晶粒择优取向诱导铜磨损表面材料混合及氧化机制

In this proposal, the copper with preferred grain oriention(the grown orientation of columnar grain on contact surface is parallel/perpendicular to the sliding direction relatively)is selected as the study subject. The different tribological behavior of copper coupled with annealed 45 steel at different contact stress,sliding speed and distance under dry sliding condition is investigated. This study focuses on three aspects: (1)the variation of coefficient and wear rate of copper with preferred grain oriention coupled with 45 steel;(2)the morphologies,composition,structure and nanoscale mechanical properties on/underneath worn surface of copper;(3) the effect of grain preferred orientation on tribological behavior of copper coupled steel.Combined with the mechanism of columnar copper with continuous deformation,the effect of copper with laterally oriented grain will be uncovered based on the evolution of grain deformation and boundary slip.The grain orientation, material transfer,mechanical mixing and triboxidation will be correlated subsequently.The grain refining and grain orienting proposed in the study can be considered as a new way to reduce friction and wear potentially and has an instructive role in the pratical application of metal material for tribological design..

本申请以接触表面晶粒具有择优取向（柱状晶粒生长方向平行/垂直于于滑动方向）的定向凝固柱状晶Cu为研究对象，采用与退火态45钢进行干滑动磨损的方法，考察其在不同载荷、滑动速度及滑动时间条件下表现出来的摩擦磨损行为。主要研究：（1）接触表面晶粒具有择优取向Cu与45钢配副平均及动态摩擦系数和磨损率的变化；（2）接触表面晶粒具有择优取向Cu磨损后，材料磨损表面的形貌、组成和磨损表面下的结构、应变梯度及微区力学性能；（3）晶粒择优取向影响材料摩擦磨损学性能的机理。结合柱状晶纯铜的塑性变形机制，从晶粒的变形和晶界的滑移角度分析晶粒择优取向对材料转移、混合及氧化的影响，建立晶粒择优取向与材料摩擦磨损行为的联系。研究中提出了“材料表面晶粒细化+亚表面晶粒取向化”的减磨耐磨新方法，对金属材料的摩擦学设计具有指导作用。

干摩擦磨损条件下含石墨转移层明显影响摩擦磨损性能。与无石墨润滑层的45#钢相比，含石墨润滑层45钢的摩擦因数、磨损率明显下降。45钢表面的铜-石墨摩擦层可降低铜-二氧化硅与45钢对摩时的滑动摩擦系数和磨损，这归因于含石墨摩擦层的易剪切性、流动性及其承载、隔离作用，抑制了金属的直接接触。.表面具有水平/垂直晶粒取向纯铜销配副45 钢圆盘的摩擦学行为: 晶粒水平取向的纯铜销与45 钢圆盘干滑动磨损时，摩擦系数较小且稳定，氧化磨损占主导地位；晶粒垂直取向的纯铜销与45 钢圆盘干滑动磨损时，摩擦系数较大且波动剧烈，磨粒磨损及黏着磨损占主导地位。晶粒取向对铜干滑动磨损性能具有重要影响。当铜接触表面晶粒取向平行于滑动方向时，其摩擦系数小，磨损率低。水平取向铜表面摩擦层形成具有润滑保护性的、团聚的、亚微米尺寸的Fe2O3和Fe3O4；接触表面分布的横向晶界有利于晶粒的滑移和材料的剪切变形，从而导致低摩擦系数和磨损率。.多晶及单晶铜不同载荷和速度条件下的摩擦学性能及自然腐蚀及电化学腐蚀性能的差异：干摩擦条件下，多晶铜的摩擦系数均高于单晶铜。随转速的增加，单晶及多晶铜的摩擦系数均逐渐增加，多晶铜的磨损量明显低于单晶铜。随载荷的增加，单晶及多晶铜的摩擦系数的波动逐渐减小。3.5%NaCl溶液中浸泡腐蚀及电化学腐蚀实验表明：单晶铜在 NaCl 溶液中比多晶铜具有较强的耐蚀性。多晶铜与 45 钢磨损机制以粘着磨损为主，而单晶铜与 45 钢的磨损机制以剥层磨损为主。接触表面塑性变形能力以及晶粒取向、晶界分布的差异是影响单晶铜和多晶铜磨损和腐蚀性能的主要原因。含有平直柱状晶晶界的单晶材料具有高取向性，有利于其大塑性变形。择优取向使单晶铜在晶胞尺度上的微观平面排列致密，同时晶界的减少抑制了腐蚀的扩展，从而提高了其耐蚀性。