铜摩擦表面的应变诱导晶粒细化及混合机制

本申请将针对延性金属在滑动摩擦中普遍出现的应变诱导晶粒细化和机械混合现象，以不同晶粒尺寸铜为研究对象，对其中的两个科学问题进行研究：（1）、滑动摩擦中材料的塑性变形存在取向性，这将使其应变诱导晶粒细化机理与大变形方法制备细晶材料产生本质区别。本项目重点观察滑动摩擦下亚表层晶粒内位错、孪晶、晶界等缺陷的产生和演变，并建立与滑动时间和亚表层深度的联系，阐明低应变速率下的摩擦应变诱导晶粒细化机理；（2）、机械混合过程可以促进摩擦表面纳米结构的形成，而晶粒细化后晶界含量的增加也可能为对偶原子的混合提供便利通道。为明确晶粒细化机制和混合机制之间的内在联系，我们将深入研究机械混合层结构、性能，并在此基础上尝试从动力学角度提出模型。本课题从塑变、位错、晶界等角度探索滑动摩擦中材料损伤的根本原因，对金属磨损机理研究具有重要理论价值，同时对金属的实际摩擦学应用及新型耐磨材料的摩擦学设计有重要指导作用。

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，得到以下主要结果：（1）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；（2）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的集中释放使这种“氧化”过程看起来更像一个突发现象；（3）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，认为晶界滑动是层状结构形成的直接原因，而剪切局域化和摩擦热的产生对晶界滑动有诱导和促进作用；（4）发现不同晶粒取向下晶界和晶面差异会造成多晶铜摩擦学行为的明显差异。本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。