金属材料表面摩擦层研究范文

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摩擦、磨损造成了能源的消耗与材料的失效，减小摩擦、降低磨损将产生巨大的经济效益。摩擦学的研究对象、表征尺度正在由基体材料过渡到摩擦界面、微纳米尺度甚至原子尺度。在2011年世界材料磨损大会上，已经有学者指出摩擦界面的研究将是未来若干年材料摩擦学研究的重点。观测摩擦表面层的组织结构和摩擦表面的形貌变化具有重要意义。通过对材料摩擦表面成分、组织、形貌的研究，有助于揭示材料的摩擦磨损机理，揭示材料摩擦的本源。

1摩擦层

1．1摩擦层概念材料摩擦过程中，由于正应力、切向力及摩擦生热的交互作用，摩擦表面会发生一系列物理和化学变化，引起摩擦表面元素分布发生改变、表面材料发生塑性变形、材料形成转移和氧化等，从而形成一层成分不同于基体材料的表面层。GODET［6］在其研究中首次将磨损过程中形成的新表面层定义为“第三体”。第三体也可称为摩擦层（膜）、转移层（膜）、机械混合层等。至此，越来越多的研究人员认可摩擦层的重要性并对其开展积极的研究。从材料的角度来说，第三体可以定义为位于摩擦副之间的一个实体层，其组成与摩擦副的材料有很大差异。从运动学角度可以将其描述为速度适应层，作用是调节对偶之间的速度差异，使其趋于一致。作者认为，摩擦层在材料摩擦表面自然形成，包括摩擦接触界面之间的磨屑层，基体接触表面的转移层、物理化学反应层及接触表面下的塑性变形层，如图1所示。

1．2摩擦层的作用摩擦过程中，从基体上直接脱落下来的磨粒尺寸一般在纳米数量级，它们积聚在一起可以形成数微米厚的薄层，如图2所示。铁轨表面层状的摩擦层厚度达15μm，它与基体间处于良好的结合状态。摩擦层在滑动磨损过程中具有流变性，在不同时期呈现出不同的形貌特征。摩擦层主要有3方面的作用。1）隔离作用摩擦层存在于摩擦接触界面，避免了配副材料表面的直接接触和相互作用，减少了表面的黏着，从而减轻了表面的破坏。2）传递载荷摩擦层具有一定的厚度及承载能力。其承载能力与摩擦层的性能有一定的关系，例如在应力及热的作用下，接触表面发生硬化或软化，从而影响其承载能力。3）调节摩擦副间的速度差异在摩擦切向力的作用下，具有一定厚度的摩擦层内部可以发生剪切变形，从而协调接触界面之间的速度差异。

1．3摩擦层的形成接触表面在弹－塑性变形与由机械能转化的热的能复合作用下，摩擦表面层的成分、组织、形貌都发生变化。摩擦过程中脱落的颗粒经过反复“研磨”，呈亚微米级或微米级。小粒径的颗粒具有较大的比表面积，具有一定的化学活性，易于黏附在接触表面形成磨屑薄层。接触表面在应力、摩擦热和外界环境（气氛、湿度等）的共同作用下，发生吸附、氧化及塑性变形等，从而形成一层成分结构不同于摩擦配副材料的摩擦层。有学者提出了机械混合、材料转移及摩擦氧化等机制，但是每种机制均有其局限性，且尚不完善。

2影响摩擦层性能的因素

有、无摩擦层对其磨损率的影响，如图3所示。在较短的滑动距离内，表面形成摩擦层的磨损率（图3中磨损深度曲线的斜率）与未覆盖摩擦层的磨损率相比，前者明显低于后者；但是经过了短期的跑合过程后，2种表面状况下，结构钢的磨损率几乎没有差异（磨损深度曲线趋于平行）。说明随着摩擦的进行，摩擦层失去了减磨作用。

