单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.     

TC4合金及其表面TiCp／Ni基合金激光熔覆层的摩擦磨损性能

利用УТИ TB-100型销-盘式摩擦磨损试验机研究了TC4合金及其表面TiCp／Ni基合金激光熔覆层在大气和真空(真空度10^-5Pa)环境中的干滑动摩擦磨损性能；采用透射电子显微镜分析了激光熔覆层的微观结构；用扫描电子显微镜观察TC4合金和TiCp／Ni基合金激光熔覆层磨损表面及其相应的偶件磨损表面形貌，进而对比分析了试验环境对材料摩擦磨损性能和磨损机理的影响．结果表明，材料在不同环境气氛压力下的摩擦磨损性能明显不同，TC4合金和TiCp／Ni基合金激光熔覆层在真空环境中的摩擦系数均高于在大气环境中的摩擦系数；TC4合金在真空环境中的质量磨损率低于在大气环境中的质量磨损率，TiCp／Ni基合金激光熔覆层在真空环境中的质量磨损率高于在大气环境中的质量磨损率．分析表明，TC4合金在大气环境中同硬质合金对摩时主要呈现氧化磨损特征，在真空环境中主要呈现粘着磨损特征；而TiCp／Ni基合金激光熔覆层在大气环境主要发生磨粒磨损，在真空环境中则发生磨粒磨损和粘着磨损．     

钛合金表面类金刚石碳梯度薄膜的摩擦磨损性能研究

与Ti6Al4V合金／超高分子量聚乙烯摩擦副对比,考察了Ti6Al4V合金表面类金刚石碳梯度薄膜／超高分子量聚乙烯摩擦副在干摩擦以及Hank’s溶液和生理盐水润滑下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌,并进而分析磨损机理。结果表明,类金刚石碳梯度薄膜具有良好的减摩抗磨性能,其体积磨损率约为相同条件下Ti6Al4V合金体积磨损率的50％,相应的超高分子量聚乙烯偶件的磨损率亦较低,类金刚石碳梯度薄膜的磨损呈现轻微磨粒磨损特征,而超高分子量聚乙烯可抑制类金刚石碳梯度薄膜的磨粒磨损。     

高速切削强化表面（HSMS）的摩擦学性能试验研究

借助X射线衍射应力分析仪、球-盘式滑动摩擦磨损试验机以及扫描电子显微镜等工具,考察了已加工表面的残余应力场与X射线衍射线半高宽分布特征,研究了高强度钢工件高速切削强化表面的摩擦学性能,探讨了强化表面的摩擦学性能与表面强化特征指标间的相关性.结果表明：合理的高速切削强化工艺能够有效提高高强度钢材料的滑动摩擦学性能;残余压应力场的作用深度是决定加工表面摩擦学性能的关键强化特征指标;位错密度增加和晶粒细化是提高强化表面耐磨性能的主要因素;高速切削强化表面的主要磨损机理为磨粒磨损、塑变磨损以及疲劳磨损等磨损机理.     

纳米压痕中位错运动的原子模拟

利用分子动力学方法模拟研究了金刚石压头压入Ni薄膜(111)晶面的纳米压痕过程中薄膜进入初始塑性后的纳观机制,采用中心对称参数(CSP)研究不同压入深度时薄膜内部的位错的萌生和生长情况.结果表明:压痕力-压痕深度曲线的每一次的剧烈的振荡,都是一次能量释放的过程,在薄膜内部的位错生长也最剧烈.加载过程中,压入深度为0.66nm时出现位错(层错),压入深度为0.93nm时出现明显的位错形核,随着压入深度的增加,多个位错形核相互作用形成梯杆位错.压入深度为1.4nm时,梯杆位错旁出现了棱柱形不全位错环,随着压入深度的增加,棱柱形不全位错环沿着{111}滑移面运动.在最大压入深度处,薄膜塑性形变达到最大.     

