滑动摩擦诱发的变形层组织结构演化及表征

固体表面滑动摩擦诱发的表层塑性变形、组织结构演化与摩擦学行为的关系一直是摩擦学和材料学界重点关注的科学技术问题。本项目瞄准Cu/Sn、不锈钢/模具钢和合金钢/碳钢三对摩擦副滑动摩擦过程中摩擦诱发的材料表层和次表层（摩擦影响层）性能、组织结构和成分的演化，在摩擦磨损性能研究的基础上，采用三维原子探针、X-ray衍射、透射电镜、扫描电镜以及原子发射光谱和铁谱等对摩擦影响层、磨屑等进行研究：分析影响层的物理力学性能演变；分析影响层组织及其晶格点阵的演化；分析影响层的原子扩散或偏聚；分析不同磨损阶段磨屑与磨损状态及与影响层的关系；结合影响层的应变状态，分析摩擦过程中的应力应变分布特性及诱发晶粒细化和/或相变的宏微观因素，揭示摩擦影响层演化与摩擦磨损性能和磨损失效机理，如粘着磨损的关系，为设计和研发新型摩擦学材料和智能涂层，改善摩擦副耐磨性和可靠性提供科学依据。

本项目采用立式万能摩擦磨损试验机和自行设计的三爪型销试样与圆盘试样对摩的滑动接触形式，对锡基轴承合金（ZChSnSb11-6）/45钢、DC53钢/45钢和合金钢/碳钢（20CrMnTi/T10）三对、10种以上配对形式的摩擦副进行了滑动摩擦磨损试验研究，考察了名义载荷、滑动速度、行程、表面粗糙度、干/湿润滑实验条件等对摩擦学性能的影响，采用SEM和OM以及铁谱分析了摩擦影响层的组织结构及磨痕和磨屑特征，探讨了摩擦学性能和材料力学性能的关系；在采用OM观察摩擦影响层的组织形貌的基础上，采用SEM+EDS分析了摩擦影响层的微观形貌和成分；测试了磨损表面硬度和影响层的硬度梯度；采用XRD分析了磨痕区晶粒大小、点阵常数、微观应力等及可能的相变；采用HRTEM配合HRSEM分析了从磨损表面至基体的晶粒尺寸和因摩擦剪切力所致的变形层的变形流线，并据此计算和分析了其应变梯度及与摩擦磨损性能和试验条件的关系；采用SIMS分析了摩擦影响层中的可能的由对偶材料中的元素向配对体的摩擦影响层的原子扩散现象，证实了在滑动摩擦过程中摩擦副间可能的元素交换现象，并结合摩擦影响层的晶粒细化和严重塑性变形可为原子扩散提供通道这样一个事实，分析了摩擦诱发的原子扩散行为，并探讨了原子扩散对摩擦副摩擦学行为的影响，特别是粘着磨损问题；采用ABAQUS软件模拟分析了在摩擦过程中的应力场和温度场，进一步讨论和证实了摩擦温升加速摩擦影响层中对偶原子的扩散问题；对比分析了非金属层（渗Cr、渗V、渗氮和渗B）对摩擦影响层组织演化导致的硬度梯度、硬化层深度和硬化机理，特别是对原子扩散行为的影响，提出了摩擦副材料本征性能尽管严重影响其摩擦学性能，但要获得良好摩擦学性能需要考虑摩擦试验初始阶段的摩擦影响层的硬化特性和结构，如原位硬化、动态相变硬化机制，进而构筑与材料本征性能参数相关的摩擦影响层结构，为摩擦学材料和表面涂层结构的选择和设计提供依据。通过三年的研究，已发表与项目内容相关的学术论文12篇（期刊11篇，SCI源刊7篇），毕业研究生2名，在读6名（2011.3,2012.3；2013.3, 2013.6, 2014.3, 2014.6, 2015.3）