În acest fel, autorul speră că poate atrage atenția asupra problemelor tribologiei în rândul acelor fizicieni și chimiști care nu și-au făcut încă alegerea în știință. În timp ce își cere scuze pentru inadecvările acestei cărți, autorul ar fi recunoscător pentru toate comentariile. Îmi face plăcere să exprim mulțumiri sincere profesorului Douglas Godfrey pentru comentariile sale prietenoase și valoroase legate de traducerea celui de-al șaptelea capitol. De asemenea, doresc să mulțumesc profesorului Nikolai Myshkin și asistenților săi pentru corectarea întregului text în limba engleză. Multe mulțumiri fiului meu, Maxim, care m-a ajutat în toate etapele pregătirii acestui manuscris.

George P. Shpenkov Sosnowiec, 1994

Această pagină a fost lăsată goală în mod intenționat

Capitolul 1 INTERACȚIA SOLIDELOR .

Energia suprafeței și tensiunea suprafeței. 1 strat electric dublu la interfața de fază. 7 Model mecanic al stratului electric dublu. 19 Fricțiune; Regula gradientului pozitiv. 24 Înmuierea adsorbțională a suprafețelor. 31

Capitolul 2. STAT DE SUPRAFATA; CARACTERISTICĂ ENERGETICĂ. 35 2.1. Măsurarea funcției de lucru a electronilor pentru suprafața 35 Evaluarea stării. 2.2. Corelarea funcției de lucru și tratarea suprafeței metalice. 39 2.3. Cinetica funcției de lucru a electronilor suprafețelor metalice prelucrate. 47 2.4. Corelarea funcției de lucru și calitatea prelucrării diferitelor metale. 54 2.5. Influența tratamentului de suprafață semiconductor asupra funcției de lucru a electronilor. 62 2.6. Cinetica diferenței potențiale de contact în adsorbția lubrifianților. 65 2.7. Variații ale funcției de lucru electronice ale solidelor în alunecare și metoda de selectare a materialelor. 72

Capitolul 3 CHIMIA FIZICĂ A INTERACȚIEI DE CONTACT LA TRANSFERUL SELECTIV. 77 3.1. Transfer selectiv. 3.2. Natura fizică a confiscării metalelor. 3.3. Mecanismul de sechestru în transferul selectiv; Mecanismul de transfer electrochimic .

3.4. Proprietățile stratului limită în transferul selectiv. 86 3.5. Relația dintre rezistența la uzură a metalelor în transferul selectiv cu Galvano-EMF în statici. 95 3.6. Rolul EMF în transferul selectiv la viteză redusă de alunecare. 97 3.7. Modificări ale potențialului electrodului metalic în lubrifianți care favorizează transferul selectiv. 101 3.8. Rezistența la uzură a metalelor în transferul selectiv și funcția de lucru. 104 3.9. Influența hidrogenului asupra transferului selectiv. 107 3.10. Inițierea transferului selectiv de către pulberi. 109 3.11. Descrierea schematică generalizată a transferului selectiv. 113 3.12. Alte procese responsabile pentru transferul selectiv de cupru . 120 3.13. Dezvoltarea conceptului de transfer selectiv. 121 3.14. Un exemplu de cerere de transfer selectiv; Un nou aditiv multifuncțional. 127 Capitolul 4 ROLUL DE PRESIUNE ÎNALTĂ ȘI DEFORMAȚIE DE FORZARE ÎN FRICȚIE .

4.1. Nivelul de excitație locală. 133 4.2. Ionizarea gazelor în alunecarea metalelor. 135 4.3. Posibilul mecanism al formațiunii de straturi „Servovite”. 143 4.4. Fenomene la interfața sub presiune înaltă și forță de forfecare. 145 4.5. Periodicitatea proceselor în straturile de suprafață în timpul fricțiunii. 154 4.6. O abordare teoretică a unei descrieri a periodicității triboparametrelor. 165 4.7. Modificări structurale ale straturilor de suprafață în frecare. 172 Capitolul 5. MODIFICĂRI STRUCTURALE ȘI DE FAZĂ STUDIATE DE SPECTROSCOPIA MOSSBAUER .

