金屬材料表面摩擦層研究范文

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摩擦、磨損造成了能源的消耗與材料的失效，減小摩擦、降低磨損將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。摩擦學(xué)的研究對(duì)象、表征尺度正在由基體材料過(guò)渡到摩擦界面、微納米尺度甚至原子尺度。在2011年世界材料磨損大會(huì)上，已經(jīng)有學(xué)者指出摩擦界面的研究將是未來(lái)若干年材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)。觀測(cè)摩擦表面層的組織結(jié)構(gòu)和摩擦表面的形貌變化具有重要意義。通過(guò)對(duì)材料摩擦表面成分、組織、形貌的研究，有助于揭示材料的摩擦磨損機(jī)理，揭示材料摩擦的本源。

1摩擦層

1．1摩擦層概念材料摩擦過(guò)程中，由于正應(yīng)力、切向力及摩擦生熱的交互作用，摩擦表面會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，引起摩擦表面元素分布發(fā)生改變、表面材料發(fā)生塑性變形、材料形成轉(zhuǎn)移和氧化等，從而形成一層成分不同于基體材料的表面層。GODET［6］在其研究中首次將磨損過(guò)程中形成的新表面層定義為“第三體”。第三體也可稱(chēng)為摩擦層（膜）、轉(zhuǎn)移層（膜）、機(jī)械混合層等。至此，越來(lái)越多的研究人員認(rèn)可摩擦層的重要性并對(duì)其開(kāi)展積極的研究。從材料的角度來(lái)說(shuō)，第三體可以定義為位于摩擦副之間的一個(gè)實(shí)體層，其組成與摩擦副的材料有很大差異。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度可以將其描述為速度適應(yīng)層，作用是調(diào)節(jié)對(duì)偶之間的速度差異，使其趨于一致。作者認(rèn)為，摩擦層在材料摩擦表面自然形成，包括摩擦接觸界面之間的磨屑層，基體接觸表面的轉(zhuǎn)移層、物理化學(xué)反應(yīng)層及接觸表面下的塑性變形層，如圖1所示。

1．2摩擦層的作用摩擦過(guò)程中，從基體上直接脫落下來(lái)的磨粒尺寸一般在納米數(shù)量級(jí)，它們積聚在一起可以形成數(shù)微米厚的薄層，如圖2所示。鐵軌表面層狀的摩擦層厚度達(dá)15μm，它與基體間處于良好的結(jié)合狀態(tài)。摩擦層在滑動(dòng)磨損過(guò)程中具有流變性，在不同時(shí)期呈現(xiàn)出不同的形貌特征。摩擦層主要有3方面的作用。1）隔離作用摩擦層存在于摩擦接觸界面，避免了配副材料表面的直接接觸和相互作用，減少了表面的黏著，從而減輕了表面的破壞。2）傳遞載荷摩擦層具有一定的厚度及承載能力。其承載能力與摩擦層的性能有一定的關(guān)系，例如在應(yīng)力及熱的作用下，接觸表面發(fā)生硬化或軟化，從而影響其承載能力。3）調(diào)節(jié)摩擦副間的速度差異在摩擦切向力的作用下，具有一定厚度的摩擦層內(nèi)部可以發(fā)生剪切變形，從而協(xié)調(diào)接觸界面之間的速度差異。

1．3摩擦層的形成接觸表面在彈－塑性變形與由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱的能復(fù)合作用下，摩擦表面層的成分、組織、形貌都發(fā)生變化。摩擦過(guò)程中脫落的顆粒經(jīng)過(guò)反復(fù)“研磨”，呈亞微米級(jí)或微米級(jí)。小粒徑的顆粒具有較大的比表面積，具有一定的化學(xué)活性，易于黏附在接觸表面形成磨屑薄層。接觸表面在應(yīng)力、摩擦熱和外界環(huán)境（氣氛、濕度等）的共同作用下，發(fā)生吸附、氧化及塑性變形等，從而形成一層成分結(jié)構(gòu)不同于摩擦配副材料的摩擦層。有學(xué)者提出了機(jī)械混合、材料轉(zhuǎn)移及摩擦氧化等機(jī)制，但是每種機(jī)制均有其局限性，且尚不完善。

