含夹杂或裂纹非均质材料摩擦磨损的微观机理研究

Inhomogeneous materials are widely used in aerospace, rail transit, wind energy, nuclear power and defense technology due to their excellent performance of light weight, high strength, superior temperature and corrosion resistances. The wear caused by friction is a key common issue that affects the serviceability and reliability of heterogeneous machine components. The related research is of both theoretical and practical significances. At the microscopic scale, the mechanisms and theories of friction and wear involve complicated factors such as surface roughness, subsurface inclusions and cracks. Currently, there is a lack of a clear, unified and systematic understanding in the tribological-research community. The proposed study intends to use a combination of experimental and theoretical analyses, synthesizing micromechanics, tribology, material sciences, computational techniques to explore the initiation and evolution of the inclusions, porosity, micro-cracks under complex stress states. Furthermore, through incorporating the measured real surface roughness, the corresponding deterministic contact model is established to investigate the interacting/competing between surface wear failure and the subsurface crack propagation. The proposed project encompasses the frontier interdisciplinary researches of the friction and wear mechanisms for inhomogeneous materials.

非均质材料因轻量化、高强度、耐高温、抗腐蚀等方面的优异性能，被广泛应用于航空航天、轨道交通、风能、核电及国防科技等领域。由摩擦而导致的磨损是一个影响非均质机械零部件使役性能与可靠性的关键共性课题，具有典型的理论研究意义和广阔的工程应用前景。从材料微观结构尺度，摩擦磨损的机制与理论涉及加工表面粗糙度、夹杂、裂纹等复杂诱因，当前国际学术界尚缺乏明确、统一、系统的认识。本课题拟采用实验与理论分析相结合方法，综合微观力学、机械摩擦学、材料试验、计算机仿真等研究方法与技术手段，探索非均质材料中夹杂、微孔洞、微裂纹在复杂应力状态下的萌生与扩展规律。进而结合粗糙表面真实形貌的测量，建立相应的微观接触力学计算模型与求解体系，揭示表界面摩擦磨损失效与内部裂纹扩展的联合或竞争机理，开展非均质材料摩擦磨损微观机理的前沿性交叉基础研究。

近年来，随着我国在深空探测、超音速飞机、高速列车等前沿尖端技术领域，对轴承、齿轮、制动器等基础零部件性能的服役性能提出了更为严苛的要求。非均质材料由于具有高强度、轻质量、耐高温、抗腐蚀等突出特点，广泛用于制造能在极端工况环境下高效、稳定服役的零部件。在复杂工况环境下，非均质材料由于接触所产生的摩擦磨损行为常常是导致机械关键传动件失效的主要因素之一，其失效过程与非均质材料中存在的杂质、孔洞、第二相、裂纹等复杂诱因密切关联。研究非均质材料在复杂极端环境下的摩擦磨损微观失效机理已成为一个亟待关注的共性基础研究课题。.本研究按照原定的研究计划顺利执行，系统地实施了整个项目的研究方案，并完成了全面的研究工作。基于微观力学，对典型的材料服役失效机理进行了较深入全面的探讨，具体研究内容涵盖接触-夹杂-裂纹多场耦合分析、表面失效与次表层微裂纹萌生扩展的作用机制、粘滑接触分析、表面摩擦磨损失效机理等方面。旨在揭示含夹杂或裂纹的非均质材料在服役过程中表界面摩擦磨损失效和内部裂纹萌生与扩展之间的关联规律，结合多物理场分析技术与实验验证和计算机仿真模拟提出了综合材料微观结构、复杂接触分析、位错能量、断裂机理、机械摩擦学的微观力学模型。.项目所有目标均已达到预期效果，在论文发表、人才培养、国际学术合作交流等方面均获得丰硕成果。在基金资助期间（2019.01-2022.12），共出版学术著作1本，发表标注了本基金号的学术论文42篇，其中SCI英文论文17篇（包括本领域旗舰期刊JMPS，IJES等），中文论文6篇，国内外学术会议论文7篇，博士及硕士研究生学位论文12篇。此外，还获得发明专利授权5项，做国际学术会议报告2次，并多次邀请或组织国际知名学者进行线上或线下学术交流，获得热烈反响。受本项目资助，毕业博士生2名，硕士生10名；目前在读博士4名，硕士6名。在项目资助期间，主持人荣获第三批“重庆市学术技术带头人”力学后备人才，所讲授《塑性力学》课程荣获重庆市一流本科课程。