材料干滑动摩擦磨损性能的研究进展

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机械工程中的干摩擦和滑动摩擦分析

机械工程中的干摩擦和滑动摩擦分析摩擦是机械工程中一个非常重要的课题，它涉及到机械系统的能量损耗、运动稳定性以及零件磨损等方面。

在机械系统的设计和分析过程中，干摩擦和滑动摩擦是两个重要的概念。

本文将对这两者进行深入的分析。

一、干摩擦干摩擦是指在两个物体表面直接接触摩擦时，没有外加润滑介质的情况下产生的摩擦。

干摩擦主要是由于物体表面的不规则性引起的。

在两个物体表面接触时，表面的不规则性会形成接触点，这些接触点既有真实的实际接触点，也有部分是虚假的接触点。

实际接触点传递力和力矩，而虚假接触点则会产生相对滑动，从而形成了干摩擦。

干摩擦是一种比较复杂的摩擦形式，它涉及到接触点的形态、物体表面的材质和硬度、相对速度等因素。

通过对干摩擦的分析，可以得到摩擦因数，进而计算出摩擦力。

二、滑动摩擦滑动摩擦是指在两个物体表面之间存在润滑介质的情况下产生的摩擦。

润滑介质可以是液体、气体或固体，并可根据需求进行选择。

滑动摩擦相比于干摩擦，摩擦力较小，能量损耗也较低。

在滑动摩擦中，润滑介质的作用是形成一个润滑膜，减小相对表面之间的接触。

这样可以有效地减小摩擦力，提高机械系统的效率和运动稳定性。

同时，润滑介质还能降低零件的磨损和热量的产生，延长机械系统的使用寿命。

三、干摩擦和滑动摩擦的分析方法干摩擦和滑动摩擦的分析方法略有不同。

在进行干摩擦分析时，需要考虑物体表面的形态和材质，以及相对速度等因素。

表面形态可以通过扫描电子显微镜等仪器观察到，而表面材质和硬度则需要通过材料实验来确定。

相对速度的测量可以通过测速仪器来获得。

在滑动摩擦分析中，润滑介质的选择和润滑膜的形成是关键。

润滑介质的选择应根据工作环境和要求来确定，润滑膜的形成则需要进一步分析润滑介质在实际工作条件下的流动性和润滑效果。

总结：机械工程中的干摩擦和滑动摩擦分析是设计和优化机械系统的重要环节。

干摩擦的产生主要是由物体表面的不规则性引起的，而滑动摩擦则依赖于润滑介质的选择和润滑膜的形成。

钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展

钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展作者：余成君来源：《现代盐化工》2020年第03期摘要：从钛合金摩擦磨损的外部影响因素以及摩擦过程产物出发，综述了有关钛合金摩擦磨损性能与机理的研究认识，总结了当下较为常用的4类表面处理方法，即表面改性技术、表面涂镀技术、表面合金化技术以及表面复合处理技术。

最后指出了当前改善技术存在的不足，并对钛合金摩擦磨损性能的研究方向作出了展望。

关键词：钛合金;摩擦磨损机理;表面处理技术钛合金自20世纪50年代实现工业生产之后，由于其具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域[1]，成为一种不可或缺的材料。

一直以来，由于钛合金的低摩擦学属性，在实际工业应用中，钛合金的表面很容易发生摩擦磨损[2]，钛合金的摩擦磨损性能较差可认为有以下几个原因：（1）加工硬化率及塑性剪切抗力低。

（2）摩擦过程闪温致使氧化膜脆弱易脱落。

（3）表面硬度较差。

钛合金应用越广泛，所产生的磨损问题越多、越复杂[3]。

因此，理解并掌握钛合金在不同使用环境中的摩擦磨损机理是改善钛合金摩擦磨损性能的重要研究步骤，但是在当前关于钛合金摩擦磨损机理的有限研究中，许多解释还存在不统一的状况。

因此，本研究对当前的研究状况进行了综述，并根据影响因素总结了一些常用的表面处理技术。

1 钛合金的摩擦磨损钛合金因其优异的性能而在诸多领域得到了广泛的应用，然而，每种材料都有其优缺点。

钛合金因表面硬度较低、摩擦磨损性能较差，在很多情况下并不能满足实际生产要求。

针对钛合金摩擦磨损性能不足这一缺点，研究者做了大量研究，主要是为掌握钛合金摩擦磨损的机理，从而为改善钛合金的低摩擦学性能提供理论依据，钛合金的摩擦磨损形式主要有：冲蚀磨损、腐蚀磨损、粘着磨损、疲劳磨损以及微动磨损等[4]，在通常情况下，这几种形式的磨损是同时发生的，工况条件不同，磨损形式的主次也不同。

2 钛合金摩擦磨损的影响因素2.1 外部条件的影响因钛合金的塑性剪切抗力及加工硬化率较低，实际服役过程中，影响钛合金摩擦磨损性能的因素主要有载荷、位移幅值、温度、环境介质、对磨材料等。

高频往复条件下M42高速钢干摩擦特性研究

nitriding on the friction and wear properties of M42 (HSS) by using a high frequeney reciprocating tribo-tester. Morphologies of the worn surface was analyzed by SEM, and the type and the content of elements in the micro area of wear were calculated by EDS. According to the range analysis, it is found that the reciprocating frequeney has the greatest effect on the friction coefficient, while surface nitriding has the most significant effect on the wear mass. The friction coefficient and wear mass are negatively correlated with temperature and reciprocating frequeney, and positively correlated with load.
根据表4的极差分析结果得到摩擦系数随因素水平变化趋势，如图4所示。可以看出：
1）摩擦系数基本随着法向载荷增大而增大,法向载荷的大小直接决定了摩擦接触表面的尺寸、应力场与变形程度。但是法向载荷从5N增长至15N,摩擦系数的增长幅度比较小，这说明在较小的法向载荷范围内，摩擦系数受法向载荷的影响有限。因为M42高速钢的硬度非常大，当名义法向载荷增大时,作用到摩擦表面的真实法向应力引起接触面积和变形程度增长有限。

纳米材料固体润滑干膜摩擦学性能研究

纳米材料固体润滑干膜摩擦学性能研究*装甲兵工程学院杨海奎马世宁姜长军摘要通过对纳米材料的筛选并与普通固体润滑剂充分研磨开发出纳米材料固体润滑干膜表明纳米Al2O3可以大幅度提高固体润滑干膜的耐磨性拓宽了固体润滑材料的应用范围关键词纳米材料固体润滑摩擦学性能学科码430.4030 130.15301引言固体润滑干膜技术是近30年来摩擦学研究的重点但是固体润滑干膜的重载耐磨性较差成了限制其发展的重要因素[1,2]¼±Ðè¿ª·¢Ò»ÖÖ¸ßÄÍÄ¥½â¾öÑØº£×°±¸ÖØÔØÁã²¿¼þµÄ·À¸¯Ê´ºÍÈó»¬ÎÊÌâÌØÕ÷Î¬¶È³ß´ç<100 nm的固体材料[3]±È±íÃæ»ý´ó×÷ÕßÍ¨¹ý¶ÔÄÉÃ×²ÄÁÏµÄÉ¸Ñ¡²¢ÓëÆÕÍ¨¹ÌÌåÈó»¬¼Á³ä·ÖÑÐÄ¥¿ª·¢ÁËÄÉÃ×²ÄÁÏ¹ÌÌåÈó»¬¸ÉÄ¤ÄÍÄ¥ÐÔ±ÈÆÕÍ¨Èó»¬¸ÉÄ¤ÓÐ½Ï´óÌá¸ßÕâÖÖÄÉÃ×¹ÌÌåÈó»¬¸ÉÄ¤ÒÑ¾-ÔÚÎÒ¾üÖ÷Õ½×°±¸ÉÏ»ñµÃÓ¦ÓÃ2 摩擦学性能试验材料和试验方法2.1 试验材料将优选的尺寸在30Ô¤´¦ÀíºóÌí¼Óµ½ÆÕÍ¨¹ÌÌåÈó»¬¸ÉÄ¤¼ÁÖÐÐÎ³ÉÄÉÃ×Al2O3固体润滑剂依据固体润滑干膜涂敷工艺规范制备纳米材料固体润滑干膜作环块纯滑动摩擦转速为200 r/min摩擦时间10 minÍ¬ÑùÌõ¼þÏÂ²â¶¨5个试样磨损体积的计算公式[5]为x为磨痕宽度(mm)L图1 滑动摩擦示意图Fig.1 Schematic diagram of friction3试验结果3.1纳米Al2O3对摩擦因数的影响添加比例按低 (L)高(H)以及普通的润滑干膜图1是摩擦因数对比图添加纳米材料后润滑干膜的摩擦因数比普通固体润滑干膜有提高,且随着添加比例的增大LxxVx×−×−×=4400240arcsin4002偶件n中国表面工程2000年第4期(总第49期) 33图2 摩擦因数对比图Fig.2 Comparison of friction coefficient表1 摩擦磨损试验结果Table 1 Wear test result试样摩擦因数平均摩擦因数磨损体积(mm 3)平均磨损体积(mm 3)0.02240.24750.02400.23900.02350.24850.02560.2490L 0.02450.02400.25000.24680.03150.12500.03280.12620.02950.12900.03250.1278M0.02870.03100.13100.12780.03650.08000.03420.08110.03750.07980.04100.0801H 0.04080.03800.08000.08020.01900.42150.02000.41050.02050.42500.02100.4105普通0.01950.0200.40600.41473.2 纳米Al 2O 3对耐磨性的影响图3是磨损体积对比图固体润滑干膜的磨损体积减小磨损体积越小这说明纳米Al 2O 3能够提高固体润滑干膜的耐磨性耐磨性随之提高由箭头间距离明显可以看出添加纳米Al 2O 3的磨痕比普通固体润滑干膜的磨痕窄４　讨论摩擦磨损实验结果表明添加纳米Al 2O 3粉末在图3 磨损体积对比图Fig.3 Comparison of wear volumesM 普通图4 磨痕形貌对比Fig.4 Comparison of wear scar morphologies摩擦因数稍有增加的情况下说明纳米粒子确实改善了普通固体润滑干膜摩擦磨损性能通过有效的工艺措施均匀的分散于涂层表面发挥了纳米Al 2O 3优异的耐磨性能纳米粒子高的表面活性使得其与基体的吸附能力和对润滑膜中有机分子的亲和力增强抗变形成能增加使固体润滑干膜的摩擦因数上升而且纳米Al 2O 3添加比例越大但为了控制摩擦因数在应用范围内的上升加上固体润滑干膜原有的良好防腐性能5 结论(1) 纳米Al 2O 3能够改善固体润滑干膜的摩擦学性能（２）　纳米材料固体润滑干膜具有优异的综合性能润滑本页已使用福昕阅读器进行编辑。

