纳米结构金属摩擦学特性- - -磨痕亚表层结构与性能

研究金属材料摩擦磨损机制的关键问题是理解磨屑形成过程，而磨痕亚表层结构与性能决定着磨屑的形成过程。纳米结构金属材料热稳定性低，在摩擦磨损过程中极易再结晶，导致磨痕亚表层结构演化与普通粗晶明显不同；同时其特殊的力学性能，如强度高，塑性差，以及退火样品具有较好的强度-塑性匹配等，对磨痕亚表层性能影响很大。本项目拟采用动态塑性变形（DPD）技术，制备出纳米孪晶和纳米晶混合结构块体纯铜和不锈钢样品，研究DPD及退火态样品在干摩擦及油润滑，滑动方式下的摩擦学特性。借助聚焦离子束（FIB）技术制备磨痕截面样品，通过研究摩擦磨损过程中亚表层结构演化与性能改变来理解热稳定性及力学性能对纳米结构金属摩擦学特性的影响。以期探索纳米结构金属摩擦学特性与磨痕亚表层结构及性能之间的关系，揭示其特殊的摩擦磨损现象的本质，弄清相关机制，为制备高耐磨性纳米结构金属材料，提高传统金属材料综合性能提供基础数据和理论依据。

本项目按照研究计划顺利实施, 完成了项目预期研究目标, 在纳米金属材料摩擦磨损行为研究方面取得重要进展. 本项目深入系统地研究磨痕亚表层结构及其对摩擦磨损行为影响，以期理解其摩擦磨损机制。本研究利用动态塑性变形方法(DPD)制备块体纳米结构Cu，同时选择普通变形方式—准静态压缩(QSC)和冷轧(CR)制备超细晶结构Cu作为对比材料，深入系统地研究了纳米结构/超细晶结构Cu在干摩擦条件下摩擦磨损性能及磨痕亚表层微观结构和演化，并探讨了两者之间关系。主要结果如下：.1. 干摩擦滑动条件下，DPD Cu样品由于强度高而具有优异耐磨性。具有相同硬度QSC Cu和CR Cu，其耐磨性相差较大：与CG Cu相比，QSC Cu具有较高耐磨性，而CR Cu耐磨性几乎没有提高。退火态纳米结构DPD Cu耐磨性在硬度为1.38 GPa出现极大值，最佳耐磨性与最高硬度之间不存在对应关系。在QSC Cu和CR Cu退火态样品中均出现相似结果。对不同条件下，随着载荷、频率增大，DPD Cu，CR Cu和CG Cu耐磨性逐渐降低。在相同实验参数下，DPD Cu耐磨性优于CR Cu和CG Cu样品。.2. 几类Cu样品均形成稳态磨痕亚表层结构，即由严重变形的纳米结构机械混合层( NML)和超细晶组成的动态再结晶层(DRX layer)组成。CG Cu亚表层结构演化过程中，滑动初始阶段塑性变形导致晶粒细化起主导作用，变形累积到一定程度后，发生动态再结晶。DPD Cu亚表层结构演化过程包括变形结构动态再结晶和后续再结晶晶粒塑性变形。普通变形方式制备QSC Cu和CR Cu亚表层结构演化相似。亚表层中NML和DRX layer结构差异，最终决定了材料耐磨性的高低。.3. 亚表层中NML是磨痕最表层局域高应变区由纳米晶和少量超细晶组成非均匀结构，其中含有O、W、C等元素。所有Cu样品中形成的NML结构和成分无明显差异，NML是摩擦磨损过程中磨屑主要来源。DRX layer主要由再结晶晶粒和变形晶粒组成，二者在该层中均匀混合。CG Cu 中以变形晶粒为主，其它Cu样品中以再结晶晶粒为主。.4. DRX结构向最表层NML转变过程制约着材料耐磨性，发现耐磨性与亚表层再结晶晶粒尺寸单调关系---磨损率随着动态再结晶层中晶粒尺寸增加或显微硬度降低而增加，提出了通过稳定变形结构提高金属材料耐磨性的新方法。