| 题名 | 铜纳米结构表层的滑动和微动摩擦磨损行为研究 |
| 作者 | 张于胜 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-24 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 卢柯 |
| 关键词 | 摩擦 磨损 |
| 其他题名 | Friction and wear of nanocrystalline surface of copper under sliding and fretting conditions |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 纳米晶体材料因其结构独特、性能优异而倍受关注。近十年来，由于潜在的工业应用价值，纳米晶体材料的摩擦磨损性能开始引起科研工作者的重视。但目前关于纳米晶体材料摩擦磨损性能及机理的研究缺乏统一的认识和深入的理解。由于难以获得高纯、致密、界面清洁的纳米晶纯金属块体材料，大部分研究都局限于合金及复合材料。将表面改性与纳米技术结合（表面纳米化）制备适合摩擦磨损性能研究的样品不失为一个好的选择，因为材料的某些失效方式，如磨损，疲劳和腐蚀均始于材料表面。对纳米晶纯金属的研究，可以排除固溶强化、弥散强化等因素的影响，更有利于理解晶粒细化对材料摩擦磨损性能的影响。因此，深入系统地研究纳米晶纯金属的摩擦磨损行为具有十分重要的意义。 本研究工作针对上述问题，利用表面机械研磨处理（SMAT）技术在纯Cu样品表面分别制备出等轴纳米晶或纳米孪晶表层。样品最表层平均结构尺寸约为10 nm，最表层微观硬度约为1.3 GPa，且沿深度方向微观结构与硬度呈梯度变化。采用SRVⅢ摩擦磨损实验机，开展了Cu纳米结构表层在不同工况条件下的摩擦磨损性能研究，利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）分析样品磨损表面及磨屑形貌、成分变化规律，探讨其磨损机理；采用光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等微观分析手段，研究摩擦导致纯Cu亚表层微观结构演化。主要结论如下： 1．干摩擦滑动实验条件下，在所用载荷和频率范围内，Cu纳米结构表层磨损量仅有退火态粗晶Cu的1/2-1/6，主要归因于晶界或孪晶界的有效强化。Cu纳米孪晶表层磨损量略高于Cu纳米晶表层，且两者差距随载荷增加明显增大，主要由两种样品表层不同硬度梯度及磨损机制造成。当滑动频率小于40 Hz时，三种样品摩擦系数和磨损量均随频率变化不明显。在频率超过40 Hz时，由于材料软化和表面氧化层消失，摩擦系数和磨损量均急剧增大。 2．干摩擦微动实验条件下，Cu纳米晶表层摩擦磨损性能明显改善。与粗晶态Cu相比，摩擦系数降低0.1-0.2，磨损量降低50-70%。在恒定微动频率为20 Hz，载荷超过某一临界值（纳米晶Cu表层30 N, 退火态Cu 20 N）时，Cu板/WC-Co球接触表面之间形成一层连续的氧化层，导致摩擦系数和磨损量急剧增大。在恒定载荷为20 N时，两种Cu样品的摩擦系数和磨损量，在50 Hz和175 Hz时均明显升高。前者是由于连续氧化层的形成，后者是由于温度升高导致材料软化和金属摩擦副之间的直接接触。 3．油润滑微动实验条件下，Cu纳米晶表层表现出优异的承载能力，与退火态Cu样品相比，其微动耐磨性提高一个数量级以上，摩擦系数却明显高于退火态Cu。配副为WC-Co球时，随频率增加，两种Cu样品稳态摩擦系数表现出不同变化趋势，Cu纳米晶表层持续上升，退火态Cu先上升，在100 Hz时达到峰值后下降；两种Cu样品磨损量变化趋势则相同，先缓慢上升，在超过某一临界频率（纳米晶Cu表层150 Hz, 退火态Cu 100 Hz）后急剧上升。Cu纳米晶表层磨损表面形貌特征为中间区域的犁沟及边缘的磨屑堆积痕迹；退火态Cu磨损表面出现大量塑性变形引起的滑移带。与Cu纳米晶表层对磨后，WC-Co球表面形成不连续Cu转移层，但退火态Cu/WC-Co球摩擦副却未发生材料转移。 4．油润滑微动条件下，与Cu纳米晶表层对磨后，配副AISI 52100钢球表面形成连续致密的Cu转移层，但与退火态Cu对磨后则未发现转移层。微动位移幅值、频率等实验参数，以及Cu的硬度均制约转移现象的发生，而载荷对转移行为影响较小。Cu纳米晶表层优异耐磨性归因于其高硬度和摩擦副间的Cu转移层的形成，而高硬度也是导致该样品具有较高摩擦系数的重要因素。 5．由于严重塑性变形，滑动摩擦导致纯Cu表面晶粒细化到纳米量级。最表层形成沿着滑动方向拉长、取向随机的纳米晶粒，短轴最小平均晶粒尺寸约为20 nm，长轴方向最小平均晶粒尺寸约为37 nm。表面层微观结构随距表面深度增加，呈梯度变化，表面层依次可被分为：纳米结构区、亚微米结构区和塑性变形区。随深度增加，晶粒（或晶胞）尺寸逐渐增加，微观应变逐渐减小。 关键词：表面机械研磨处理；Cu；纳米晶；纳米孪晶；摩擦磨损；氧化层；转移层；塑性变形。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 128 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17060]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张于胜. 铜纳米结构表层的滑动和微动摩擦磨损行为研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
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