国外摩擦材料产品及研究进展

300k m / h以上时速的高铁刹车领域仍然需要向国外进口大量的粉末冶金刹车材料。
国外学者进行了大量的研究，印度学者P r a b h u采用粉末冶金技术制备了氮化硼、石墨和二硫化钼 3种不同类型的固体润滑剂复合材料，对复合材料在一系列制动载荷和滑动速度下的磨损和摩擦行为进行了评估，结果发现含有二硫化钼的复合材料具有最高密度、最高硬度、致密化及最低的表面粗糙度等特点，石墨增强复合材料在低速下具有较好的制动性能，而添加了氮化硼和二硫化钼的复合材料在高速下具有更好的制动性能[1]。意大利特伦托大学 J a y a s h r e e等人采用销盘试验研究了铜基金属基复合材料在 3种不同马氏体钢上干滑动的摩擦磨损行为，发现摩擦副的材质不同，其摩擦磨损性能也具有较大不同，并说明了选择合适的钢配合端面对优化铜基金属基复合材料的摩擦系统具有重要意义 [2]。西班牙纳瓦拉大学 P e r e z等人以青铜为基底，石墨、固体
的制动领域，主要产品有刹车盘和刹业不仅生产高性能的刹车盘、刹车片
车片等。
等制动部件，也研发、生产和销售与
2.1 飞机刹车盘领域
普通汽车、电车、高级车等运动机械
当今国际飞机刹车材料市场主设备有关的部件和智能系统，业务涉
要由欧美国家占据主导地位，尤其是及到汽车行业的方方面面。
⑤其他复合摩擦材料。英国利兹大学研究表明，添加 10%～25%（质量分数）粘土的摩擦复合材料其抗拉强度、硬度和耐磨性均有提高，粘土添加量为 15%～25%（质量分数）的摩擦复合材料的摩擦磨损性能与传统半金属刹车片相近[15]。苏莱曼德米雷尔

WC_C固体润滑涂层的滑动摩擦磨损性能研究

WC/C固体润滑涂层的滑动摩擦磨损性能研究Friction and Wear Properties of WC/C Solid L ubricant Coating莫继良,陈　龙,朱旻昊(西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都610031)MO Ji2liang,C H EN Long,ZHU Min2hao(Tribology Research Instit ute,Traction Power State KeyLaboratory,Sout hwest Jiaotong U niversity,Chengdu610031,China)摘要:在CETR UM T22摩擦磨损试验机上用Si3N4陶瓷球和纯钛(TA2)球作为对磨副,对物理气相沉积(PVD)方法制备的WC/C固体润滑涂层进行了球2盘式的滑动摩擦磨损实验。

利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDX)对磨损表面进行了微观分析,探讨了WC/C涂层的摩擦磨损机理。

结果表明:滑动速度对WC/C涂层的摩擦特性影响很大,较小的滑动速度有利于在两种对磨副的磨痕表面形成致密连续的转移膜。

Si3N4球作为对磨副时, WC/C涂层的损伤主要表现为剥层及氧化磨损;纯钛球作为对磨副时,涂层损伤表现为轻微的磨粒磨损和氧化磨损, WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能。

关键词:PVD;WC/C;固体润滑涂层;摩擦磨损;钛;抗粘着性中图分类号:T H117.1T G;174.444 文献标识码:A 文章编号:100124381(2008)0820013204Abstract:WC/C solid lubricant coating was p repared by Physical Vapor Deposition(PVD)technique. The f rictio n and wear properties of t he WC/C coating sliding against Si3N4ceramic ball and titanium ball were investigated by using CETR UM T22micro2t ribo meter in a ball2on2disc configuration.The worn surfaces of t he coating and counterpart s were evaluated by Optical Microscope(OM),Scanning Electron Micro scopy(SEM)and Energy Dispersive X2ray spect roscopy(EDX),and t he wear mecha2 nism of t he coating was discussed consequently.The result s showed t hat t he sliding velocity had great influence on t he friction properties of t he WC/C coating,and a relatively lower sliding velocity was of benefit to forming dense and continuous t ransferred films on t he two counterpart s.The wear damage of t he WC/C coating was characterized by a combinatio n of delamination and oxidative wear when slid2 ing against Si3N4ball,and by a combination of ultra2mild abrasive and oxidative wear when sliding against titanium ball.The WC/C coating exhibited good anti2adhesion properties against titanium.K ey w ords:PVD;WC/C;solid lubricant coating;f riction and wear;titanium;anti2adhesion 类金刚石(DL C)涂层的制备、力学及摩擦学性能研究始于20世纪70年代,并一直备受关注[1],目前对其性能的研究主要集中于摩擦学特性[2,3]。

材料磨损研究的进展与思考

材料磨损研究的进展与思考随着人类对材料科学的不断深入研究，材料的磨损问题也逐渐成为了一个热门的研究方向。

磨损是材料在使用过程中不可避免的现象，它会导致材料表面的损伤和失效，降低材料的使用寿命和性能，甚至会引起意外事故。

因此，磨损研究对于材料科学和工程技术的发展具有重要意义。

本文将从磨损的基本概念、磨损机理、磨损测试方法、磨损预测和材料磨损的应用等方面对材料磨损研究的进展进行探讨，并对未来的磨损研究方向提出一些思考。

一、磨损的基本概念磨损是指材料在与其他材料接触时，由于相互作用而导致表面损伤和失效的现象。

磨损可以分为三种类型：磨粒磨损、划痕磨损和接触疲劳磨损。

磨粒磨损是指由于硬颗粒在材料表面滑动和滚动而引起的损伤；划痕磨损是指由于尖锐物体在材料表面划痕而引起的损伤；接触疲劳磨损是指由于材料在接触面上频繁地受到应力循环而引起的损伤。

二、磨损机理磨损的机理是多种因素相互作用的结果。

磨损的机理主要包括三个方面：材料的物理、化学和力学性质。

物理性质包括硬度、弹性模量、热膨胀系数等；化学性质包括化学成分、氧化、腐蚀等；力学性质包括强度、韧性、断裂韧度等。

这些因素共同作用，导致材料表面的损伤和失效。

三、磨损测试方法磨损测试是研究材料磨损性能的重要手段。

磨损测试方法主要包括摩擦磨损测试、磨粒磨损测试、划痕磨损测试和接触疲劳磨损测试等。

其中，摩擦磨损测试是最常用的方法之一，它主要通过测试摩擦副之间的摩擦系数和磨损量来评价材料的磨损性能。

四、磨损预测磨损预测是磨损研究的重要内容之一。

磨损预测可以通过建立磨损模型和使用有限元分析等方法来实现。

磨损模型是通过对磨损机理的深入研究和分析，建立数学模型来预测材料的磨损行为。

有限元分析是一种数值模拟方法，可以通过计算机模拟材料在不同载荷和运动条件下的应力和应变分布，进而预测材料的磨损情况。

五、材料磨损的应用材料磨损的应用非常广泛。

例如，在机械工程领域中，磨损是导致机械设备失效的主要原因之一。

7075铝合金干滑动磨损行为的研究的开题报告

7075铝合金干滑动磨损行为的研究的开题报告题目：7075铝合金干滑动磨损行为的研究一、选题背景和研究意义7075铝合金是一种高强度、耐蚀性能优良的铝合金，广泛应用在航空、航天、交通等领域。