Capacitate de spectroscopie electronică Mossbauer. 177 Mecanismul lustruirii. 184 Anizotropia proprietăților suprafeței după Machming. 192 Rețeaua cristalină Deformarea stratului de suprafață din oțel inoxidabil prin măcinare. 196 5.5. Influența lubrifianților și a lichidelor de răcire asupra structurii stratului de suprafață și a compoziției fazei. 201 5.6. Modificarea suprafeței prin finisare antifricțiune nonabrazivă. 209 5.7. Rolul stării suprafeței originale în modificările structurale și de fază 213 la prelucrare .

Capitolul 6. INFLUENȚA FORȚELOR ELECTROMOTIVE EXTERNE PRIVIND REZISTENȚA ȘI PORTURILE DE CONTACT. 217 6.1. Contacte electrice. 217 6.2. Contactați rezistența electrică. 219 6.3. Rezistența la contact a contactelor electrice glisante în experiment. 221 6.4. Uzura contactelor electrice glisante. 227 6.5. Efecte electrocapilare și electroplastice. 229 6.6. Efect electroplastic în perechi glisante. 236 6.8. Inițierea transferului selectiv de curent electric. 245 6,9. Recomandări practice. 246 6.10. Probleme de îmbunătățire a proiectării colectoarelor de curent standard. 247

Capitolul 7. HIDROGENAREA ÎN TIMPUL MECANISMULUI DE ALUNARE ȘI DE ÎMBRĂCĂMINTE A HIDROGENULUI .

7.1. Introducere; Fragmentarea hidrogenului și uzarea hidrogenului de metale. 251 7.2. Surse de hidrogen și factori care influențează absorbția. 252 7.3. Evoluția și absorbția hidrogenului în timpul alunecării solidelor. 254 7.4. Hidrogenarea metalelor în timpul alunecării împotriva materialelor plastice cu frecare ridicată. 261 7.5. Mecanismul de hidrogenare a temperaturilor ridicate a metalelor în timpul alunecării împotriva materialelor plastice cu frecare ridicată. 270 7.6. Influența absorbției hidrogenului asupra funcției de lucru a metalelor și aliajelor. 285 7.7. Mecanismul uzurii hidrogenului. 287 7.8. Prevenirea uzurii hidrogenului în diferite tipuri de ansambluri glisante. 291 7.9. Exemple de utilizare a transferului selectiv pentru a preveni uzura hidrogenului. 294 7.10. Influența câmpului magnetic asupra comportamentului cu hidrogen. 296

Această pagină a fost lăsată goală în mod intenționat

INTERACȚIA SOLIDELOR 1.1.

Energia suprafeței și tensiunea suprafeței

’T:), unde F este forța necesară pentru propagarea unei fisuri; L este lungimea deschiderii fisurii; a este lățimea eșantionului și 2t este grosimea eșantionului. O serie de studii propun un calcul simplu, rezultând valori aproximative care, totuși, reprezintă în mod satisfăcător corelații în o pentru diferite metale. Ca o ilustrare a unei formule empirice destul de acceptabile referitoare la o la bază

Interacțiunea solidelor

caracteristic unui solid, și anume, EWF, putem prezenta ecuația derivată de S.N. Zadumkin pentru avioane (h, k, l) poate fi prezentat:

unde k, = 1,15 pentru Zv = 8 și k, = 1,08 pentru Zv = 12; n este numărul de electroni de valență; și V, este volumul molar specific.