2．1载荷、速度对摩擦层的影响对铜基陶瓷强化摩擦材料与钢盘配副的摩擦磨损行为的研究中发现：在摩擦速度较低的条件下，磨损表面的摩擦层疏松且致密性差，与基体的结合强度有限，容易破碎脱落；随着摩擦速度的提高，形成的摩擦层致密程度增加，与基体的结合程度更好，良好地覆盖于磨损表面。这主要是由于滑动速度的提高，使摩擦界面产生的热量增多，促进了接触材料表面的软化和氧化，从而对摩擦层的形貌和组成造成影响。

2．2摩擦热对摩擦层的影响干摩擦条件下，在摩擦过程中摩擦力做功的小部分消耗在次表层（或热－机械影响区）的塑性变形和二次过程（如发生、发光、等离子发射）中，而大部分功都转化成热能。摩擦副接触表面不但产生的热量较多，而且摩擦产生的热量很难及时有效地从摩擦面传出，从而在摩擦面上形成热积累，促使摩擦面温升幅度较高，最终影响摩擦副的摩擦磨损特性。摩擦过程中，摩擦副表面温度的升高使接触表层产生明显的组织结构、机械性能的变化，并促使材料热疲劳的发生。摩擦热对摩擦层组织和性能的影响非常复杂，且呈现动态变化特性。摩擦温度较低时，可以引起表层材料的塑性变形、再结晶。摩擦温度过高时，将导致材料发生相变。摩擦层主要发生2种微观过程。其一是伴有强烈位错运动的塑性变形，其结果造成了基体缺陷密度的进一步升高，材料发生硬化；其二是回复、形核和晶粒长大的动态再结晶，使材料基体缺陷密度下降。摩擦热引起表面温度升高，大多数材料发生软化，使其机械性能降低。加剧表面材料的塑性变形，使其接触面积增大，从而增大剪切作用力，加剧摩擦磨损。

3金属铜表面摩擦层

RICE等在研究中将金属材料的磨损亚表面分为3个区域，如图4所示［15］。区域1，即基体材料区，远离滑动接触界面，未受到滑动磨损的影响。区域2，晶粒塑性变形的基体材料区。该区最上层的材料塑性变形严重，呈现晶粒细化的结构。区域3，包括基体材料、磨屑、对偶转移而来的材料以及相互作用形成的机械混合物或者是化学反应物。这3种区域的划分与实验结果有着很好的吻合度。铜及其合金具有高的导电性、导热性及优良的工艺性能，广泛应用于电子、电力等工业部门。但是其耐磨性能较差而限制了其实际应用，开展其摩擦学研究具有科学意义及研究价值。金属及其合金单向滑动磨损过程中，不同的载荷、滑动速度及时间使接触表面下不同深度的区域呈现出不同的形貌、结构及组成。滑动摩擦中接触表面附近材料的晶粒细化现象及材料表面纳米晶结构对摩擦磨损性能的影响已经被许多研究者报道，对摩擦诱导形成的纳米结构进行了更精细表征，建立了位错的滑移及位错胞状结构、亚晶界、孪晶等缺陷与表面纳米结构的联系。而对于磨损表面纳米结构下形成的晶粒取向性结构则很少受到关注。在正应力及摩擦切应力作用下，晶粒滑动方向发生扭转，形成了具有取向性的晶粒。