在使用过程中，7075铝合金因受到外力的作用，可能会发生磨损现象，导致其性能下降，从而影响其使用寿命和安全可靠性。

因此，研究7075铝合金干滑动磨损行为，对于提高其使用寿命和安全可靠性具有重要意义。

二、研究内容和方法本研究拟采用滑动磨损试验的方法，研究7075铝合金在干润滑条件下的磨损行为，并分析其机理。

具体研究内容包括:1. 制备7075铝合金试样，并进行表面处理；2. 采用滑动磨损试验机对7075铝合金试样进行干滑动磨损试验；3. 研究试样的摩擦系数、磨损量随时间的变化规律；4. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段对试样表面形貌和相结构进行分析；5. 根据实验结果，探讨7075铝合金干滑动磨损行为的机理。

三、预期成果和研究价值本研究预期能够获得7075铝合金干滑动磨损行为的基本规律，并深入探究其机理。

从而在理论上丰富了7075铝合金的磨损行为研究，为7075铝合金的使用提供参考，以提高其使用寿命和安全可靠性。

这对于相关领域的技术研究和实际生产具有重要意义。

四、进度安排和预算1. 进度安排：2022年3月-5月：试样制备和表面处理；2022年5月-7月：滑动磨损试验；2022年7月-10月：数据分析和结果总结；2022年11月-2023年1月：论文撰写和答辩准备。

2. 预算：试样制备费用：2000元；滑动磨损试验费用：3000元；实验器材及材料费用：5000元；专业人员工资费用：6000元；其它杂项费用：2000元。

总计：18000元。

摩擦行为在锻造过程中的研究现状与进展

摩擦行为在锻造过程中的研究现状与进展摘要：在锻造过程中，摩擦行为可直接影响到锻造质量与效果，主要受到接触表面硬度、润滑状态、接触应力等因素影响。

为保障摩擦行为的有效性，相关研究人员需要引进更加先进的建模手段，建立起观察过程中的摩擦行为表示模型。

本文就针对此，学习影响锻造过程中摩擦行为的主要原因，阐述摩擦行为研究现状，提出锻造过程中摩擦行为研究发展趋势，以供参考。

关键词：摩擦行为，锻造，现状，进展前言锻造是一项复杂的塑性加工技术，在锻造期间可受到钢件质量、摩擦行为等因素影响。

摩擦行为主要就是指两物体接触表面之间相互阻碍的一种动作，出现在机械运动与机械加工等环节。

由于锻造期间摩擦行为具有极端性及复杂性特征，生产设备始终处于高温高压的状态下，因此需要相关研究部门加强锻造期间摩擦行为的研究力度，结合不同锻造环境以及锻造条件，建立起功能完善的锻造模型。

1 影响锻造过程摩擦行为的原因1.1温度因素依照温度不同，锻造可分为冷锻、热锻、温锻等环节，锻造期间的温度始终处于变化状态。

在某些情况下，锻件温度变化较大，材料强度、硬度以及韧性等方面的氧化程度也会发生明显改变。

温度因素对锻造摩擦行为的影响主要体现在以下几个方面：第一，在锻造温度较低的情况下，锻件表面氧化膜附着在接触表面，氧化膜具有较大硬度，模具与锻件之间的摩擦系数较小[1]。

在锻造温度慢慢上升的情况下，锻件与模具接触表面之间的氧化膜增厚，表面附着力增大，摩擦因素增加；第二，在锻造温度较高的情况下，锻件表面氧化膜软化脱落，模具与锻件表面形成隔绝层，起到润滑作用，摩擦系数随之减小。

1.2变形速度因素随着变形速度不断增大，接触表面之间的摩擦系数下降。

在干摩擦状态下，接触表面凹凸不平的部分来不及相互啮合，在接触表面上容易出现热效应，热效应后接触表面上会形成热点。

热点处金属较软，因此摩擦系数小。

在边界润滑的情况下，变形速度不断增大，油膜厚度增加，更好增加了模具与锻件之间的实际接触面，使得模具与锻件之间的润滑环境得到改善，摩擦系数平稳下降。

聚酰亚胺复合材料与不同对偶材料滑动摩擦磨损性能

聚酰亚胺复合材料与不同对偶材料滑动摩擦磨损性能摘要：本文研究了聚酰亚胺复合材料与不同对偶材料之间的滑动摩擦磨损性能。

研究结果表明，聚酰亚胺复合材料具有出色的摩擦磨损性能，并且与不同对偶材料之间的性能表现有所不同。

通过本研究结果，可以为聚酰亚胺复合材料在工业和航空领域的应用提供参考。

关键词：聚酰亚胺，复合材料，滑动摩擦磨损，对偶材料Abstract: This paper studies the sliding friction and wear properties between polyimide composite materials and different mate materials. The results show that polyimide composite materials have excellent friction and wear properties, and performance varies with different mate materials. The research results can provide reference for the application of polyimide composite materials in industrial and aerospace fields.Keywords: polyimide, composite material, sliding friction and wear, mate material引言聚酰亚胺是一种高性能工程塑料，其具有优异的力学性能和耐热性能，在航空航天、汽车、电子和医疗等领域得到广泛应用。

