Одной из основных причин интенсивного износа абразивного инструмента и плохого качества обрабатываемой поверхности при шлифовании металлов является протекание в зоне резания сложного комплекса физико-химических процессов. Важнейшим фактором обеспечения заданного качества обрабатываемой поверхности при изготовлении детали и поддержания его на заданном уровне в процессе эксплуатации является внешняя среда, обладающая специальными физическими и химическими свойствами. В экстремальных условиях контактного взаимодействия внешняя среда вступает во взаимодействие с контактируемыми поверхностями, изменяя их первоначальное состояние.
Для описания характеристик обработки и формирования поверхностей контроля геометрических параметров оказывается недостаточным. Наиболее информативным методом оценки химического состояния поверхностного слоя является элементный анализ, который реализуется с помощью различных специальных приборов таких как, оже-спектрометр, масс-спектрометр вторичных ионов и др. Так же в качестве дополнительного параметра качества поверхностного слоя изделия многими отечественными (Мухуров Н. И., Пантелеев К. В., Свистун А. И., Жарин А. Л., Калмыков В. В. и др.) и зарубежными (Y. Zhou, J. Q. Lu, W. G. Qin, D. Shaw, Hao Lu и др.) современниками предложено использовать такой параметр как поверхностная энергия. Для наиболее содержательного описания показателя поверхностной энергии используется работа выхода электрона (РВЭ), как наиболее чувствительный параметр энергетического состояния поверхностного слоя.
Знание действительной величины РВЭ дает возможность с большой точностью определить поверхностную энергию твердых металлов и, таким образом, проследить за изменением состояния их поверхностных слоев, а, значит, выявить зарождение и развитие в нем дефектов. Например, усталостные трещины образуются преимущественно на поверхности металлических деталей независимо от того, связан ли способ их нагружения с высокими поверхностными напряжениями (например при изгибе и кручении) или нет. Известно также возможное влияние энергии поверхности металлов на схватываемость и величину коэффициента трения [1].
В работах A. M. Дальского, А. Г. Суслова, А. Ю. Албагачиева, Э. В. Рыжова, В. П. Федорова показано, что в процессе механической обработки деталей часть энергии поглощается металлом. Примерно 75 % всей энергии, затрачиваемой на образование поверхности, связано с теплом, и условно можно считать, что данный объем тепла не влияет на физическую сущность слоя. Оставшиеся около 25 % общей энергии, затраченной на формирование поверхности технологическим воздействием, после обработки переходят в состояние поверхностной энергии. Она в свою очередь расходуется на искажение кристаллической решетки, образование дислокаций, движение вакансий, функционирование ячеек Бернара и др. Взаимное влияние данных, составляющих в процессе эксплуатации детали, представляет накопленную энергию поверхности и оказывает влияние на физико-механические характеристики [2].
В настоящее время методы, основанные на регистрации распределения работы выхода электрона, например по контактной разности потенциалов, находят достаточно широкое применение для исследований и неразрушающего контроля параметров поверхности, и процессов, протекающих в поверхностных и приповерхностных слоях твердых тел. Величина РВЭ связана напрямую с физико-химическими и механическими свойствами вещества в конденсированном состоянии. Изменение физико-химических и механических параметров поверхности твердого тела должно вызывать соответствующее изменение РВЭ. Как показывает практика, при обработке и формировании сверхгладких поверхностей цветных металлов и сплавов свободные электроны, образующиеся при технологическом воздействии резца, приводят к процессам окисления поверхности и изменению физико-химических параметров. При этом толщина образующейся оксидной пленки может быть сравнима или больше высоты максимальной шероховатости [3].
В работах Y. Zhou, J. Q. Lu, W. G. Qin, D. Shaw, Hao Lu экспериментально было доказано влияние деформации на РВЭ: упругие деформации вызывают рост РВЭ, а в области пластического деформирования работа выхода уменьшается (рис.1). Причем падение РВЭ соответствует степени пластического деформирования, а величина приращения РВЭ к моменту разрушения различна для разных металлов.
Рис. 1. РВЭ Al при деформации на изгиб
Левитин В. В. в соавторстве экспериментально исследовал изменение РВЭ Al, Ti, Fe и Ni сплавов по отношению к деформации при растяжении и рассчитал РВЭ, используя метод функционала плотности для упруго-напряженных монокристаллов. Экспериментальные и теоретические результаты показали, что РВЭ уменьшается при деформации растяжением. Другой теоретический расчет, с использованием метода самосогласованного электрон — деформационного взаимодействия, также показал, что РВЭ уменьшается, если кристаллическая решетка деформируется при растяжении. Однако исследования Лоскутова С. В. и Правда М. И., основывающиеся на самосогласованном расчете поверхностной энергии, показали, что РВЭ алюминия увеличивается при деформации процессами релаксационного явления [4].
Выше указанные исследования демонстрируют, что до сих пор эффект деформации, в частности, при сложных режимах остается неизученным; даже некоторые экспериментальные наблюдения различных исследователей противоречивы. Это указывает на то, что физический механизм, ответственный за этот эффект не был полностью изучен [4]. Таким образом, возникает необходимость в установлении четкой теоретической корреляции между РВЭ и различными деформациями. С этой целью необходимо теоретически уточнить влияние перемещений на РВЭ, т. к. пластическая деформация связана с их образованием.
Так же в работе [4] замечено, что скорость деформации может играть такую же роль на изменение РВЭ как и деформация. РВЭ убывает пропорционально увеличению деформации от растяжения.