3．1晶粒细化HEILMANNT等采用销盘接触方式，在载荷66．6N，滑动速度1～5cm／s，滑动距离0．12～12m的条件下，研究了无氧高导铜（OFHC）与不锈钢配副的摩擦学行为。利用透射电镜对铜磨损亚表面的变形层的观察表明，在磨损表面下形成3～30nm的超细晶粒。X射线能量分散谱（EDS）分析表明磨损亚表面主要含有铜及少量从对偶转移来的Fe。在超细晶区的下面，具有胞状结构的、平行于滑动方向的亚晶粒被拉长，如图5所示［22］。远离于滑动接触表面的亚晶粒转变为等轴晶，胞状结构更加明显。DIVAKAR等注重于无氧高导铜（OFHC）与高速钢（W18Cr4V）对磨后磨损亚表面结构和取向的变化。他同样揭示了如HEILMANNT等所发现的类似结构－近表面的超细晶结构和磨损亚表面深处的位错胞状结构，认为再结晶导致了大等轴晶粒的形成。研究发现摩擦层中形成的纳米材料类似于通过机械球磨或者大尺度塑性变形从而获得的纳米材料。EMGEA的工作表明：涡流变形可能导致纳米晶的形成。金属干滑动过程中的分子动力学模拟表明沿滑动界面的涡流变形类似于试验中所形成的纳米晶。同时涡流结构也可以解释摩擦层中的机械混合。摩擦层中的原子相互混合认为需要横向流动，但是其流动的机理尚不明确。涡动性为材料在垂直滑动界面方向的流动提供了一种可能，从而导致摩擦副材料的相互混合。表面进行机械研磨处理后具有纳米晶结构的铜与普通粗晶铜呈现出不同的摩擦磨损行为。在干摩擦滑动条件下，表面纳米晶铜显示出优异的耐磨性，主要是由于纳米结构高硬度，以及氧化物屑易形成稳定的机械混合层等因素。在油润滑条件下，铜纳米晶表层摩擦系数高于粗晶铜，这主要是其高硬度导致油膜破坏引起的金属之间局部直接接触造成，其磨损量大幅度下降，与其磨损过程中在对磨球上形成转移层密切相关。

3．2晶粒取向摩擦可以诱导磨损表面晶粒细化，晶粒细化可以显著影响材料的摩擦磨损性能。但是晶粒择优取向对于材料摩擦磨损性能的影响鲜有报道。KRAUSE等研究发现晶粒取向可以在一定程度上降低摩擦系数和磨损率。FARHAT则认为磨损跑合期与晶粒取向的形成具有一定的关联，磨损稳定期形成的晶粒择优取向有利于摩擦系数的降低。期间研究者普遍认为沿摩擦方向延伸的晶界减小了材料从一个晶粒滑移到另一个晶粒的阻力，从而减小了摩擦系数，但是没有给出直接的证据。近期研究则认为择优取向引起接触材料表面的剪切不稳定性，从而影响其摩擦磨损行为。最新研究发现铜接触表面晶粒取向平行于滑动方向时，摩擦系数、磨损率低于接触表面晶粒取向垂直于滑动方向的摩擦系数、磨损率。晶粒取向的差异，使摩擦层呈现完全不同的形貌、结构及组成，从而表现出了不同的材料摩擦磨损行为。

3．3减摩降磨在摩擦磨损过程中，晶粒取向影响材料接触表面的力学性能及接触应力状态，从而改变材料转移方向和原子扩散程度，诱发磨损表面材料的混合或氧化。“材料表面晶粒细化＋亚表面晶粒取向化”有望成为一种全新且有效的减摩降磨方法，尤其适用于表面工程领域。例如：通过加载应力控制晶粒细化程度，通过控制工艺参数控制涂层中的晶粒取向，使晶粒沿基体表面生长；再如，利用材料摩擦磨损诱发形成表面纳米结构，从而达到“双重”减摩降磨的效果。若后期经过论证可行，可以实现摩擦磨损的有效控制，带来可观的经济效益。

4结语

摩擦层明显影响了材料的摩擦磨损性能。摩擦层的成分、状态以及运动规律是影响摩擦磨损性能的重要因素。摩擦层的形貌、结构与摩擦条件，如环境气氛、载荷、速度及材料性质密切相关。目前研究主要针对于载荷、速度对摩擦层的组织、形态的影响。摩擦层的形成过程和影响机理尚不明确。磨屑颗粒的形成机制是什么？是棘轮作用，还是剥层、塑性变形？摩擦化学反应形成的氧化膜（层）或者易剪切的薄层，能够减少黏着从而降低摩擦，减轻磨损；但同时也可以加剧磨损进程，如摩擦表面与氢气或者氧气的脆化作用导致材料断裂。摩擦层的形成是否可以进行建模分析？形成稳定的转移膜或摩擦层的机理与动力学有待进一步深入研究。

作者：张越 商剑 单位：辽宁工业大学材料科学与工程学院