钢铁摩擦自润滑理论

第l章 绪论

1.1 钢铁摩擦磨损特性研究概况

1.2 钢铁摩擦自润滑现象

1.3 钢铁摩擦自润滑的研究范围

1.4 钢铁摩擦自润滑理论的应用前景

第2章 钢铁摩擦自润滑特征及其形成条件

2.1 自润滑行为测试的一般过程

2.2 不同组织的摩擦系数差异性

2.3 与自润滑相关的摩擦系数和磨痕特征

2.4 诱导钢铁摩擦自润滑的典型层片结构

第3章 钢铁摩擦层特征与分析

3.1 摩擦接触表层形态与结构

3.2 摩擦接触表层硬度梯度

3.3 塑性变形层层深的主导因素

3.4 摩擦层内的梯度结构与纳米层片结构

第4章 钢铁摩擦自润滑层特征与保护机制

4.1 自润滑磨痕与磨损机制

4.2 自润滑表面氧化膜与纳米颗粒特征

4.3 纳米尺度下的自润滑层结构

4.4 保护机制

第5章 钢铁摩擦层形成理论

5.1 表面氧化的热力分析

5.2 摩擦层微观结构演变的应力条件

5.3 摩擦层内的形变流线与应变

5.4 摩擦层内位错运动驱动下的细化机制

第6章 钢铁摩擦自润滑层形成理论

6.1 氧化和非晶化的起源

6.2 固态局部非晶化理论

6.3 渗碳体回溶与非晶化理论

6.4 自润滑层形成机制与模型

6.5 快速自润滑研究展望

第7章 钢铁摩擦自润滑的相关计算与模拟

7.1 温度场计算与仿真

7.2 固态局部非晶化形核能计算

7.3 分子动力学模拟

第8章 钢铁摩擦层对磨损-疲劳裂纹的影响

8.1 磨损-疲劳与摩擦层

8.2 摩擦层应力分布对磨损-疲劳破坏形式的影响

8.3 考虑摩擦层塑性流变和磨损率的磨损-疲劳裂纹扩展模型

第9章 钢铁摩擦自润滑对磨损-疲劳寿命的影响

9.1 磨损-疲劳行为测试及对应装置

9.2 摩擦自润滑对磨损-疲劳寿命的影响研究

9.3 展望

参考交献

第1章绪论

1.1钢铁摩擦磨损特性研究概况

从铁器时代开始，钢铁材料因具备高强度和丰富的铁资源供应而被广泛应用于航空航天、武器、工程装备、交通设备和医疗器械等各个领域。鉴于钢铁材料较广的应用领域，对于其资源利用率和失效形式的研究一直是解决能源问题的重点，其服役性能和使用寿命是摩擦学研究人员关注的焦点。而钢铁材料在摩擦磨损过程中产生的表面性能变化、能量耗散和组织结构演变是决定其服役状态和使用寿命的关键。严重的摩擦磨损是钢铁零部件、装备运行所需要减少甚至避免的失效形式。因为，在钢铁零部件使用过程中，一旦其磨损量超过设计标准，不论是形位公差的改变，还是表面质量的恶化都会导致破坏和失效，从而引起设备故障，甚至出现人员伤亡等严重后果。基于表面工程技术对重要表面进行表面耐磨处理成为近年来国内外研究人员提高钢铁材料耐磨性能的重要手段1-3]，他们从工艺和机理等方面研究了表面处理对钢铁材料摩擦磨损特性的影响。当然，不经表面改性的钢铁材料本身的摩擦磨损特性也是研究人员关注的重点，例如对磨痕特性、应力应变场和摩擦层微观结构演变行为等现象和机制的研究[48]。研究表明，原材料的合金元素、碳含量等原始特性，后续冶炼工艺的控制、成型后的热处理等过程都是影响钢铁材料摩擦磨损特性的重要因素[]。特别是，即使在组成元素相同的情况下，钢铁材料经不同工艺处理后也会具有差异显著的微观组织，这些不同的微观结构在相同摩擦磨损条件下会对摩擦热和塑性变形产生不同的响应，从而直接影响到材料的摩擦和磨损特性[1-11]。在摩擦磨损过程中，不同的微观组织结构在摩擦热和应力应变场作用下的演变规律和性能不同，导致磨损机理发生改变，会对摩擦磨损特性产生较大影响。针对典型的钢铁材料微观组织(马氏体、奥氏体、贝氏体和珠光体），国内外学者采用诸如二次电子衍射、电子背散射衍射、透射、X射线衍射等材料表征技术研究了钢材在不同使用条件下的摩擦磨损机理。Bansal等[12]通过对比由板条马氏体+残余奥氏体双相组织构成的淬火分配钢和仅有板条马氏体单相的淬火回火马氏体钢的摩擦学行为，发现残余奥氏体的强冷作硬化性能能大幅度提高淬火分配钢抵抗磨粒磨损的能力。但是，由于塑性变形严重，其摩擦表面较为粗糙。与之相反的是，调质马氏体钢不仅表现出优异的耐磨性，而且表面光滑。Trevisiol等[13]比较了铁素体-马氏体双相钢和单相马氏体钢在不同硬度范围和不同法向载荷下的摩擦磨损特性，发现双相钢的摩擦磨损特性要优于单相马氏体钢。两种钢的摩擦磨损特性都与其基体硬度有关：在相同的摩擦磨损条件下，硬度越高，摩擦系数和磨损率越低，但是随着硬度的增加，这种关系的敏感性会降低。上述研究成果对揭示组织对摩擦学行为的影响机制、不同组织对应的磨损机理和避免有害磨损起到了至关重要的作用（1418]。

