材料磨损与微电子机械系统中的磨损现象

　　1　引言

　　磨损是材料失效的主要原因之一,其物理机制相当复杂[1~4],受到诸多因素影响,如材料表层的微结构变化和相变、接触表面的弹塑性匹配度、材料内残余应力、材料的服役环境等等。图1列出了接触副的相互运动特点、损伤形式与磨损损伤机制的关系[2],磨损研究的复杂性从中可见一斑。同时,磨损分析又有很强的工程应用背景,因此,对于材料磨损损伤特性的分析一直为广大学术界和工程界所重视。材料磨损损伤的基本特点是发生接触、摩擦,并在材料表面形成累积损伤且产生磨屑。

　　近年来,微电子机械系统(MEMS)的迅猛发展,使我们能深入到以前从未涉足的,利用特征尺度为微米量级的微型转换元件进行传感和致动的领域[5]。同时,对于MEMS中微尺度、低粗糙度小载荷的磨损特性研究也成为一个新的课题[6]。

　　以下综述材料磨损损伤的破坏形式和破坏机制,对磨损分析模型进行评估,并介绍近年来对MEMS中磨损现象的研究。

　　2　材料磨损损伤机制和破坏形式

　　影响材料磨损损伤的因素非常多,一般将磨损机制分为磨粒损伤、粘着损伤、接触疲劳、氧化腐蚀[7~10]等四种机制。各种复杂的磨损损伤现象不外乎是四种基本机制的单独或综合体现。

　　所谓磨粒损伤,是指由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损。磨粒损伤为工业中最重要的一种材料接触损伤形式。分析磨粒损伤中两种材料的破坏形式[11],一种破坏形式是由于材料塑性变形引起的。塑性变形引起犁沟、微观切削而导致材料破坏。另一种材料磨粒损伤破坏形式则是由于断裂机制引起的。

　　粘着损伤的机制是建立于材料表面虽然名义光滑,细观上却是很粗糙的假设上。假设材料细观表面是由一系列的峰谷组成。由两个这种表面滑动接触时,这些凸点会产生切向力。由于局部应力很高,以致超过材料软表面的屈服强度,结果在局部高应力及滑动引起的切向力共同作用下,两表面结合点产生断裂破坏。因此,粘着损伤涉及到接触尖点的塑性变形,形成冷焊点及金属交换。然而,这些模型不能解释滑动情况下的金属损失。所以伴随粘着磨损的同时,一般都会发生其他机制的损伤。

　　事实上,按照这个模型,在材料结合处的磨损是常常不可避免的。粘着损伤的破坏形式有微动损伤、胶合、咬卡等。

　　接触疲劳是指当两个接触物体相对滚动或滑动时,在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下,在材料表层将引发裂纹,并逐步扩展,最后形成微观的断裂破坏的损伤过程。

　　材料表面或表层的局部断裂往往是由剪应力引起的,而剪应力依赖于材料的摩擦系数。裂纹常常在材料的亚表层产生,然而,由于材料微结构中的杂质和空穴的影响,裂纹的扩展常常不沿最大应力方向发展[12]。接触疲劳的破坏形式为点蚀和剥层。