В работе [5] исследовали функцию работы выхода электрона и поведение силы трения трех инертных сплавов при различных условиях шлифования. Определялись РВЭ с использованием сканирующего зонда Кельвина (СЗК) и твердость образцов с использованием твердомера, коэффициенты трения в условиях с использованием СОЖ и без него, были измерены с помощью иглы трибомерта.
Коэффициент трения зависит от двух факторов, поверхностной адгезии и механической деформации. Более сильная адгезия наблюдается при большей силе трения, меньшая твердость приводит к увеличению области контакта, что повышает общую силу адгезии. Для того, чтобы понять тенденцию изменения коэффициента трения в сухих и с использованием СОЖ условиях, так же наблюдали следы иглы на образцах обработанных в различных условиях. Рис.2 и 3 иллюстрирует следы, вдоль которых скользила игла.
Рис. 2. Следы трения в сухом условии
Рис. 3. Следы трения с использованием СОЖ
При сухом трении, поверхность образцов вместе с инертными пленками были повреждены, игла была в непосредственном контакте с основной массой сплава или с разрушенными активными атомными связями. В этом случае материал, имеющий более высокую РВЭ должен иметь большую силу сцепления, а большая атомная связь приводит к увеличению поверхностной энергии (для поверхностей имеющих ту же плотность разорванных связей) [5].
Поверхности образцов с более высокой РВЭ при сухом шлифовании, имеют большие коэффициенты трения. В то время как при использовании СОЖ данная тенденция исчезает. Во время сухого шлифования были повреждены поверхности и инертные пленки. При использовании СОЖ, поверхности и инертные пленки нержавеющих сталей показали хорошую целостность, а поверхность и пленки сплава Ti были повреждены. Наблюдаемые тенденции изменения коэффициента трения по отношению к инертным сплавам при сухом шлифовании и с применением СОЖ основывается на точке зрения деятельности атомной активности и роли различных пленок в блокировании взаимодействия между электронами и окружающей средой [5].
Выводы
Поскольку метод зонда Кельвина мощный неразрушающий метод, он был использован для измерения РВЭ из металла, и с его помощью получили неоценимую информацию для понимания поверхностной физики и химии, которое имеет решающее значение для разработки перспективных материалов. Например, РВЭ преобладает ориентированная подвижность положительных и отрицательных зарядов, которое является важной функцией гетерогенного соединения в микроэлектронике, фотокатализе, сенсорной технике, солнечных элементах и т. д. Однако, на сегодняшний день, мало внимания было уделено применению метода зонда Кельвина для исследования механических свойств материалов. Известно, что большинство механических, трибологических и электрохимических свойств материалов принципиально определяются их электронными свойствами. Эти свойства в каком — то смысле может охарактеризовать РВЭ. Однако, основным ограничением, сдерживающим применение данного метода в исследовании механического поведения материалов, связано с отсутствием устоявшихся закономерностей связи между механическими свойствами и РВЭ. Таким образом, создание теоретической взаимосвязи между механическими свойствами и РВЭ является необходимой предпосылкой для использования зонда Кельвина при исследовании механических свойств, а также для изучения потенциальных возможностей конструкции материалов.
Анализ научных работ по данной тематике позволил сделать несколько фундаментальных выводов. Так как пластическая деформация может способствовать увеличению плотности перемещений, РВЭ деформированных образцов должна всегда уменьшаться независимо от того какой вид деформации. Кроме того, упругая деформация не предполагает перемещений, другими словами, механизм упругой деформации является деформацией кристаллической решетки или смещение потенциалов атомов, соответствующие увеличению/уменьшению РВЭ с растяжением или сжатием, вызванного увеличением/уменьшением электронной плотности металлических поверхностей. Кроме того, аналогично влияние скорости деформации, т. е. увеличивается плотность перемещений. Соответственно, при увеличении скорости деформации РВЭ должна уменьшаться. Так же следует отметить, что поверхности с более высокой РВЭ являются более реакционноспособными для взаимодействия с окружающей средой и образования поверхностных пленок. Таким образом, наибольшая функция РВЭ должна соответствовать сильному барьеру от проникновения электронов из металла через инертные пленки/трибохимические/ СОЖ и внести свой вклад в адгезионное взаимодействие.
Литература:
- В. М. Самойленко, В. С. Олешко Применение прибора измерения контактной разности потенциалов «Поверхность-11» в неразрушающем контроле деталей машин // Межотраслевой научно-технический журнал «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». — 2014. — № 1. — с.60–63
- Мусохранов М. В., Калмыков В. В., Сорокин С. П. Энергетические показатели качества деталей машин и методы их измерения // Фундаментальные исследования. — 2015.- № 10.- С. 43–49
- Г. В. Шаронов, А. Л. Жарин, Н. И. Мухуров Н. И., К. В. Пантелеев К. В. Контроль металлических поверхностей, обработанных алмазным наноточением, по работе выхода электрона // Приборы и методы измерений. — 2015. — Т.6, № 2. — 1. 196–203
- Zhou Y., Lu J. Q., Qin W. G. Change in the electronic work function under different loading conditions // Materials Chemistry and Physics. — 2009. — Vol.118. — p. 12–14
- Shiyi Liu, Hao Lu, Li D. Y. The relationship between the electron work function and friction behavior of passive alloys under different conditions// Applied surface science. — 2015. — Vol. 351. — p. 316–319