氮合金化堆焊合金往复式摩擦磨损行为的研究

在马氏体不锈钢中引入氮，通过铌、钛固氮制备氮合金化堆焊合金. 利用往复式摩擦磨损试验机测试加氮和未加氮两种堆焊合金在不同载荷(5、10和15 N)下的摩擦磨损性能，研究了其摩擦磨损行为. 结果表明:在摩擦磨损过程中，堆焊合金表面承受周期性载荷，摩擦表面出现明显的切削痕和塑性变形，其磨损机制以磨粒磨损和表面疲劳磨损为主. 氮合金化堆焊合金中，碳氮化物沿马氏体基体、晶界弥散析出，起到了明显的细晶强化和弥散强化作用，增强了基体的塑性变形抗力以及抵御磨粒磨损的能力，使磨损表面切削痕数量更少、深度更浅，抗疲劳剥落现象得到明显改善.      

Mo基固溶体增韧Mo2Ni3Si金属硅化物合金高温滑动磨损性能

以Mo、Ni和Si金属粉末为原料,利用激光熔化沉积技术制备Mo基固溶体(Moss)增韧Mo2Ni3Si金属硅化物耐磨材料,在销-盘式摩擦磨损试验机上评价合金在400～550 ℃范围内的磨损性能,借助扫描电子显微镜观察合金磨损表面及其亚表面形貌.结果表明,Moss增韧Mo2Ni3Si金属硅化物合金在高温滑动条件下表现出反常的磨损率-温度关系,即磨损率随温度的升高而降低,其磨损表面光滑平整,没有显微切削和犁沟等特征,Moss树枝晶在试验温度下发生了轻微氧化.金属硅化物Mo2Ni3Si在磨损过程中起到了抗磨作用,韧性良好的Moss树枝晶有效地抑制了Mo2Ni3Si基体的裂纹扩展和显微剥落.合金在高温滑动条件下的主要磨损机理为软磨粒磨损和Moss相的轻微氧化.     

H70黄铜-OCr18Ni9不锈钢滑动磨损表面材料的相互转移之研究

作者对H70黄铜(销)—OCr18Ni9不锈钢(盘)在真空(6.65×10~(-3)Pa)和大气中滑动磨损表面材料的相互转移进行了研究,并且提出了摩擦表面的原子扩散模型。文章指出,由于摩擦的热效应致使表面原子的扩散加剧,不论是软材料还是硬材料,它们的表面微凸体在滑动摩擦过程中都可能发生局部熔化,因而磨损表面出现了材料的相互转移,即使是硬材料中的Fe原子也转移到了软材料黄铜销的磨损表面上。销材料中的Zn原子在摩擦温度较高时的扩散系数是Cu原子的2～3倍,故在摩擦副的两个磨损表面都有Zn原子富集,且以真空下的更加明显。     

外加磁场对W-20Cu/45钢摩擦副干摩擦特性影响的实验研究

以W-20Cu销/45钢环摩擦副为研究对象,采用改进后的MPV-1500型摩擦磨损试验机,研究了直流磁场对W-20Cu干滑动摩擦磨损特性的影响.利用扫描电镜观察W-20Cu销磨损后的表面形貌、纵切面组织及磨屑形貌,采用三维形貌仪表征了磨损表面粗糙度.结果表明:随着磁场的施加和增大,W-20Cu销和45钢环的磨损率及摩擦系数均有减小趋势.磁场不仅降低了W-20Cu销摩擦面亚表层的变形程度,而且能吸附磨屑并使之细化.无外加磁场时,磨损机制主要为磨粒磨损;施加磁场后,W-20Cu销摩擦面趋于平滑,磨损机制变为磨粒磨损和氧化磨损的混合磨损.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

18Ni(300)钢高速干滑动摩擦磨损特性研究

利用销盘高速干滑动摩擦磨损试验机,对18Ni(300)马氏体时效钢的摩擦磨损性能进行了研究,应用JSM-6390A型扫描电子显微镜和X-衍射方法对摩擦磨损表面进行观察,表征其摩擦表面的微观形貌、摩擦磨损的磨屑以及由于摩擦产热而引起的氧化物,进而推断出磨损机制.结果表明:摩擦副的摩擦系数随载荷和速度的增加而下降;随着转速和载荷的增加,销表面氧化物逐渐由FeO转变为Fe_3O_4,其磨损机制由黏着磨损转变为严重的氧化磨损.     

