载荷对4种材料摩擦机制转变的影响

　　由于接触模式的不同,导致宏观摩擦与微观摩擦表现出不同的摩擦机制[1-2].在宏观条件下,由于接触面积较大,摩擦副通常为多点接触,较小的载荷也会使接触点发生塑性变形,摩擦机制主要表现为犁沟摩擦.在微观条件下,由于接触面积较小,摩擦副的接触通常可看作单点接触,轻载下接触区仅发生弹性变形,表面和尺寸效应使得界面摩擦占主导地位.随着载荷的增加,接触区逐渐从以弹性变形为主转变为以塑性变形为主,摩擦机制也逐渐从界面摩擦转变为犁沟摩擦.

　　犁沟摩擦与界面摩擦这两种机制表现出各自不同的特点[3].由于犁沟过程中材料发生了塑性变形,故硬度和弹性模量等性能对犁沟摩擦力有很大影响.LIU等[4]计算结果表明,软材料相对于硬材料更容易产生犁沟.Lafaye等[5]发现韧性材料产生波动式的塑性变形,而脆性材料则断续地出现微观裂纹,随着载荷的增大,犁沟摩擦力基本呈线性增大.而界面摩擦主要与材料的接触面积和表面性质相关.在微观条件下,黏着力与载荷在一个量级,黏着对界面摩擦有很大影响[6-7].实验和分析结果均表明,界面摩擦力随载荷的增加表现出非线性增大的趋势[3, 8].此外,界面摩擦还会受到相对湿度、表面形貌与表面亲/疏水性等多种因素的影响.

　　综上可知,现有的研究主要关注界面摩擦和犁沟摩擦各自的变化规律,很少研究其相互间的转变过程.实际上,界面摩擦与犁沟摩擦中摩擦力产生的机制不同,影响因素各异.因此,对材料摩擦机制转变的研究,一方面可以加深对微观摩擦向宏观摩擦转变过程的认识;另一方面更有助于深入理解两种摩擦机制适用的工况条件和载荷范围,以便采取对应的措施达到减摩抗磨的目的.为此,本文选择了4种具有不同硬度和弹性模量的典型材料,实验研究载荷对其摩擦学性能的影响,着重考察载荷和材料性能对其摩擦机制转变的影响.

　　1　实验部分

　　实验材料分别为GCr15、304不锈钢、超弹(SE)和形状记忆(SME)镍钛合金(NiTi).采用纳米压痕仪(瑞士CSEM公司)测试了样品的纳米压痕硬度和弹性模量.图1给出了样品典型的纳米压痕力—位移曲线.表1给出了纳米压痕硬度(H)和弹性模量(E)的测试结果.由表可见:同样具有相近的弹性模量,GCr15硬度约为304不锈钢的3倍;虽然表现出相似的硬度,但是基于其超弹性,SE NiTi的弹性模量仅为304不锈钢的1/4;由于其形状记忆效应SME NiTi比SE NiTi的残余压痕深度大,硬度和弹性模量低.

　　低载下的划痕试验在原子力显微镜(AFM,SPI3800N,日本精工)上进行.针尖为曲率半径2μm的金刚石球型针尖,其悬臂梁的弹性常数标定为180 N/m.摩擦力的标定采用改进的楔形法,在楔角为54°、高度为1μm、周期为10μm的硅基光栅上(TGF11,德国MikroMasch公司)完成[9].划痕载荷分别设定5、40、80、120、160μN.划痕区域的形貌用尖端曲率半径20 nm的氮化硅针尖扫描完成.