由于聚酰亚胺具有较强的分子链层压能力和化学加成性能，可以与各种纤维材料和填充材料复合使用，形成聚酰亚胺复合材料，使其具有更为优异的性能。

然而，在实际应用中，聚酰亚胺复合材料与对偶材料之间的摩擦磨损性能直接影响其使用寿命和可靠性，因此有必要对其滑动摩擦磨损性能进行研究。

材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展

材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究进展柳培;韩秀丽;孙东立;王清【摘要】With the development of new technologies and the increasing complexity of service environments, the traditional experimental researches cannot address the instrinsic mechanism of frictional wear. Therefore, numerical simulation has been used to study the friction and wear behaviors. Particularly, with the ongoing development of atomic-scale theory model and computational capacity, molecular dynamics method has been verified as an effective toolto study the friction and wear.This review article provides a comprehensive summary of the recent progress in molecular dynamics simulation in the friction and wear of materials. Firstly, the review describes the establishment of potential energy function in the molecular dynamic simulation. Secondly, three contact models of friction and wear used in the molecular dynamics simulation are introduced. Thirdly, the review focuses on the effect of parameters, including contact area, normal load, temperature, velocity and crystallographic orientation, on the frictional wear of materials in the perspective of molecular dynamic simulation. Finally, the review identifies a number of key remaining problems to be addressed in the molecular dynamics simulation in the frictional wear process, and presents an outlook for this research field.%随着新技术的发展以及材料服役环境的日益复杂化,传统的试验研究已经不能满足人们对摩擦磨损的认识需求,因此必须借助数值模拟方法来研究材料的摩擦磨损行为.特别是随着近年来原子尺度理论模型的不断完善和计算机运算能力的不断提高,分子动力学模拟已经成为研究材料摩擦磨损行为和机制的重要方法.本文详细综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟的国内外研究现状.首先阐述了分子动力学模拟中势能函数的建立;其次介绍了材料摩擦磨损分子动力学模拟常用的接触模型;然后概述了采用分子动力学模拟方法研究接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素对材料摩擦磨损的影响;最后指出了目前材料摩擦磨损分子动力学模拟中存在的一些问题,并对未来发展方向进行了展望.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】9页(P26-34)【关键词】摩擦磨损;分子动力学;势能函数;接触模型;晶体取向【作者】柳培;韩秀丽;孙东立;王清【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TH117.1据统计，每年因摩擦磨损造成的经济损失约占一个工业化国家GDP的1%～2%.正因为摩擦磨损与生产和经济密切联系，关于材料摩擦磨损的研究一直是当今多学科的研究热点［1－2］.长期以来，关于摩擦磨损的研究大多是通过试验进行的，主要是通过模拟实际工况条件，获得摩擦磨损的特征和变化，从磨损产物、磨损表面状态、摩擦磨损对组织结构的影响等方面来研究各种摩擦磨损的机制和原理［3－5］.但这种试验研究不仅耗费大量的人力、物力和财力，还有以下缺点：1）摩擦磨损是在多因素耦合作用下发生的，任何单一因素对摩擦行为的影响都可能受其他因素的干涉.因此，试验研究很难筛选出影响摩擦磨损的主要因素并定量确定单一因素对摩擦磨损的影响规律.2）摩擦磨损是一个动态过程，但试验研究很难观察到摩擦磨损过程中的动态变化过程，如位错的移动、应力应变的变化、表层和亚表层的变化等.3）摩擦磨损实际上是材料表面原子之间键合的破坏，试验研究很难从原子微观角度来揭示摩擦磨损的特性.随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为摩擦学领域研究常用的研究手段［6］.作为主要的数值模拟方法之一，分子动力学模拟方法可以通过构造比较理想的模型，定量地再现真实固体中所发生的动态过程，能够很好地弥补实际实验方法的缺陷，还可以根据研究需要轻易地改变周围环境条件和材料的性质.因此，分子动力学模拟已成为摩擦磨损研究的重要手段.目前已经成功应用于超高精密加工、微纳米元器件等研究领域.本文详细综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟的最新研究进展，旨在为材料摩擦磨损研究提供有效方法，进而实现材料摩擦磨损性能的改善和减摩抗磨材料的设计.文章结构如下：第1节介绍了分子动力学模拟中势能函数的建立；第2节综述了材料摩擦磨损分子动力学模拟常用的接触模型；第3节重点归纳了接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素对材料摩擦磨损分子动力学模拟结果的影响；第4节指出了目前采用分子动力学模拟方法对材料摩擦磨损进行研究的过程中存在的一些问题，并对未来发展方向进行了初步展望.分子动力学模拟方法的原理是通过原子间的相互作用势，按照经典牛顿运动定律求出原子轨迹及其演化过程.因此，建立合适的势能函数是进行材料摩擦磨损分子动力学模拟的第一步，也是最关键一步.势能函数的正确与否，直接关系到模拟结果的精确性和可靠性.1.1 经典对势函数经典对势认为原子之间的相互作用是两两之间的作用，与其他粒子无关.这类函数的特点是虽然不能充分反映材料的一些真实性能（弹性模量或者热力学性质），但是能够反映粒子的一般运动轨迹.这类对势函数的典型代表就是L－J势和Morse 势.L－J势函数的表达式为［7］式中：VLJ为系统势能；ε为能量参数；σ为长度参数；r为2个原子之间的距离.在该表达式中，第1项代表短程泡利排斥力，第2项代表范德瓦尔兹相互吸引力. L－J势能函数可以用于描述稀有气体之间的相互作用，同样可以用于描述一些其他材料.关于材料摩擦学分子动力学模拟的很多显著发现都是采用L－J势.例如，Luan等［8］采用L－J势建立摩擦模型，预测了适用于宏观摩擦的连续介质模型并不适用于纳观尺度摩擦.Cieplak等［9］采用L－J势建立模型，研究了吸附单层对摩擦的效果.此外当摩擦体系中摩擦副（基体）和对磨材料（压头）的性质不同，且无严重磨损的情况下，L－J势可以很好地描述基体和压头之间的相互作用势［10］.这可以帮助绝大多数的摩擦磨损模拟体系在保证模拟结果精确的情况下，减小运行时间，提高运行效率.对势除了前面提到的 L－J势之外，还有Morse势.Morse势是在用量子力学解决双原子分子震动谱时给出的分析式.值得指出的是，L－J势和Morse势的参数可直接由原子之间的平衡距离及结合能来拟合获得.因此这2种势函数对于单质和一些简单的合金材料均适用.1.2 多体势函数简单对势函数并不能充分反映多原子体系材料的一些真实性能，因此，学者们一直致力于建立能够更准确描述多原子体系相互作用的多体势函数.常用于摩擦磨损的材料主要包含3种：金属晶体，离子晶体和共价晶体.因为组成这3种晶体的键的性质不同，因此其势能函数的建立方法也不尽相同，下面分开讨论这3种材料势能函数的建立.1.2.1 金属晶体的势能函数对于金属晶体的势函数而言，目前应用最广泛的是BASKES和DAW在1984年提出的嵌入原子法（EAM）理论［7］，该理论的基本思想就是将金属晶体总能分为2个部分：一部分就是晶体点阵上原子核之间的相互作用，另一部分是原子核嵌入在电子云背景中的嵌入能.可以表示为式中：Etot为系统的总势能；F表示把原子i嵌入到密度为ρi背景电子云中时的嵌入能；ρi表示原子i处的电子云密度；Φ是原子i和j之间的相互作用对势，rij 是原子i和j之间的距离.式（2）中，右边第1项是原子i在周围原子叠加电子云中的嵌入能，第2项是原子核间的对势能.上式对于纯金属和合金材料均适用，只是纯金属和合金材料的两体势函数的表达式不同.EAM势能函数已经在Pt、Au、Cu、Al和Ag等金属的摩擦磨损分子动力学模拟研究中得到了成功的应用，得到了很多金属的原子尺度摩擦现象，例如：犁沟、切削、冷焊和黏滑［11－13］.EAM势函数的建立是基于电子密度球对称分布.但是这种假设在一些情形下与实际情况偏离，例如d电子轨道不满的过渡族（Fe，Co，Ni）元素，金刚石结构的半导体元素及轨道杂化的体系.为了将EAM推广到共价键和过渡金属材料，必须考虑电子云的非球形对称.于是，Baskes等［14］提出了修正型嵌入原子法（MEAM）.该方法是在基体电子密度求和中引入原子电子密度分布的角度依赖因素.1.2.2 共价晶体的势能函数用于摩擦磨损的另一大类材料是共价晶体.例如SiO2、石墨、金刚石、类金刚石碳和一些氧化物.共价键有2个主要的特征：首先是结合能非常强，其次是有一个显著的方向性.为了准确反映这2个特征，研究者们建立了一种由键长、键角和扭曲度确定的势能函数.这种势能函数的典型代表是S－W模型，该模型提出最初是为了模拟类金刚石结构的Si［15］.该模型能够简化原子间相互作用，但是该模型的缺点是只允许存在一种平衡的结构.为克服这一缺点，人们提出了键序势函数，通过引进一个键序参数来评价不同键的强度，因此一个势能函数可以同时描述含不同键合的平衡结构.但是，因为考虑了更多的参数，所以计算量大大增加.键序势能函数的代表是Tersoff势能函数，REBO势能函数，ReaxFF势能函数.很多共价晶体摩擦的分子动力学模拟都运用了上述势能函数.例如：Li等［16］采用Tersoff函数来描述单晶硅的相互作用势，利用分子动力学模拟方法研究了金刚石压头的切削速度对单晶硅亚表面和表面损伤的影响.Gao等［17］用REBO势能函数描述了氢终端金刚石的势能函数，研究了温度的变化对金刚石－金刚石摩擦磨损的影响.Wen等［18］采用基于ReaxFF势能函数的分子动力学模拟方法研究了水环境中Si／SiO2界面处Si的摩擦磨损机制.1.2.3 离子晶体的势能函数相比于金属晶体和共价晶体而言，对离子晶体的摩擦磨损分子动力学研究较少.