2影響摩擦層性能的因素

有、無(wú)摩擦層對(duì)其磨損率的影響，如圖3所示。在較短的滑動(dòng)距離內(nèi)，表面形成摩擦層的磨損率（圖3中磨損深度曲線(xiàn)的斜率）與未覆蓋摩擦層的磨損率相比，前者明顯低于后者；但是經(jīng)過(guò)了短期的跑合過(guò)程后，2種表面狀況下，結(jié)構(gòu)鋼的磨損率幾乎沒(méi)有差異（磨損深度曲線(xiàn)趨于平行）。說(shuō)明隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦層失去了減磨作用。

2．1載荷、速度對(duì)摩擦層的影響對(duì)銅基陶瓷強(qiáng)化摩擦材料與鋼盤(pán)配副的摩擦磨損行為的研究中發(fā)現(xiàn)：在摩擦速度較低的條件下，磨損表面的摩擦層疏松且致密性差，與基體的結(jié)合強(qiáng)度有限，容易破碎脫落；隨著摩擦速度的提高，形成的摩擦層致密程度增加，與基體的結(jié)合程度更好，良好地覆蓋于磨損表面。這主要是由于滑動(dòng)速度的提高，使摩擦界面產(chǎn)生的熱量增多，促進(jìn)了接觸材料表面的軟化和氧化，從而對(duì)摩擦層的形貌和組成造成影響。

2．2摩擦熱對(duì)摩擦層的影響干摩擦條件下，在摩擦過(guò)程中摩擦力做功的小部分消耗在次表層（或熱－機(jī)械影響區(qū)）的塑性變形和二次過(guò)程（如發(fā)生、發(fā)光、等離子發(fā)射）中，而大部分功都轉(zhuǎn)化成熱能。摩擦副接觸表面不但產(chǎn)生的熱量較多，而且摩擦產(chǎn)生的熱量很難及時(shí)有效地從摩擦面?zhèn)鞒觯瑥亩谀Σ撩嫔闲纬蔁岱e累，促使摩擦面溫升幅度較高，最終影響摩擦副的摩擦磨損特性。摩擦過(guò)程中，摩擦副表面溫度的升高使接觸表層產(chǎn)生明顯的組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能的變化，并促使材料熱疲勞的發(fā)生。摩擦熱對(duì)摩擦層組織和性能的影響非常復(fù)雜，且呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特性。摩擦溫度較低時(shí)，可以引起表層材料的塑性變形、再結(jié)晶。摩擦溫度過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致材料發(fā)生相變。摩擦層主要發(fā)生2種微觀過(guò)程。其一是伴有強(qiáng)烈位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的塑性變形，其結(jié)果造成了基體缺陷密度的進(jìn)一步升高，材料發(fā)生硬化；其二是回復(fù)、形核和晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使材料基體缺陷密度下降。摩擦熱引起表面溫度升高，大多數(shù)材料發(fā)生軟化，使其機(jī)械性能降低。加劇表面材料的塑性變形，使其接觸面積增大，從而增大剪切作用力，加劇摩擦磨損。