时效处理对低溶质Cu—Cr—Zr合金力学和电滑动磨损性能的影响

在销－盘式摩控擦磨损试验机上进行了Cu-Zr-Zr合金的电滑动摩擦磨损试验,考察了时效处理对其力学和电磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对其磨损表面进行观察分析,结果表明：Cu-Cr-Zr合金的损随时效温度的升高逐渐降低,在500℃时达到最低值;随着时效温度的进一步升高,磨损率又开始增大,在电流作用下,合金的磨损机制主要有粘着磨损、磨粒磨损与电侵蚀磨损,在相同的摩擦磨损试验条件下,Cu-Cr-Zr合金的耐磨损性能明显优于Cu-Ag合金。     

铸造铝青铜合金Cu-14Al-4Fe-Mn的摩擦磨损性能

用往复式摩擦磨损试验机考察了新型高强度、高耐磨性铸造铝青铜合金Cu-14Al-4Fe-Mn(代号HSWAB)的摩擦磨损性能,利用形貌扫描电子显微镜观察分析了合金磨损表面形貌,探讨了其磨损机理.结果表明,HSWAB合金在干摩擦和油润滑条件下的摩擦磨损性能及磨损机理存在明显差异.在干摩擦条件下,合金中脱落的硬质点及氧化物等磨粒导致较为严重的磨粒磨损,摩擦系数高、磨损率大,主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损及疲劳磨损.在油润滑条件下,摩擦系数和磨损率均显著降低,疲劳磨损和氧化磨损受到抑制,主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损.Cu-14Al-4Fe-Mn合金在油润滑条件下的摩擦系数低达0.08,磨损率低达3.7×10-6g/m,是一种优良的耐磨材料.     

离心铸造二元钛合金的摩擦磨损性能研究

采用钨电极熔化、离心浇注工艺制备Ti-Mo、Ti-Nb和Ti-Cr二元钛合金,利用CJS111A型球-盘式摩擦磨损试验机评价其干摩擦磨损性能,研究合金元素对钛合金耐磨性的影响,采用扫描电子显微镜观察合金磨损表面形貌,利用机械性能显微探针测量磨痕轮廓,分析了几种合金的磨损机理.结果表明:当合金中Mo、Nb及Cr元素的质量分数为5%时,几种二元合金的稳态摩擦系数相差不大;当Mo、Nb及Cr元素的质量分数为10%时,Ti-10Mo合金与Ti-10Nb合金的稳态摩擦系数相差不大,Ti-10Cr合金的稳态摩擦系数较大;几种合金中,硬度较低的Ti-5Nb合金试样的磨痕深度最小,硬度最高的Ti-5Cr合金试样的磨痕深度最大;Ti-Mo合金和Ti-Nb合金的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用,而Ti-Cr合金则以磨粒磨损为主.     

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.     

载荷和转速对铜合金材料摩擦磨损性能的影响

采用MMW-1A摩擦磨损试验机,对比研究干摩擦条件下,载荷和转速对QSn7-0.2、CuZn31Si1和Cu9Ni6Sn三种铜合金材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨损表面形貌及元素成分,讨论了QSn7-0.2、CuZn31Si1和Cu9Ni6Sn的磨损机理. 结果表明:当载荷和转速增大时,平均摩擦系数和磨损率为Cu9Ni6Sn＜CuZn31Si1＜QSn7-0.2. 当载荷增大时,QSn7-0.2的磨损机理由磨粒磨损逐渐加剧转变为黏着磨损;CuZn31Si1的磨损机理由塑性变形磨损加重并伴有轻微的磨粒磨损转变为磨粒、黏着磨损;Cu9Ni6Sn的磨损机理由轻微的磨粒、塑性变形磨损转变为疲劳磨损. 当转速增大时,QSn7-0.2的磨损机理由塑性变形磨损加重转变为黏着磨损,整个过程伴随着轻微的磨粒磨损;CuZn31Si1的磨损机理由磨粒磨损转变为塑性变形磨损;Cu9Ni6Sn的磨损机理由轻微的磨粒磨损转变为磨粒磨损与塑性变形磨损共存.      