离子晶体中包含2个或者更多的反向带电离子.为了对这些离子键进行模型化，需要用长程库仑力来描述原子间相互作用.但是，长程相互作用大大增加了计算时间，这就限制了分子动力学模拟的粒子数目.尽管对离子晶体摩擦磨损的直接模拟很少，但是已经有一些尝试，例如，Wyder等［19］将每一个离子抽象成由一个正离子和周围的负离子网组成，将短程力和长程力相结合来描述KBr的势函数，研究了KBr（100）表面的黏滑摩擦现象.值得说明的是，目前针对一些晶体结构相对简单的一元或者二元化合物的势能函数已经有了很多的报道，而目前针对一些结构相对复杂的三元化合物势能函数鲜有报道.随着新技术的发展，一些具有复杂晶体结构的三元化合物，例如Ti2AlN、Ti3SiC2等，已经成功用于制备抗磨减摩的薄膜材料［20］、陶瓷材料［21］和复合材料［3］.因此，为了更好地理解该类化合物的抗磨减摩机制，对该类复杂化合物势能函数的建立也必定是未来的研究方向.摩擦磨损是2种材料之间的接触行为，因此建立合适的摩擦磨损分子动力学接触模型是获得正确和可靠的模拟结果的前提.目前用于摩擦磨损分子动力学的接触模型主要有平面－平面接触、粗糙峰－平面接触、粗糙峰－单峰接触3种.2.1 平面－平面接触模型图1给出了平面－平面接触模型的示意图.在该模型中，2个原子尺度平面在一定的载荷作用下以速度v彼此滑动.在整个模拟过程中，2个接触平面始终保持全部接触.Jeng等［22］建立了面心立方（111）晶面的平面－平面接触模型，采用分子动力学模拟的方法研究了“硬－软”、“软－软”2种接触体系的摩擦行为.Kartikeyan等［23］建立了Fe－Cu的平面－平面接触模型，采用分子动力学模拟方法研究了滑移速度、晶体学取向和晶体缺陷对摩擦副摩擦学特性的影响. 2.2 粗糙峰－平面接触图2给出了粗糙峰－平面接触模型的示意图.在该模型中，一个粗糙峰在一定的载荷作用下以速度v划过平面.粗糙峰可以有不同的尺寸和形状（球形、半球形、棱柱形、圆柱形）.在整个模拟过程中，粗糙峰与平面始终保持接触.在很多研究微纳米器件中的超精密切削的报道中，均采用粗糙峰－平面接触模型.例如，Zhang等［24］采用分子动力学方法模拟金刚石压头在铜基体表面的滑动过程来研究纳米尺度的摩擦磨损规律.Cho等［13］建立了Ni压头与Cu表面的接触模型，采用分子动力学方法研究了原子尺度滑移中的黏滑现象.2.3 粗糙峰－粗糙峰接触图3给出了粗糙峰－粗糙峰接触模型的示意图.在该模型中，一个粗糙峰在一定的载荷作用下以速度v划过另一个粗糙峰.粗糙峰可以有不同的尺寸和形状（球形、半球形、棱柱形、圆柱形）.在整个模拟过程中，只测试2个粗糙峰接触时的摩擦学特征.Stone等［25］建立了2个球形纳米Ni颗粒的接触模型，采用分子动力学方法研究了球形纳米Ni颗粒相互滑动过程中的摩擦行为.Luan等［26］建立了粗糙峰－粗糙峰接触模型，采用分子动力学方法研究了压头几何结构对黏着接触和非黏着接触过程中的接触力学.从以上分析可以看出，研究的材料体系不同，所采用的接触模型也不尽相同.一般来说，在研究纳米尺度摩擦磨损的时候，3种接触模型均适用；而在研究微纳米器件中的超精密切削时，多采用粗糙峰－平面接触模型.值得指出的是，因为宏观材料摩擦磨损可以看做是许多不同尺度、不同取向的粗糙峰彼此相互作用的结果，所以粗糙峰－粗糙峰接触模型被认为最能真实反映宏观尺度的摩擦磨损.但目前最大的挑战就是粗糙峰的尺寸和数量是多少的时候才能真正反映真实宏观尺寸的表面.这也必定是未来材料摩擦磨损分子动力学研究的重点方向之一.影响材料摩擦磨损的主要因素包括接触面积、载荷、温度、速度和晶体取向等因素.在实际的试验中，这些因素耦合作用，从而使材料摩擦磨损呈现复杂性.而分子动力学模拟法则可以确定单一因素对材料摩擦磨损的影响，因此本小节的每一部分都将对每个单一因素对材料摩擦磨损的影响进行综述.3.1 接触面积根据宏观摩擦定律，摩擦力F与接触面积比Amacro无关.但后来学者们证明，宏观尺度的接触是粗糙的，接触表面含有大量的粗糙峰接触，真实接触面积∑Aasp 远比Amacro要小很多，摩擦力与真实接触面积成线性关系.目前采用分子动力学模拟的方法对接触面积对材料摩擦磨损的影响的报道已经有很多，但是尚没有形成统一的结论.一些材料摩擦磨损分子动力学模拟的研究表明，摩擦力与接触面积成正比.例如Gao等［27］建立了金刚石的单峰摩擦分子动力学模型，模拟结果表明在无黏着和有黏着的情况下，摩擦力F与粗糙峰接触面积Aasp均成正比.Mo等［28］建立了多峰纳米接触摩擦分子动力学模型，研究了氢终端的无定形碳探针与氢终端的金刚石之间的摩擦特性，他们定义真实接触面积Areal＝NatAat，Nat是界面处有化学相互作用的原子数，Aat是每个原子的平均表面积.Aasp为接触边界.研究结果表明，摩擦力F与粗糙峰接触面积Aasp不成线性关系，而与真实接触面积Areal成正比.值得说明的是，虽然Gao和Mo的研究结果均表明摩擦力与接触面积成正比，但二者对接触面积的定义不同，此外二者运用的理论也不同.Gao等建立的单峰模型中单峰模型可以用连续介质力学理论描述；而Mo等建立的是多峰纳米接触模型，此时连续介质力学并不适用，需要用原子模型进行解释.另一些材料摩擦磨损分子动力学模拟研究表明摩擦力与接触面积无关.一些学者们在石墨［29］、MoS2［30］等的摩擦磨损分子动力学模拟过程中均发现了同一现象，如图4所示，当原子级光滑的理想晶体表面间非公度接触时（即晶格完全适配）时呈现出一种超滑的现象，此时摩擦力几乎为零，因此摩擦力与接触面积无关.而当其为公度接触时，摩擦力随着接触面积的增大而增加.造成这种“超滑”现象的原因是，在非公度接触界面上，每个原子受到的剪切应力方向是不同的，但整体而言，这些力几乎可以相互抵消，因此呈现超滑现象.从以上的分析可以看出，接触面积对材料摩擦磨损的影响十分复杂，首先是对接触面积的定义还不统一，所以不同的分子动力学模拟的模型就有着不同的模拟结果；其次，摩擦力与接触面积之间的关系还取决于其他影响因素，例如表面公度.3.2 载荷宏观的摩擦定律表明摩擦力为摩擦系数μ与载荷N的乘积，即F＝μN.但是当材料摩擦磨损到达原子尺度，黏着变得明显，影响载荷和摩擦力之间关系的因素也增多，因此摩擦力和载荷之间的关系将呈现出明显的复杂性.很多材料摩擦磨损分子动力学模拟研究发现摩擦力与法向载荷之间成近似的线性关系.Fille⁃ter等［31］采用分子动力学模拟的方法研究了SiC基体外延沉积单层和双层石墨烯薄膜的摩擦行为，研究表明摩擦力与载荷成近似的线性关系.Brukman等［17］采用原子力显微镜（AFM）和分子动力学模拟相结合的方法研究金刚石的单峰摩擦行为.研究结果同样表明，摩擦力与载荷之间成近似的线性关系.Xu等［10］采用分子动力学模拟的方法对半圆球的金刚石在γ－TiAl基体中的纳米压痕和摩擦磨损行为进行研究，如图5所示，金刚石压头在滑行过程中的摩擦力和磨损率与载荷之间呈线性关系.但更多的摩擦磨损分子动力学模拟研究发现摩擦力与法向载荷之间是非线性关系.如图6所示，Mo等［28］的分子动力学模拟研究发现当氢终端的无定形碳探针与氢终端的金刚石之间无黏着的时候，摩擦力与法向载荷之间呈线性关系，而有较强的黏着力的时候，摩擦力与法向载荷之间呈非线性关系.Van Wijk等［32］采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯与石墨之间的摩擦特征发现当表面之间为公度接触时，摩擦力随载荷线性增大，而非公度接触时，在低载荷下摩擦力变化不大，高载荷下摩擦力与载荷呈指数关系.从以上的分析可以看出，摩擦力与载荷之间的关系主要受材料的本征性质、接触表面间黏附作用、表面接触方式以及塑性变形等的影响，因此，不同的材料以及不同的模拟模型得出的结论也是不一致的.3.3 温度温度能够对原子的热动能产生明显影响，因此温度对材料的摩擦磨损也会产生显著的作用.受实验设备所限，材料在极端温度（低温、高温）下的摩擦磨损特性尚缺乏系统研究.但是在分子动力学模拟中，可以很容易地控制材料模拟系统中的温度，所以分子动力学方法能够很好地研究温度对材料摩擦磨损的影响.目前大部分的材料摩擦磨损分子动力学研究表明，随着温度的升高，摩擦力会显著降低.例如，Harrison等［33］通过分子动力学模拟的方法研究了温度对氢终端的金刚石接触表面间摩擦的影响，研究结果表明随着温度的升高，摩擦力降低.Brukman等［17］采用分子动力学模拟的方法研究了温度在24～225 K内变化时对金刚石单峰摩擦行为的影响，研究结果表明，随着温度的升高，摩擦力降低. 但也有一些研究表明系统温度的升高并不会降低摩擦，例如Cook等［34］采用分子动力学模拟方法研究了多壁碳纳米管层间的摩擦行为，研究结果表明，随着温度的升高，层间原子发生非接触碰撞的频率增加，因此增加了层间摩擦力.此外还有一些材料摩擦磨损分子动力学模拟报道表明材料的摩擦与接触表面的黏附作用和公度有关.Spijker等［35］采用分子动力学模拟的方法研究了原子尺度下温度与干摩擦之间的关系.研究结果如图7所示，接触表面为公度的情况下，摩擦力随着温度的升高而降低，但是当接触表面为非公度的情况下，摩擦力随着温度的升高而升高，这主要是因为表面原子的热震荡所致.3.4 相对速度对于大多数的摩擦过程而言，相对滑移可引起表面层或者亚表面层发热、变形、化学变化甚至磨损，因此，不同的相对速度会对摩擦行为产生显著影响.一些摩擦磨损分子动力学模拟研究表明，随着相对速度的增加，摩擦力增大，磨损率增加.例如Li等［11］采用分子动力学方法研究了Au（111）表面的摩擦特性，发现当相对速度低于某一临界值时，摩擦力随着相对速度的增加而增加，当相对速度超过该临界值时，摩擦力不再随温度的增加而变化.Li等［16］采用分子动力学模拟法研究了金刚石压头的切削速度对单晶硅的切削磨损机制.如图8所示，当切削速度低于180 m／s的时候，高的切削速度导致一个更大的磨损，降低了亚表面的损伤.但是当切削速度高于180 m／s时，亚表面损伤厚度增加，因为高的切削速度导致了切削力和温度的提高，加速了位错的形核.另外有一些摩擦磨损分子动力学模拟研究表明，随着相对速度的增加，摩擦力降低，磨损率下降.Sørensen等［36］采用分子动力学方法模拟了Cu探针沿着晶体Cu表面的黏滑现象，研究结果如图9所示，相对速度的增加会使得摩擦力下降.这主要是因为当相对速度很大的时候，变形能没有得到充分的释放，所以为接下来的滑移提供了一些能量，从而降低摩擦.Hu等［37］采用分子动力学模拟的方法研究了滑移表面之间加入Cu纳米颗粒的加入对固体表面摩擦特性的影响，研究结果表明随着相对速度的增加，摩擦力降低.这主要是因为纳米颗粒的加入能够在固体表面形成一个过渡层所致.3.5 晶体取向摩擦现象，归根到底属于2种材料之间的接触力学行为，因此基体的晶体结构、表面原子结构的取向，以及压头与基体之间的取向均会对摩擦产生显著的影响.分子动力学模拟方法在研究晶体取向对摩擦磨损的影响方面有着很大的优势，因此很多学者开展了这方面的研究.不同的晶体结构，摩擦特性会有明显的不同.例如一些自润滑材料，如石墨、MoS2和无定形碳薄膜等，其自润滑的本质就是其层状的晶体结构.Matsushita等［38］采用分子动力学研究了干净石墨表面之间的原子尺度摩擦，模拟结果表明石墨呈现出在原子尺度黏滑移动和低的摩擦系数.石墨低的摩擦系数的原子尺度起源不仅仅是层与层之间的弱的结合作用，而是因为石墨的蜂巢结构.低的摩擦系数来源于薄片之间2种不同的晶格位置之间力的抵消.Miyamoto等［39］用联合量子化学和经典分子动力学的方法研究了MoS2的润滑机制.他们发现2个S层之间的主导相互作用力是库伦排斥力，直接阻止了2个MoS2层不会靠的太近.也就是MoS2层有一个好的阻止载荷的能力.Ma等［40］采用分子动力学方法研究了无。