对于钢铁材料而言，其初始硬度和耐磨性之间存在线性关系，硬度通常作为耐磨性的主要指标，提高材料硬度是获得较高耐磨性能的常见方法。然而，许多研究已经证明，较高初始硬度的材料往往缺乏塑性形变容限，从而限制了其塑性变形能力。研究人员发现具有不同微观结构的钢铁材料在摩擦过程中的冷作硬化能力、组织结构演变和耐磨性之间也存在相关性[]，可见，通过控制微观组织结构来平衡材料强度、硬度、可成形性和耐磨性之间的关系为解决基体硬度与塑性形变两者之间的矛盾提供了新的思路。通过对包含不同微观组织的钢铁材料进行摩擦磨损特性研究，研究人员发现摩擦应变引起的塑性变形和微观结构演变对摩擦磨损特性影响显著，颠覆了传统摩擦学认为的只有摩擦条件和摩擦副表面状态影响摩擦磨损特性的观点。例如，硬度较低的珠光体钢在摩擦磨损过程中的加工硬化能力较强，仍然具备较高的耐磨性能[2]；接触表层的塑性变形和结构演变是主导贝氏体钢摩擦磨损行为的关键因素[20]；较软的铁素体相，硬度较低，一直被认为是耐磨性较差的组织，但是，在摩擦过程中调控铁素体使材料发生塑性变形可能产生应变诱导马氏体相变，形成的马氏体新相将大幅度提高材料的耐磨性。可见，当原始组织一定时，其耐磨性并不全是固有属性，摩擦过程中的结构演变也能大幅度提高材料的耐磨性[5]。综上所述，要全面评价钢铁零部件的摩擦磨损性能，首先要研究具有不同显微组织的钢铁材料的塑性变形规律，阐明其在摩擦磨损过程中的演变对摩擦学行为的影响机制[2628]摩擦应变诱导马氏体相变是摩擦过程中的典型结构演变，摩擦应变诱导相变所形成的马氏体可提高接触表面材料的硬度、强度和韧性，使摩擦表面光滑、摩擦系数较小，表现出优异的耐磨性[29-30]。而奥氏体的存在是摩擦层内马氏体相变的组织基础，但是，奥氏体在摩擦过程中的相变对零部件的耐磨性是有益还是有害仍存在争议。Vanová等[31]提出渗碳层中残留奥氏体的存在通常认为是不受欢迎的，它会降低硬化层硬度，并可能导致贝氏体、铁素体一碳化物混合物的形成，增加裂纹形成的风险，因为物相性质、尺寸不稳定性和内应力往往是裂纹产生的诱因。同时，研究表明奥氏体含量增加将引起材料硬度下降、耐磨性降低并增加对疲劳损伤的敏感性[32a3]。相反，在滑动磨损过程中，摩擦诱导残余奥氏体相变成为马氏体和原马氏体在反复磨损过程中形成的纳米晶和微米片状结构保护层，会诱导从严重磨损向轻度磨损的转变[3]。此外，在摩擦磨损过程中，残余奥氏体内在延展性和摩擦应力……

本书以钢铁材料的摩擦自润滑为主题，按自润滑产生的条件与特征、主要结构表征与分析、形成理论与模型、相关计算与仿真、自润滑对磨损疲劳寿命的影响等内容分为九章。介绍了离子束切割、球差矫正电镜表征、有限元模拟和分子动力学模拟等技术在钢铁自润滑研究领域的应用。从滑动摩擦过程中的微观结构动态演变规律、氧化、非晶化和自润滑机制等方面揭示了摩擦层和自润滑层的相关理论。以摩擦层影响磨损-疲劳裂纹萌生和扩展为基础，介绍了自润滑对钢铁磨损－疲劳寿命的影响规律、测试方法和装置。