c-GaN材料摩擦响应与磨损特性的分子动力学模拟研究

对c面(0001)GaN(即c-Ga N)材料纳米划痕响应开展了分子动力学模拟研究,以考察压入深度(即划痕深度)和划痕加载方向对其力学响应、表面磨损和内部位错形核等行为的影响,并澄清其摩擦性能参数与磨损特性。通过对c-GaN材料进行不同压入深度下连续改变加载方向的划痕模拟,结果发现:c-GaN材料的摩擦系数及磨损率取决于加载方向和加载方式,采用划痕方向连续改变的加载方式难以获得c-GaN材料各个晶向上准确的摩擦系数及磨损率。     

等径弯角挤压法制备的TiNiFe合金的滑动摩擦磨损性能研究

采用先进的等径弯角挤压工艺制备微米晶TiNiFe合金块体材料,分析经过等径弯角挤压工艺处理后TiNiFe合金的显微组织,测定其显微硬度,并考察等径弯角挤压工艺对TiNiFe合金摩擦磨损性能的影响.结果表明:高温等径弯角挤压处理可以细化TiNiFe合金的微观组织,显著提高其显微硬度和摩擦磨损性能;未经处理TiNiFe合金的磨损表面较为粗糙,沿滑动方向存在较深的犁沟和大块磨粒剥落,呈现出明显的磨粒磨损特征;而经过高温等径弯角挤压处理后,TiNiFe合金的磨损表面较为光滑、平整,呈现出较轻微的磨粒磨损特征.     

基于分子动力学的石墨烯涂层铜基体摩擦性能研究

石墨烯作为一种新型润滑添加物,在降低金属的摩擦损耗方面有广泛的应用前景。本文利用分子动力学方法建立单晶铜(Cu)和石墨烯/铜(Gr/Cu)模型,用以研究石墨烯(Gr)涂层对于Cu摩擦性能的影响,揭示其润滑机理。结果表明:由于Gr的加入,Cu的摩擦系数在不同压深下降低了64.4%～72.9%。研究发现,摩擦力的大小与压头压入基体的深度密切相关,而与是否具有Gr涂层关系较小。Gr涂层对于Cu摩擦性能提升的根本原因在于增强了基体表面对于法向力的耐受性而非直接降低摩擦力,这使Gr/Cu形成了较小的摩擦系数,表现出优异的摩擦性能。此外,Gr涂层可以有效改善Cu摩擦后的表面形态,与Cu表面受摩擦后大量的原子堆积和明显的刻划痕迹相比,Gr/Cu基体表面更加平滑。但是在相同的压深下,由于Gr/Cu压头下方聚集的应变能无法像Cu晶体一样通过位错向表面运动而释放,导致其内部出现了较大的原子缺陷区域。     

AISI 4340钢干滑动摩擦磨损特性研究

室温条件下,采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面综合性能测试仪对AISI 4340钢进行了往复干摩擦磨损试验,研究了其摩擦磨损特性.采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对磨痕和亚表层进行了观察和检测,分析了磨损表面微观形貌、亚表层塑性变形和碳氧元素含量演化.结果表明:磨损形式以磨粒磨损为主,并伴随轻微黏着磨损和剥落磨损;磨损表面分布着长度、宽度、深度不一的划痕以及鳞片状和颗粒状磨屑;磨损表面出现轻微氧化,磨屑呈现不同程度的碳富集和氧化;亚表层出现明显摩擦影响层,距表层越近,塑性变形越明显,晶界角逐渐汇聚于表面,在表面处趋于平行;往复运动导致塑性变形方向不一致,磨痕中部,塑性变形向某位置聚集.