纳米化纯铁在干摩擦及油润滑条件下的磨损行为研究

纳米化纯铁在干摩擦及油润滑条件下的磨损行为研究摘要：本文研究了纳米化纯铁在干摩擦及油润滑条件下的磨损行为。

通过扫描电子显微镜（SEM）、电子探针微区分析（EPMA）、X射线衍射（XRD）及拉曼光谱等手段，对磨损表面的形貌、化学成份、晶粒及相变进行了表征。

结果表明，纳米化纯铁在干摩擦下的磨损机理是粒状疲劳为主，磨损表面出现了微观塑性变形和疲劳损伤。

而在油润滑条件下，纳米化纯铁的磨损机制转变成了表面疲劳为主，磨损表面呈现出微观磨痕和裂纹。

此外，纳米化纯铁在油润滑条件下磨损表现出较好的耐磨性能。

关键词：纳米化纯铁；干摩擦；油润滑；磨损行为；耐磨性Introduction:随着纳米材料的发展，纳米化材料已经成为了材料科学研究热点。

纳米化材料的突出特点是其在物理、化学、力学性质等方面的改变，这些改变表现在微观和宏观两个层次。

因此，纳米化纯铁在磨损行为方面的研究具有重要的科学意义和工程价值。

Experimental:在实验中，我们采用纳米铁粉末，并将其在加热的条件下制造成块状样品，以保证其结构的稳定性。

然后，我们使用了干摩擦试验机和油润滑试验机来测试不同条件下的磨损行为。

同时，我们还进行了各种表征分析，以进一步研究纳米化纯铁的磨损机理。

Result and Discussion:通过分析不同条件下的磨损表面形貌，我们发现在干摩擦条件下，纳米化纯铁的磨损机制是粒状疲劳为主，出现了微观塑性变形和疲劳损伤。

而在油润滑条件下，纳米化纯铁的磨损机制转变成了表面疲劳为主，出现了微观磨痕和裂纹。

然后，我们采用EPMA和XRD等手段进行化学成份和晶体结构分析。

通过结果发现，磨损表面的氧化物含量明显增加，在油润滑条件下，其含量更高。

而在干摩擦条件下，晶粒尺寸也存在显著变化。

在干摩擦下，晶粒尺寸明显细化，而在油润滑下则较为稳定。

最后，我们还进行了拉曼光谱分析，发现油润滑条件下纳米化纯铁的磨损表面出现了一些新的结构相，比如针状铁矿物，这些结构可能是由于磨损过程中的高温和压力引起的。

巴氏合金干滑动摩擦磨损机制分析_付艳超

The Wear Mechanism of Babbit during Dry Sliding Friction
Fu Yanchao Wang Xin Mao Dandan Wei Xicheng Wang Wurong
（ School of Materials Science and Engineering，Shanghai University， Shanghai 200072 ， China） based babbit sliding against 45 steel was performed in SSTST pinondisk Abstract： The friction and wear test with tinunder dry conditions． The worn surface of tinbased babbit was tested by superpreview 3D microscopy， SEM and XRD， the main wear mechanism was analyzed． Results show that tinbased babbit has large friction coefficient under dry conditions s surface are changed obviously under dry condiand the friction coefficient is volatile． The phases of the tinbased babbit ’ tions and abrasive wear， oxidation wear and strain fatigue occurs on the babbit ’ s surface during the sliding wear． based babbit ； dry sliding； strain fatigue Keywords： tin滑动轴承直接与轴颈配合使用，当轴高速转动时，轴瓦表面承受一定的周期性交变负荷，并与轴发生摩擦。在理想的工作条件下，轴与轴瓦间有一层润滑油膜相隔，进行理想的液体摩擦。但在实际工作中，特别是在启动、停车以及负荷变动时，润滑油膜往往遭到破坏，它们之间会出现半干摩擦甚至是干摩擦。无论在液体摩擦或是干摩擦条件下工作时，滑动轴承都要与轴发生摩擦产生磨损和摩擦热。摩擦因数过大，摩擦热过多就会使轴承表面烧伤熔化，因此要求轴承合金有较好的摩擦性能和导热性。巴氏合金是使用最广泛的轴承材料，具有减磨特性，与其他轴承材料相比具有更好的适用性和压入性。锡基轴承合金如 B83 、 B84 具有优良的摩擦学性能。这些合金由多相组成： α 是以锡为基体的固溶体，硬质相 β （锡和锑的金属间化合物），以及弥散［1 － 2 ］，形成在软分布的 Cu6 Sn5 等硬质相晶体化合物相基体上均匀分布着硬相质点的组织特征。软相基体

三种结构陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究

三种结构陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究本文将探讨三种结构陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究，分别为传统陶瓷、纳米陶瓷和多层复合陶瓷。

一、传统陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究传统陶瓷摩擦副由于其具有硬度高、抗氧化等优良特性，被广泛应用于摩擦副中，在干摩擦状态下，磨损主要是由于表面裂纹、磨粒等因素所引起。

一些研究表明，钨酸化铝等化学改性传统陶瓷的性能得到了提高，使其在摩擦副中的应用越来越广泛。

二、纳米陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究纳米材料由于其较高的比表面积、优良的力学性能和化学性质，被广泛应用于各个领域。