Tensiune de suprafata. O abordare termodinamică generală a echilibrului unui strat de suprafață cu două faze de volum învecinate oferă următoarea expresie pentru energia totală a stratului de suprafață

unde T = dU/dS este temperatura stratului (factorul de intensitate); este entropia stratului (factorul de capacitate); s este zona interfeței de fază;

este,. .la. factor de intensitate similar presiunii în faza de volum dU/dV = -P, care se numește tensiune superficială a stratului (dimensiunile lui y sunt J/m2 sau N/m); pi = dLl/dniis potențialul chimic al componentei i în strat (factorul de intensitate); iar nj „’ este excesul componentelor i din stratul de suprafață. Tensiunea superficială y intră în expresii pentru excesul de energie liberă de suprafață a stratului ds) definit în conformitate cu ecuația (1.1) ca i

Tensiunea superficială este guvernată de natura fazelor de contact. În adsorbția surfactantului, efectul Rehbinder se manifestă într-o varietate de forme [4.5]. Acestea includ o reducere a potențialului de suprafață care determină înmuierea metalelor; originarea și propagarea ulterioară a fisurilor care au ca rezultat fracturarea solidelor; căderea dramatică a energiei interfațiale inducând o dispersie spontană însoțită de generarea de particule de dimensiuni coloidale. Efectele provin în cea mai mare parte dintr-o scădere a energiei libere a suprafeței unui solid la limita cu mediul. În adsorbția agenților tensioactivi (în mod specific, a moleculelor difilice), tensiunea superficială a fazei lichide se diminuează semnificativ. Deoarece tensiunea de suprafață și energia de suprafață liberă pentru un lichid cu o singură componentă sunt egale numeric, orice reducere a tensiunii de suprafață implică o reducere echivalentă a energiei de suprafață libere. Rezultă din ecuația fundamentală a lui Gibbs (1.2) pentru stratul interfacial că tensiunea superficială interfațială y este definită ca energia de suprafață liberă

unde Ns este numărul de particule din faza de suprafață și N, este numărul de particule din partea de volum V. O identificare de suprafață a energiei interne totale a sistemului este U, = A U/(

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

Aici, $ = (SS-S,)/(As) este densificarea suprafeței entropiei și T = (N ”-N,)/(As) este densificarea suprafeței substanței sau adsorbția. Densificarea suprafeței energiei libere a sistemului (energia specifică a suprafeței libere) este definită ca

Din (1.3) urmează o, q. Apoi, pe măsură ce se generează „faza de suprafață”, munca este cheltuită nu numai pentru crearea suprafeței, ci și pentru variația densității substanței

Interacțiunea solidelor

Conform ecuației Lippmann

unde q este densitatea suprafeței sarcinii electrodului. Se constată din ecuația (1.4) că (T variază monoton cu potențialul. Suprafața relativă 8, densitatea modificării suprafeței q și potențialul cp sunt corelate de ecuație

unde 8 este raportul suprafeței solide după deformare și înainte [7].

FIG. 1.1. Diferența dintre tensiunea superficială y și activitatea reversibilă de generare a suprafeței unității (3 a unui electrod solid la nivelul derivaților acestor mărimi în raport cu potențialul cp pentru platină în 1 n. H, SO, 171: 1) ayacp; 2) asla; 3) aoiacp.

Interacțiunea solidelor

Scăderea ecuației (1.4) din ecuația (1.5) dă schimbarea densității de sarcină ca urmare a deformării elastice a electrodului la potențialul constant

e/aT-ao/a> Om, concentrația de volum a majorității mult mai mare decât cea a metalului ca a purtătorilor de sarcină fiind destul de mică. Tranziția electronică de la metal la semiconductor se desfășoară până când potențialele electrochimice ale electronilor din pe în vrac și pe suprafața pesului semiconductorului se egalizează, creând astfel un câmp care inhibă tranziția electronică suplimentară de la metal la semiconductor. Astfel, la echilibru avem pe = pesor

În C, = -w, "+ ecp, + k

P este energia potențială totală a electronului de tip n minus potențialul

energie în câmpul electrostatic; cp și cp, sunt potențialele electrostatice ale electronilor în vrac și pe suprafața de contact a semiconductorului; ecp și ecp, sunt energiile potențiale ale electronilor din câmpul electrostatic în vrac și la suprafață; și C și C, sunt concentrațiile termodinamice de electroni în vrac și pe suprafața semiconductorului. Saltul potențialului de contact în stratul de încărcare spațială al semiconductorului este

AT, = (kT/e) ln (C,/C,). Pentru Ce = 10-3to

și C, = l, din expresia (1.11) obținem Acps = 0,18 V.

