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铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

时间:2016/6/6 17:00:12

铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

(国家自然科学基金青年基金51105351

延性金属在滑动摩擦过程中会普遍出现亚表层结构的改变,从而影响其实际摩擦磨损行为。这种新结构的出现虽然与剧烈塑性变形有很大关系,但其具体的形成机理与其它大变形过程(如等通道转角挤压、高压扭转等)可能有本质区别。本项目以多晶铜和铜基复合材料为研究对象,对滑动摩擦中的典型亚表层变形细化结构及其形成机理展开研究。项目的研究内容属于摩擦学研究的基础和前沿领域,项目实施在丰富金属及其复合材料摩擦学行为的研究和深化磨损表面材料强化和损伤机理的理解方面起到了重要作用,同时对金属的实际摩擦学应用及新型摩擦材料的设计有一定指导作用。项目研究过程中得到以下主要结论:

(1)摩擦过程可能导致金属磨损面附近的材料发生类似于大变形过程(如等通道转角挤压、表面喷丸处理等)中的剧烈塑性变形。但这种摩擦诱导的应变可能与大变形过程中的塑性变形机理有本质区别,原因在于摩擦力的方向恒定。这种区别有可能产生不同的变形结构。为了排除摩擦热的影响,我们在较低滑动速度(2cm/s)下进行多晶铜的滑动摩擦实验,通过电镜观察对磨损亚表面变形结构随滑动距离的变化规律进行研究。我们发现,多晶铜在低速滑动后亚表面应变梯度随滑动距离增加而变大;典型的亚表层变形结构由靠近表面的细化层和靠近基体的层状区域组成;细化层与位错密度积累以及动态重结晶有关;层状结构也出现在我们研究的Cu-SiO2复合材料中,这预示着这种结构的产生在铜的摩擦塑变中具有普遍性。

铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

1 多晶铜磨损亚表面等效应变图及典型的变形结构

(2)由于摩擦热作用,金属表面在摩擦过程中非常容易产生氧化,从而影响其实际的摩擦磨损行为,例如氧化物减摩、三体磨粒磨损等。一般认为,在低速滑动状态下,基本可以避免摩擦热对材料的影响。但在进行本项目内容的研究时,我们发现低速下滑动较长的距离后,摩擦系数有一个明显的下降,随着滑动距离增加磨损表面逐渐出现黑色釉状区域,并且覆盖面积比逐渐增大。X-射线光电子能XPS)检测表明,该釉质层主要组成为CuO。分析认为,多晶铜在低速下长距离滑动后表层材料会与环境中的氧元素发生混合;小角晶界等缺陷的积累和变形存储能由于表面材料的断裂、剥层等诱发集中释放使这种“氧化”过程看起来更像一个突发现象;对亚表面氧含量随深度变化进行分析后并对长距离滑动后的氧化(与环境元素混合)机理做出了详细讨论。

铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

2 不同滑动距离下铜摩擦表面的XPS表征结果

(3)摩擦过程中形成的层状摩擦层结构,是在其它大变形过程中还未见获得的一种特殊的塑性变形结构。对于层状结构摩擦层的形成机制,目前尚未有明确、统一的解释。在本部分工作中,我们针对CuSiO2复合材料在滑动摩擦过程中成的层状摩擦层进行了探讨。提出了铜基复合材料摩擦亚表层中的层状结构的形成机理。我们认为,晶界滑动是层状结构形成的主要原因。伴随着大变形应变的剪切局部化是层状结构形成的前提条件。摩擦热的产生和传导促进了接触表面的塑性变形并降低了晶界滑动的激活能。

铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

3 层状结构摩擦层的形成机理

4)金属及其合金在干滑动磨损时,接触表面发强烈的塑性变形可以使摩擦表面形成一定取向的结构-磨损织构,类似于材料的加工过程(例如拉拔、挤压、轧制等)中形成的丝织构、板织构。已有研究表明,磨损织构有利于材料的减摩降磨, 但是其形成机理及其与材料摩擦学行为的关系仍待深入研究。基于这样的思路,我们选取柱状晶铜的轴向面和径向面作为摩擦接触面来研究晶粒取向对铜摩擦层及摩擦磨损性能的影响。对发现不同晶粒取向下晶面和晶界的差异是造成两种晶粒取向下不同摩擦学行为的主要原因。

主要成果:

1. Shang Jian, Ma Wenlin, Lu Jinjun. Formation of Laminar Structure Under Unlubricated Friction of Cu-SiO2. Tribology Letters, 48(2), pp 249-254, 2012.

2. Shang Jian, Ma Wenlin, Lu Jinjun. Comparison of the tribological behavior of columnar-grained polycrystalline copper with vertical/horizontal orientation sliding against AISI 1045 steel. Wear, 297(1-2), pp 818-823, 2013.

3. 马文林陆龙郭鸿儒王静波贾辉张树伟吕晋军. Fe-Mo-石墨和Fe-Mo-Ni-石墨的高温摩擦磨损行为. 摩擦学学报33(5)pp 475-4802013.

4. 郭俊德何世权马文林孟军虎王静波陆龙. Fe-Mo-Ni-Cu-石墨高温自润滑复合材料的摩擦学性能研究. 摩擦学学报06pp 617-6222014.

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