3金屬銅表面摩擦層

RICE等在研究中將金屬材料的磨損亞表面分為3個(gè)區(qū)域，如圖4所示［15］。區(qū)域1，即基體材料區(qū)，遠(yuǎn)離滑動(dòng)接觸界面，未受到滑動(dòng)磨損的影響。區(qū)域2，晶粒塑性變形的基體材料區(qū)。該區(qū)最上層的材料塑性變形嚴(yán)重，呈現(xiàn)晶粒細(xì)化的結(jié)構(gòu)。區(qū)域3，包括基體材料、磨屑、對(duì)偶轉(zhuǎn)移而來(lái)的材料以及相互作用形成的機(jī)械混合物或者是化學(xué)反應(yīng)物。這3種區(qū)域的劃分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著很好的吻合度。銅及其合金具有高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及優(yōu)良的工藝性能，廣泛應(yīng)用于電子、電力等工業(yè)部門(mén)。但是其耐磨性能較差而限制了其實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)展其摩擦學(xué)研究具有科學(xué)意義及研究?jī)r(jià)值。金屬及其合金單向滑動(dòng)磨損過(guò)程中，不同的載荷、滑動(dòng)速度及時(shí)間使接觸表面下不同深度的區(qū)域呈現(xiàn)出不同的形貌、結(jié)構(gòu)及組成。滑動(dòng)摩擦中接觸表面附近材料的晶粒細(xì)化現(xiàn)象及材料表面納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損性能的影響已經(jīng)被許多研究者報(bào)道，對(duì)摩擦誘導(dǎo)形成的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更精細(xì)表征，建立了位錯(cuò)的滑移及位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)、亞晶界、孿晶等缺陷與表面納米結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。而對(duì)于磨損表面納米結(jié)構(gòu)下形成的晶粒取向性結(jié)構(gòu)則很少受到關(guān)注。在正應(yīng)力及摩擦切應(yīng)力作用下，晶粒滑動(dòng)方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，形成了具有取向性的晶粒。

3．1晶粒細(xì)化HEILMANNT等采用銷(xiāo)盤(pán)接觸方式，在載荷66．6N，滑動(dòng)速度1～5cm／s，滑動(dòng)距離0．12～12m的條件下，研究了無(wú)氧高導(dǎo)銅（OFHC）與不銹鋼配副的摩擦學(xué)行為。利用透射電鏡對(duì)銅磨損亞表面的變形層的觀察表明，在磨損表面下形成3～30nm的超細(xì)晶粒。X射線(xiàn)能量分散譜（EDS）分析表明磨損亞表面主要含有銅及少量從對(duì)偶轉(zhuǎn)移來(lái)的Fe。在超細(xì)晶區(qū)的下面，具有胞狀結(jié)構(gòu)的、平行于滑動(dòng)方向的亞晶粒被拉長(zhǎng)，如圖5所示［22］。遠(yuǎn)離于滑動(dòng)接觸表面的亞晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，胞狀結(jié)構(gòu)更加明顯。DIVAKAR等注重于無(wú)氧高導(dǎo)銅（OFHC）與高速鋼（W18Cr4V）對(duì)磨后磨損亞表面結(jié)構(gòu)和取向的變化。他同樣揭示了如HEILMANNT等所發(fā)現(xiàn)的類(lèi)似結(jié)構(gòu)－近表面的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)和磨損亞表面深處的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)，認(rèn)為再結(jié)晶導(dǎo)致了大等軸晶粒的形成。研究發(fā)現(xiàn)摩擦層中形成的納米材料類(lèi)似于通過(guò)機(jī)械球磨或者大尺度塑性變形從而獲得的納米材料。EMGEA的工作表明：渦流變形可能導(dǎo)致納米晶的形成。金屬干滑動(dòng)過(guò)程中的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明沿滑動(dòng)界面的渦流變形類(lèi)似于試驗(yàn)中所形成的納米晶。同時(shí)渦流結(jié)構(gòu)也可以解釋摩擦層中的機(jī)械混合。摩擦層中的原子相互混合認(rèn)為需要橫向流動(dòng)，但是其流動(dòng)的機(jī)理尚不明確。渦動(dòng)性為材料在垂直滑動(dòng)界面方向的流動(dòng)提供了一種可能，從而導(dǎo)致摩擦副材料的相互混合。表面進(jìn)行機(jī)械研磨處理后具有納米晶結(jié)構(gòu)的銅與普通粗晶銅呈現(xiàn)出不同的摩擦磨損行為。在干摩擦滑動(dòng)條件下，表面納米晶銅顯示出優(yōu)異的耐磨性，主要是由于納米結(jié)構(gòu)高硬度，以及氧化物屑易形成穩(wěn)定的機(jī)械混合層等因素。在油潤(rùn)滑條件下，銅納米晶表層摩擦系數(shù)高于粗晶銅，這主要是其高硬度導(dǎo)致油膜破壞引起的金屬之間局部直接接觸造成，其磨損量大幅度下降，與其磨損過(guò)程中在對(duì)磨球上形成轉(zhuǎn)移層密切相關(guān)。