Prin urmare, la CPD mai mare decât acesta, suprafața semiconductoare capătă proprietăți metalice. Ca și în cazul unui contact metal-metal, bariera inițială la limită este echilibrată de CPD practic la maxim și este aproape de zero, în timp ce întreaga barieră potențială este situată în stratul de încărcare spațială a semiconductorului. . Grosimea efectivă L a stratului de încărcare spațială în contact, adică adâncimea până la care câmpul pătrunde în semiconductor este L = J

EA @/(e 'n) unde E este permitivitatea absolută a mediului și n este concentrația purtătorilor de sarcină din semiconductor. Valoarea L crește împreună cu diferența de funcție de lucru [e-mail protejat] între metal și semiconductor, pe măsură ce concentrația purtătorilor de sarcină din semiconductor scade. Acest caz se referă la formarea joncțiunii n-n + a așa-numitului strat antibarrier cu o rezistență electrică redusă (Fig.5, a).

Formarea straturilor antibarrier (a) și inversare (barieră) (b): 1) metal și semiconductor înainte de contact; 2) joncțiunea metal-semiconductor după atingerea echilibrului; W și W,. sunt nivelurile Fenni ale metalului și, respectiv, ale semiconductorilor; Wc este energia de jos a benzii de conducere; iar Wv este energia de sus a benzii de valență.

Interacțiunea solidelor

Când semiconductorul de tip p este în contact cu metalul, având în vedere acest lucru

qs >> qm, saltul potențialului de contact în stratul de încărcare spațială al semiconductorului este

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

Contact metal-electrolit; structura stratului electric dublu. O caracteristică distinctivă a unui contact metal-electrolit față de contactul metal-semiconductor este o capacitate imensă DEL, corespunzătoare distanței dintre plăcile condensatorului egală cu aproximativ 108 cm, dacă stratul dublu este asemănat condensatorului. Aici apare un câmp de forță de ordinul lo8 Vkm, care este cu două ordine de mărime mai mare decât cel pentru câmpul maxim originar din solide. Se datorează următoarelor [131. Ionii electroliți negativi sunt atrași de suprafața metalică cu un potențial pozitiv. Cu toate acestea, electronii ionilor încărcați negativ nu pot intra în metal nici singuri, nici din cauza efectului tunel, deoarece, electric, sunt cu câțiva electronvolți mai mici decât nivelul Fermi din metal (Fig.l.6). Concentrația purtătorului în electrolit la nivelul Fermi este neglijabilă. Creșterea energiei ionilor negativi până la nivelul Fermi al metalului necesită un câmp de ordinul lo8 Vkm, obținut atunci când crește concentrația ionilor încărcați în electrolit.

FIG. 1.6. Configurația energiei de contact metal-electrolit [131: a) fără tensiune de polarizare; b) electrolitului i se aplică tensiune negativă.

În majoritatea cazurilor, o sursă de energie necesară pentru ca electronii să treacă de la electrolit la metal este produsă de reacții chimice care încep înainte ca electronii ionilor negativi să fie aduși la nivelul Fermi. De exemplu, 0, formarea în electroliza apei este însoțită de eliberare de energie suficientă pentru a converti un electron al ionului OH- într-una dintre stările apropiate de nivelul Fermi al unui metal. După cum a remarcat prima dată Colraush (1872), interfața electrod-soluție poate fi reprezentată ca un condensator mare cu distanța „plăcii” egală cu raza ionică. O astfel de reprezentare compară interfața cu DEL sau, așa cum se numește adesea, cu „condensatorul plan”, teoria dezvoltată de Helmholtz. Figura 1.7 prezintă distribuția sarcinii și variația potențială a DEL în conformitate cu Helmholtz. Saltul potențial DEL (ps -, = A