单相Fe2B块体摩擦化学行为的晶粒“取向效应”

As a main anti-friction phase in Fe-B alloy or boride layers on the surfaces of iron and steel, the characteristics of chemistry products of Fe2B during friction are the one of important factors deciding the friction and wear property of the materials. Furthermore, although the space bonding characteristic difference of the oriented Fe2B grain plays an essential action on its tribochemistry behavior, the research on this field is in blank basically at present. In this study, single Fe2B phase bulk with different orientation characteristics prepared by directional solidification technique was decided as the subject investigated; the academic thought of studying the effect of Fe2B grain orientation on the its tribochemistry behavior was proposed, and the object of revealing the tribological characteristics of oriented Fe2B and the essential mechanisms of its different tribochemistry behaviors was also ensured. The main research contents are as follows: 1) the tribological characteristics of oriented Fe2B should be characterized; 2) the types and constitutions of friction production of oriented Fe2B need to be elucidated; 3) based on the DFT and finite element ABAQUS software, the synergistic action mechanism of the space bonding characteristic of the oriented Fe2B and the friction stress and temperature fields on the its tribochemistry reaction need to be revealed also. The realization of the item object not only enriches the tribological theory, but also provides the important theoretic guide and experimental datum for improving the tribological characteristics of Fe-B alloy and boride layer.

Fe2B作为铁硼合金或钢铁表面渗硼层中的主要减摩相，其摩擦化学反应产物特性是决定材料摩擦学性能的重要因素之一。而取向Fe2B晶粒空间键络特征的差异虽然对其摩擦化学反应行为会产生根本性作用，但是这方面的研究目前基本处于空白。本项目以采用定向凝固技术制备的具有不同特征取向Fe2B单相块体为研究对象，提出研究Fe2B晶粒取向对其摩擦化学行为特征影响的学术思想，以揭示取向Fe2B摩擦学特性及发生摩擦化学反应异同的根本机制为目标。确定主要研究内容为：1）表征不同摩擦条件下取向Fe2B摩擦学特性；2）阐明摩擦产物类型及构成对其摩擦学特性的作用机制；3)基于密度泛函理论（DFT）和有限元 ABAQUS软件计算，揭示取向Fe2B空间键络特征和摩擦应力场、温度场对其发生化学反应的协同作用机制。该项目目标的实现不仅可进一步丰富摩擦学理论，而且还可为改善铁硼合金和渗硼层摩擦学特性提供重要的理论指导和试验数据。

Fe2B是铁硼合金中最期望获得的硬质相，也是钢铁渗硼过程中希望获得的表层组织。研究表明渗硼层在滑动摩擦过程中发生化学反应生成自润滑膜，从而降低摩擦因数，有一定的减摩性。另外，Fe2B晶体在生长过程中表现出很强的定向效果。本项目通过制备单相Fe2B块体和定向Fe2B块体，利用实验表征和模拟计算，分别在不同载荷和速度下研究其的摩擦磨损性能，对比研究了不同晶粒取向Fe2B块体的摩擦学行为，并讨论了Fe2B块体的动态摩擦学行为，得到以下主要结果：.（1）摩擦产物Fe2O3、B2O3、SiO2以及H3BO3组成的混合物共同构成了润滑膜，降低了摩擦系数。块体Fe2B的磨损方式主要以磨粒磨损和脆性断裂为主。销试样摩擦面中心点的稳定温度值与摩擦速度和载荷的函数关系为：T=154.2vP-2257.3v-28.27P+473.86。销试样摩擦表面中心点应力随载荷的增加同样成比例增加，但是中心点应力却随速度的增加几乎保持不变。.（2）随着载荷和速度的增加，取向试样的摩擦系数和磨损率均出现降低后增加的趋势。横截面试样在8N载荷条件下获得最低的摩擦系数和磨损率，而纵截面试样在12N载荷时摩擦系数和磨损率最低。同一速度和载荷作用下，随着时间的延长，横截面销试样的升温区域不断扩大；而纵截面销试样的升温区域只维持在销试样的下半段。且位于同一位置，横截面的温度值始终低于纵截面试样的温度值。不同时间下横、纵试样摩擦面上中心点应力值变化趋势几乎一致，两者的应力差值在其应力值的千分之一范围内。.本项目研究了载荷、速度和晶粒取向等对Fe2B块体摩擦磨损性能的影响，阐明了Fe2B块体的动态摩擦学变化规律，揭示了摩擦界面应力场、温度场与晶粒“取向效应”对Fe2B摩擦行为的协同作用机制，进一步丰富和完善了摩擦学理论，并为Fe2B块体作为耐磨减摩材料在工程中的应用奠定了基础。