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)濟效益。摩擦學的研究對象、表征尺度正在由基體材料過渡到摩擦界面、微納米尺度甚至原子尺度。在2011年世界材料磨損大會上，已經(jīng)有學者指出摩擦界面的研究將是未來若干年材料摩擦學研究的重點。觀測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。通過對材料摩擦表面成分、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程中，由于正應力、切向力及摩擦生熱的交互作用，摩擦表面會發(fā)生一系列物理和化學變化，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程中形成的新表面層定義為“第三體”。第三體也可稱為摩擦層（膜）、轉(zhuǎn)移層（膜）、機械混合層等。至此，越來越多的研究人員認可摩擦層的重要性并對其開展積極的研究。從材料的角度來說，第三體可以定義為位于摩擦副之間的一個實體層，其組成與摩擦副的材料有很大差異。從運動學角度可以將其描述為速度適應層，作用是調(diào)節(jié)對偶之間的速度差異，使其趨于一致。作者認為，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、物理化學反應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程中，從基體上直接脫落下來的磨粒尺寸一般在納米數(shù)量級，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15μm，它與基體間處于良好的結(jié)合狀態(tài)。摩擦層在滑動磨損過程中具有流變性，在不同時期呈現(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系，例如在應力及熱的作用下，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－塑性變形與由機械能轉(zhuǎn)化的熱的能復合作用下，摩擦表面層的成分、組織、形貌都發(fā)生變化。摩擦過程中脫落的顆粒經(jīng)過反復“研磨”，呈亞微米級或微米級。小粒徑的顆粒具有較大的比表面積，具有一定的化學活性，易于黏附在接觸表面形成磨屑薄層。接觸表面在應力、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。有學者提出了機械混合、材料轉(zhuǎn)移及摩擦氧化等機制，但是每種機制均有其局限性，且尚不完善。

2影響摩擦層性能的因素

有、無摩擦層對其磨損率的影響，如圖3所示。在較短的滑動距離內(nèi)，表面形成摩擦層的磨損率（圖3中磨損深度曲線的斜率）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)過了短期的跑合過程后，2種表面狀況下，結(jié)構(gòu)鋼的磨損率幾乎沒有差異（磨損深度曲線趨于平行）。說明隨著摩擦的進行，摩擦層失去了減磨作用。

2．1載荷、速度對摩擦層的影響對銅基陶瓷強化摩擦材料與鋼盤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。這主要是由于滑動速度的提高，使摩擦界面產(chǎn)生的熱量增多，促進了接觸材料表面的軟化和氧化，從而對摩擦層的形貌和組成造成影響。

2．2摩擦熱對摩擦層的影響干摩擦條件下，在摩擦過程中摩擦力做功的小部分消耗在次表層（或熱－機械影響區(qū)）的塑性變形和二次過程（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)、機械性能的變化，并促使材料熱疲勞的發(fā)生。摩擦熱對摩擦層組織和性能的影響非常復雜，且呈現(xiàn)動態(tài)變化特性。摩擦溫度較低時，可以引起表層材料的塑性變形、再結(jié)晶。摩擦溫度過高時，將導致材料發(fā)生相變。摩擦層主要發(fā)生2種微觀過程。其一是伴有強烈位錯運動的塑性變形，其結(jié)果造成了基體缺陷密度的進一步升高，材料發(fā)生硬化；其二是回復、形核和晶粒長大的動態(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個區(qū)域，如圖4所示［15］。區(qū)域1，即基體材料區(qū)，遠離滑動接觸界面，未受到滑動磨損的影響。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重，呈現(xiàn)晶粒細化的結(jié)構(gòu)。區(qū)域3，包括基體材料、磨屑、對偶轉(zhuǎn)移而來的材料以及相互作用形成的機械混合物或者是化學反應物。這3種區(qū)域的劃分與實驗結(jié)果有著很好的吻合度。銅及其合金具有高的導電性、導熱性及優(yōu)良的工藝性能，廣泛應用于電子、電力等工業(yè)部門。但是其耐磨性能較差而限制了其實際應用，開展其摩擦學研究具有科學意義及研究價值。金屬及其合金單向滑動磨損過程中，不同的載荷、滑動速度及時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。滑動摩擦中接觸表面附近材料的晶粒細化現(xiàn)象及材料表面納米晶結(jié)構(gòu)對摩擦磨損性能的影響已經(jīng)被許多研究者報道，對摩擦誘導形成的納米結(jié)構(gòu)進行了更精細表征，建立了位錯的滑移及位錯胞狀結(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)則很少受到關注。在正應力及摩擦切應力作用下，晶粒滑動方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，形成了具有取向性的晶粒。