3．2晶粒取向摩擦可以誘導(dǎo)磨損表面晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化可以顯著影響材料的摩擦磨損性能。但是晶粒擇優(yōu)取向?qū)τ诓牧夏Σ聊p性能的影響鮮有報(bào)道。KRAUSE等研究發(fā)現(xiàn)晶粒取向可以在一定程度上降低摩擦系數(shù)和磨損率。FARHAT則認(rèn)為磨損跑合期與晶粒取向的形成具有一定的關(guān)聯(lián)，磨損穩(wěn)定期形成的晶粒擇優(yōu)取向有利于摩擦系數(shù)的降低。期間研究者普遍認(rèn)為沿摩擦方向延伸的晶界減小了材料從一個(gè)晶粒滑移到另一個(gè)晶粒的阻力，從而減小了摩擦系數(shù)，但是沒(méi)有給出直接的證據(jù)。近期研究則認(rèn)為擇優(yōu)取向引起接觸材料表面的剪切不穩(wěn)定性，從而影響其摩擦磨損行為。最新研究發(fā)現(xiàn)銅接觸表面晶粒取向平行于滑動(dòng)方向時(shí)，摩擦系數(shù)、磨損率低于接觸表面晶粒取向垂直于滑動(dòng)方向的摩擦系數(shù)、磨損率。晶粒取向的差異，使摩擦層呈現(xiàn)完全不同的形貌、結(jié)構(gòu)及組成，從而表現(xiàn)出了不同的材料摩擦磨損行為。

3．3減摩降磨在摩擦磨損過(guò)程中，晶粒取向影響材料接觸表面的力學(xué)性能及接觸應(yīng)力狀態(tài)，從而改變材料轉(zhuǎn)移方向和原子擴(kuò)散程度，誘發(fā)磨損表面材料的混合或氧化。“材料表面晶粒細(xì)化＋亞表面晶粒取向化”有望成為一種全新且有效的減摩降磨方法，尤其適用于表面工程領(lǐng)域。例如：通過(guò)加載應(yīng)力控制晶粒細(xì)化程度，通過(guò)控制工藝參數(shù)控制涂層中的晶粒取向，使晶粒沿基體表面生長(zhǎng)；再如，利用材料摩擦磨損誘發(fā)形成表面納米結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到“雙重”減摩降磨的效果。若后期經(jīng)過(guò)論證可行，可以實(shí)現(xiàn)摩擦磨損的有效控制，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)語(yǔ)

摩擦層明顯影響了材料的摩擦磨損性能。摩擦層的成分、狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響摩擦磨損性能的重要因素。摩擦層的形貌、結(jié)構(gòu)與摩擦條件，如環(huán)境氣氛、載荷、速度及材料性質(zhì)密切相關(guān)。目前研究主要針對(duì)于載荷、速度對(duì)摩擦層的組織、形態(tài)的影響。摩擦層的形成過(guò)程和影響機(jī)理尚不明確。磨屑顆粒的形成機(jī)制是什么？是棘輪作用，還是剝層、塑性變形？摩擦化學(xué)反應(yīng)形成的氧化膜（層）或者易剪切的薄層，能夠減少黏著從而降低摩擦，減輕磨損；但同時(shí)也可以加劇磨損進(jìn)程，如摩擦表面與氫氣或者氧氣的脆化作用導(dǎo)致材料斷裂。摩擦層的形成是否可以進(jìn)行建模分析？形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜或摩擦層的機(jī)理與動(dòng)力學(xué)有待進(jìn)一步深入研究。

作者：張?jiān)?商劍 單位：遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院