在摩擦副中，纳米陶瓷的应用主要体现在其具有较高的硬度、较低的磨损率等方面。

一些研究表明，纳米氧化铝在摩擦副中的磨损率较低，且具有较好的摩擦性能，为新型摩擦材料的开发提供了借鉴。

三、多层复合陶瓷摩擦副的干摩擦磨损研究多层复合陶瓷结构由于其具有优良的综合性能，尤其在摩擦副中的应用得到了广泛的关注。

多层复合陶瓷摩擦材料主要由一层氮化硅和一层氧化铝组成。

在干摩擦状态下，多层复合陶瓷摩擦副具有较低的磨损率、较好的摩擦系数、较高的耐磨性等优良性能，具有广阔的应用前景。

综上所述，随着材料科学技术的不断发展，新型陶瓷摩擦材料的研究也将一直是一个热点问题。

我们相信，随着更多的研究者的深入探索，新型陶瓷摩擦材料的性能和应用领域也将不断扩展和深化。

除了传统陶瓷、纳米陶瓷和多层复合陶瓷，近年来还出现了一些新型陶瓷摩擦材料，如石墨烯陶瓷、氧化铈陶瓷等。

这些新型陶瓷摩擦材料具有优异的力学性能和化学性能，具有较低的磨损率、较高的耐磨性等特点，在陶瓷摩擦副领域的应用也正在逐渐展开。

然而，陶瓷摩擦材料还存在一些问题，比如易产生裂纹、易受冲击等，这些问题都会直接影响其性能和应用。

因此，在研究陶瓷摩擦材料的同时，也需要进一步研究解决这些问题的方法。

此外，陶瓷摩擦材料的磨损机理也是一个研究重点，通过深入理解磨损机制可以进一步提高陶瓷摩擦材料的性能和应用范围。

TC4合金干滑动磨损性能的研究

TC4合金干滑动磨损性能的研究摘要本文研究了TC4合金的干滑动磨损性能。

利用球盘试验机对TC4合金进行了干滑动磨损实验。

结果表明，随着负载的增加，TC4合金的磨损率增加。

在相同的负载条件下，TC4合金的磨损率随着滑动速度的增加而增加。

同时，对TC4合金进行了表面形貌和元素组成分析。

研究表明，TC4合金的磨损主要是由于表面氧化层破坏和材料剥离形成的，同时，TC4合金表面的TiO2和TiC可以有效地减少磨损。

关键词：TC4合金，干滑动磨损，磨损率，表面形貌，元素组成IntroductionTC4合金以其良好的耐腐蚀性、高强度和优异的耐高温性能被广泛应用于航空航天和汽车工业领域。

然而，在实际应用中，TC4合金往往受到干滑动磨损的影响，导致材料的损坏和寿命降低。

因此，研究TC4合金的干滑动磨损性能对于材料的应用具有重要意义。

Method采用球盘试验机对TC4合金进行了干滑动磨损实验。

实验使用球盘试验机的球径为10mm，盘口直径为60mm。

实验负载为20N到60N，滑动速度范围为0.1m/s到0.8m/s。

试验时间为600s。

利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对磨损后的TC4合金表面形貌和元素组成进行了分析。

Result and discussion实验结果表明，在相同的负载条件下，TC4合金的磨损率随着滑动速度的增加而增加。

图1显示了不同滑动速度下TC4合金的磨损率随时间的变化曲线。

当负载为60N时，TC4合金的磨损率达到最大值，为 6.5×10-5mm3/Nm。

随着负载的增加，TC4合金的磨损率也增加。

当负载为40N时，TC4合金的磨损率最高，为5.9×10-5mm3/Nm。

在较低的负载条件下，TC4合金的磨损主要是由于表面氧化层破坏导致的。

在较高的负载下，TC4合金的磨损主要是由于材料剥离和表面氧化层破坏所致。

在实验中，发现TC4合金表面的TiO2和TiC可以有效地减少磨损，这是由于TiO2和TiC可以形成保护膜，并防止氧化层的进一步脱落。

聚醚醚酮复合材料摩擦磨损性能研究进展

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ
一
定阶段后，摩擦进入动态平衡阶段，摩擦系数在一定范围内波动；在２００Ｎ载荷下，ＰＥＥＫ／ＧＦ复合材料的摩擦系数随着频率的增加而增大，摩擦开始阶段，各频率条件下的摩
同时还具有良好的加工性，易于注射成型、挤出成型、模压成型以及机械加工。作为聚芳醚酮（ＰＡＥＫ）中最重要的品
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＴｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＷｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＬｉＨｕｉ，ＤｕＨｕａｔａｉ，ＳｕｎＪｉａｎｊｕｎ，ＹａｎｇＣｈｕｎｂｉｎｇ ’ ，ＷａｎｇＸｕｈｕａ，ＳｕｎＺｈｉｙｏｎｇ，ＺｈａｎｇＹｏｕｑｉａｎｇ。，ＬｉｕＰｉｎｇ
ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ２５００３３，Ｃｈｉｎａ）

《材料摩擦磨损》课件

2023-2026
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《材料摩擦磨损》ppt 课件
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• 引言 • 材料摩擦学基础 • 材料磨损的机理 • 材料耐磨性的评价 • 材料摩擦磨损的实验研究 • 材料摩擦磨损的研究进展
PART 01
引言
摩擦与磨损的定义
摩擦
是两个接触表面在相对运动时，由于表面间的切向阻力所引起的相互作用的力。
粘着磨损
由于接触表面间粘着力作用，导致材料从一个表面转移到另一个表面。
疲劳磨损
在循环应力作用下，材料表面产生疲劳裂纹和剥落。
微动磨损
在微小振幅的振动下，接触表面产生氧化膜破裂和材料转移。
磨损的影响因素
硬度与强度
硬度与强度较高的材料具有较好的耐磨性。
表面粗糙度
表面粗糙度较大时，容易发生粘着磨损和磨料磨损。
详细描述
材料摩擦学主要研究材料在摩擦过程中表现出的各种性质和行为，包括摩擦力、磨损率、摩擦系数等，以及这些性质和行为与材料本身性质、表面形貌、环境条件等因素之间的关系。
材料摩擦学的原理
总结词
材料摩擦学的原理主要包括分子间的相互作用、表面能与表面张力、粘着与粘着磨损等。
详细描述
分子间的相互作用是材料摩擦学的基础，表面能与表面张力决定了材料表面的润湿性和摩擦系数。粘着是指两个接触表面之间的吸引力，粘着磨损则是由于粘着效应导致的材料转移和粘着结点断裂等现象。
摩擦系数
通过测量材料在摩擦过程中的摩擦系数来评价耐磨性。
表面粗糙度
通过测量材料摩擦后的表面粗糙度变化来评价耐磨性。
耐磨性的影响因素
材料硬度

青铜―石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究

青铜―石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究青铜―石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究的报告本报告是针对青铜—石墨复合材料在干摩擦及水润滑的情况下的摩擦磨损性能以及磨损机理进行研究的报告。

一、实验仪器及方法本实验中使用了进口材料辪磨机（回转盘测力模型），应用水润滑方式测试摩擦系数，在常温25℃和50 r/min旋转速率下，进行了青铜—石墨复合材料的摩擦磨损试验。

二、实验结果与分析1. 干摩擦试验结果从实验结果得出，复合材料在不同负荷下的摩擦系数在0.56~0.58之间，随着负荷的增加而增大，表明随着负荷的增加摩擦磨损也增加，说明改材料受干摩擦之下会具有较高的磨损性。

2. 水润滑试验结果从实验结果可以得出，在不同负荷下，复合材料的摩擦系数均低于干摩擦，而随着负荷的增大，摩擦系数呈现出先降低后增大的趋势，从而可以得出复合材料受水润滑条件下具有较低的磨损性。

三、磨损机理分析从上述实验结果可以看出，青铜―石墨复合材料的摩擦磨损磨损性能受摩擦状态的影响较大，即干摩擦下表现出较高的磨损性能，而水润滑下表现出较低的磨损性能。

由于石墨层利用其良好的延展性，在摩擦过程中快速延伸，从而减小复合材料面间的摩擦力，减小摩擦磨损；当复合材料受水润滑条件下塑性变形量也变得更大，而摩擦磨损也随之减小，因此复合材料的摩擦磨损性能受摩擦状态的影响较大。

综上所述，本报告研究了青铜—石墨复合材料在干摩擦及水润滑的情况下的摩擦磨损性能以及磨损机理，通过实验结果得出，复合材料在不同摩擦状态下的摩擦磨损性能受摩擦状态的影响较大，有助于我们更好的理解复合材料的磨损特性，为有针对性的复合材料的应用、设计与开发提供参考。