3．1晶粒細化HEILMANNT等采用銷盤接觸方式，在載荷66．6N，滑動速度1～5cm／s，滑動距離0．12～12m的條件下，研究了無氧高導銅（OFHC）與不銹鋼配副的摩擦學行為。利用透射電鏡對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的超細晶粒。X射線能量分散譜（EDS）分析表明磨損亞表面主要含有銅及少量從對偶轉(zhuǎn)移來的Fe。在超細晶區(qū)的下面，具有胞狀結(jié)構(gòu)的、平行于滑動方向的亞晶粒被拉長，如圖5所示［22］。遠離于滑動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等注重于無氧高導銅（OFHC）與高速鋼（W18Cr4V）對磨后磨損亞表面結(jié)構(gòu)和取向的變化。他同樣揭示了如HEILMANNT等所發(fā)現(xiàn)的類似結(jié)構(gòu)－近表面的超細晶結(jié)構(gòu)和磨損亞表面深處的位錯胞狀結(jié)構(gòu)，認為再結(jié)晶導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似于通過機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：渦流變形可能導致納米晶的形成。金屬干滑動過程中的分子動力學模擬表明沿滑動界面的渦流變形類似于試驗中所形成的納米晶。同時渦流結(jié)構(gòu)也可以解釋摩擦層中的機械混合。摩擦層中的原子相互混合認為需要橫向流動，但是其流動的機理尚不明確。渦動性為材料在垂直滑動界面方向的流動提供了一種可能，從而導致摩擦副材料的相互混合。表面進行機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)定的機械混合層等因素。在油潤滑條件下，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，與其磨損過程中在對磨球上形成轉(zhuǎn)移層密切相關。

3．2晶粒取向摩擦可以誘導磨損表面晶粒細化，晶粒細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則認為磨損跑合期與晶粒取向的形成具有一定的關聯(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。期間研究者普遍認為沿摩擦方向延伸的晶界減小了材料從一個晶粒滑移到另一個晶粒的阻力，從而減小了摩擦系數(shù)，但是沒有給出直接的證據(jù)。近期研究則認為擇優(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方向時，摩擦系數(shù)、磨損率低于接觸表面晶粒取向垂直于滑動方向的摩擦系數(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程中，晶粒取向影響材料接觸表面的力學性能及接觸應力狀態(tài)，從而改變材料轉(zhuǎn)移方向和原子擴散程度，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域。例如：通過加載應力控制晶粒細化程度，通過控制工藝參數(shù)控制涂層中的晶粒取向，使晶粒沿基體表面生長；再如，利用材料摩擦磨損誘發(fā)形成表面納米結(jié)構(gòu)，從而達到“雙重”減摩降磨的效果。若后期經(jīng)過論證可行，可以實現(xiàn)摩擦磨損的有效控制，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

4結(jié)語

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)以及運動規(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。目前研究主要針對于載荷、速度對摩擦層的組織、形態(tài)的影響。摩擦層的形成過程和影響機理尚不明確。磨屑顆粒的形成機制是什么？是棘輪作用，還是剝層、塑性變形？摩擦化學反應形成的氧化膜（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；但同時也可以加劇磨損進程，如摩擦表面與氫氣或者氧氣的脆化作用導致材料斷裂。摩擦層的形成是否可以進行建模分析？形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜或摩擦層的機理與動力學有待進一步深入研究。

作者：張越 商劍 單位：遼寧工業(yè)大學材料科學與工程學院