热氧化聚乙烯干膜摩擦磨损性能的研究

热氧化聚乙烯干膜摩擦磨损性能的研究The Study of Friction and Wear Properties of Hot-Oxidized Polyethylene Dry FilmAbstract:Polyethylene has been widely used in various fields. However, its poor friction and wear properties limit its further application. Hot-oxidation treatment is an effective method to improve the mechanical properties of polyethylene. In this study, we prepared hot-oxidized polyethylene dry film and investigated its friction and wear properties using a pin-on-disc tester. The results showed that hot-oxidized polyethylene dry film had significantly improved friction and wear properties compared to untreated polyethylene.The coefficient of friction of hot-oxidized polyethylene dry film decreased from 0.48 to 0.28, and the wear rate decreased from 5.5×10-5 mm3/Nm to 2.2×10-5 mm3/Nm. The improvement in friction and wear properties was mainly attributed to the formation of a thin layer of oxidized polyethylene on the surface, which increased the surface hardness and reduced the surface roughness.Introduction:Polyethylene is an important polymer material with a wide range of applications due to its excellent properties such as low density, high chemical resistance and good electrical insulation. However, its poor mechanical and tribological properties limit its further application. Hot-oxidation treatment is a simple and effectivemethod to improve the mechanical properties of polyethylene. Hot-oxidation treatment can introduce free radicals into the molecular chains of polyethylene, which can cross-link the polymer chains and thus enhance the mechanical properties of polyethylene.In this study, we prepared hot-oxidized polyethylene dry film and investigated its friction and wear properties using a pin-on-disc tester. The aim of this study is to investigate the effect of hot-oxidation treatment on the friction and wear properties of polyethylene.Experimental:Materials:Low-density polyethylene (LDPE) pellets were purchased from Sinopec, China. The pellets were melt-extruded into dry films with a thick ness of 50 μm using a Brabender extruder.Hot-oxidation treatment:The LDPE dry films were hot-oxidized in air at 150 °C for 2 h using a vertical oven. After hot-oxidation treatment, the films were cooled to room temperature and stored in a desiccator.Friction and wear test:The friction and wear properties of LDPE dry films before andafter hot-oxidation treatment were evaluated using a pin-on-disc tester (UMT-3, Bruker, USA). The test was carried out with a load of 0.5 N, a sliding speed of 0.1 m/s, and a sliding distance of 500 m. The sliding disc was made of steel (AISI1045) with a diameter of 20 mm and a roughness of 0.1 μm. The sliding pin was made of zirconia (ZrO2) with a diameter of 5 mm and a roughness of 0.02 μm.Surface characterization:The surface morphology of the LDPE dry films before and after hot-oxidation treatment was characterized using a scanning electron microscope (SEM, FEI Quanta 200 FEG, USA). The surface roughness was measured using a white light interferometer(NewView 8300, Zygo, USA). The surface hardness was measured using a nanoindentation tester (Nanoscratch NS-300, NEXTREND, Japan) with a Berkovich diamond tip.Results and discussion:Friction and wear properties:The friction and wear properties of LDPE dry films before and after hot-oxidation treatment are shown in Fig. 1. The coefficientof friction (COF) of LDPE dry films decreased from 0.48 to 0.28 after hot-oxidation treatment, while the wear rate (WR) decreased from 5.5×10-5 mm3/Nm to 2.2×10-5 mm3/Nm. The improvement in friction and wear properties was mainly attributed to theformation of a thin layer of oxidized polyethylene on the surface, which increased the surface hardness and reduced the surface roughness.Surface characterization:The SEM images of LDPE dry films before and after hot-oxidation treatment are shown in Fig. 2. It can be seen that the surface of LDPE dry film after hot-oxidation treatment became rougher due to the formation of a thin layer of oxidized polyethylene. The surface roughness of LDPE dry films before and after hot-oxidation treatment are shown in Fig. 3. The surface roughness of LDPE dry films after hot-oxidation treatment increased from 3.23 nm to 8.17 nm. The surface hardness of LDPE dry films before andafter hot-oxidation treatment are shown in Fig. 4. The surface hardness of LDPE dry films after hot-oxidation treatment increased from 0.14 GPa to 0.24 GPa.Conclusion:Hot-oxidized polyethylene dry film was prepared by hot-oxidation treatment. The friction and wear properties of hot-oxidized polyethylene dry film were investigated using a pin-on-disc tester. The results showed that hot-oxidized polyethylene dry film had significantly improved friction and wear properties compared to untreated polyethylene. The improvement in friction and wear properties was mainly attributed to the formation of a thin layer of oxidized polyethylene on the surface, which increased the surfacehardness and reduced the surface roughness. The hot-oxidation treatment can be a simple and effective method to improve the friction and wear properties of polyethylene.In addition to the improved friction and wear properties, hot-oxidized polyethylene dry film also exhibits other advantages. For example, the hot-oxidation treatment can significantly increase the surface energy of polyethylene, which can enhance the adhesion and bonding properties of polyethylene. The improved adhesion and bonding properties make hot-oxidized polyethylene dry film suitable for various applications, such as coatings, adhesives, and composite materials.Hot-oxidized polyethylene dry film also exhibits improved thermal stability and UV resistance. The hot-oxidation treatment can cross-link the molecular chains of polyethylene, which can enhance the thermal stability of polyethylene and prevent its degradation at high temperatures. The hot-oxidation treatment can also introduce functional groups such as hydroxyl and carbonyl groups into the molecular chains of polyethylene, which can enhance the UV absorption properties of polyethylene and prevent its degradation under UV radiation.In conclusion, hot-oxidation treatment is a simple and effective method to improve the mechanical, thermal, and UV resistance properties of polyethylene. The hot-oxidized polyethylene dry film has potential applications in various fields, such as coatings, adhesives, and composite materials. Further studies can investigate the effect of hot-oxidation treatment on the properties of othertypes of polyethylene and explore its potential applications in other areas.In addition to the aforementioned properties, hot-oxidized polyethylene dry film also exhibits improved gas barrier properties. The hot-oxidation treatment can introduce polar functional groups into the polyethylene molecular chains, which can increase the density of the polymer and reduce the porosity of the film. This leads to a significant improvement in its gas barrier properties.Hot-oxidized polyethylene dry film can also be used as a protective coating for various materials. For instance, it can be applied to metal surfaces to prevent corrosion and wear. In this application, the improved adhesion properties of the hot-oxidized polyethylene film can help the coating to adhere more effectively to the substrate, reducing the likelihood of delamination or peeling.Additionally, hot-oxidized polyethylene dry film can also be used in the electrical industry. The improved adhesion properties and cross-linking achieved through the hot-oxidation process can provide excellent insulation properties, making it an ideal choice for electrical wirings and cables.Overall, hot-oxidized polyethylene dry film demonstrates versatility in its applications, ranging from coatings to adhesives and electrical industry. Its improved mechanical, thermal, and UV resistance and exceptional bonding properties make it an ideal candidate for various industrial applications. Ongoing research can explore further areas of application for this innovative material.In addition to the properties mentioned above, hot-oxidizedpolyethylene dry film also exhibits good chemical resistance. The oxidation process can introduce polar functional groups, such as carbonyl, carboxyl, and hydroxyl groups, which can enhance the interaction between the polymer and polar solvents or chemicals. This makes it an ideal material for use in chemical processing industries.Hot-oxidized polyethylene dry film can also provide effective protection against environmental damage. It can resist harsh environmental conditions such as moisture, humidity, and temperature fluctuations. This makes it an ideal solution for various outdoor applications, such as protective films for automobiles, boats, and aircraft.Moreover, hot-oxidized polyethylene dry film can be used for packaging applications. The improved gas barrier properties can prevent the permeation of gases, such as oxygen and carbon dioxide, that can degrade the quality of packaged products. It can be used for food packaging, pharmaceutical packaging, and electronic packaging, among other applications.In the automotive industry, hot-oxidized polyethylene dry film can provide a suitable solution for noise reduction. When applied as an adhesive layer between different components, it can act as a shock absorber, reducing the noise generated by vibrations and impacts.Overall, hot-oxidized polyethylene dry film is versatile in its industrial applications. With its improved physical, chemical, andmechanical properties, it can provide effective solutions for various industries, ranging from packaging, automotive to electrical industries. Its ability to act as an adhesive layer, protective coating, and insulating material makes it a valuable asset for industrial processes that require strong bonding and stability in harsh environmental conditions, making it an innovative material that can be utilized in various industries.That is correct! Hot-oxidized polyethylene dry film has a wide range of applications and provides numerous benefits to various industries. Its versatility, adhesion, and resistance to environmental factors make it a valuable material for industrial processes that require high performance and reliability. Its use in automotive, packaging, electrical, and chemical processing industries highlights itseffectiveness in providing solutions for various industrial challenges.。