45鋼/錫基合金摩擦磨損后表層組織及納米硬度的表征

王 馨， 李榮斌， 孫 會

(上海電機學(xué)院 機械學(xué)院， 上海 200245)

45鋼/錫基合金摩擦磨損后表層組織及納米硬度的表征

王 馨， 李榮斌， 孫 會

(上海電機學(xué)院 機械學(xué)院， 上海 200245)

采用銷盤式摩擦試驗機，對45鋼/錫基合金摩擦副進行干摩擦試驗。經(jīng)掃描電鏡(SEM)對摩擦磨損試驗后45鋼盤試樣、錫基合金銷試樣的磨損表面及截面形貌進行觀察，用原子力顯微鏡(AFM)對摩擦磨損試驗后45鋼盤試樣截面距磨損表面10μm處納米晶顆粒進行觀察，通過納米壓痕技術(shù)對45鋼磨損表面納米硬度和Young’s模量進行測量。結(jié)果顯示，磨損表層組織明顯細(xì)化，晶粒尺寸接近納米級；45鋼磨損表面的納米硬度和彈性模量分別為8.53GPa和164.12GPa，是基體硬度和彈性模量的687%和261%，且隨摩擦影響層深度增加而降低。

干滑動摩擦； 摩擦影響層； 納米硬度； 細(xì)晶

近年來，隨著納米技術(shù)的不斷深入，納米尺度下的材料性能引起了人們的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)硬度測量技術(shù)相比，納米壓入技術(shù)更適合于超淺深度的壓入實驗，因而在薄膜材料及納米材料的力學(xué)性質(zhì)表征中應(yīng)用廣泛[1-3]。

自Rigney[4-5]等開展滑動摩擦影響層研究以來，發(fā)現(xiàn)摩擦過程中的摩擦熱和剪切應(yīng)力的耦合作用使得試樣表層發(fā)生了嚴(yán)重變形，形成了摩擦影響層。大量研究表明[6-10]，鋼鐵材料經(jīng)摩擦磨損試驗處理后，其表層均產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，導(dǎo)致形成亞晶或納米晶，無論是延性材料，還是鋼鐵材料，摩擦影響層均產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形。依據(jù)摩擦剪切力誘發(fā)的材料流線估算的應(yīng)變值高達(dá)10～100，延性材料的表層硬度甚至達(dá)到1000HV[11]。同時，在溫度梯度和應(yīng)變梯度的影響下，其顯微硬度也會發(fā)生變化，并影響其磨損行為[12]。此外，材料的初始硬度對其摩擦后的截面納米硬度也會產(chǎn)生較大的影響[13]。然而，國內(nèi)外研究仍缺乏對摩擦誘發(fā)的摩擦磨損后表層組織及納米硬度表征的系統(tǒng)研究。

本文針對在銷-盤摩擦試驗機上45鋼/錫基合金摩擦副摩擦試驗后，45鋼的磨損表面及次表面的組織性能測試，以分析干摩擦對摩擦影響層組織性能演化的影響。

1 試驗部分

1.1試驗材料和試樣尺寸

選用鑄態(tài)錫基合金ZCHSnSb11-6(10.0%～12.0%Sb，5.5%～6.5%Cu，其余為Sn)為銷試樣材料，線切割加工成φ6mm×20mm的圓柱；45鋼(0.42%～0.50%C，0.17%～0.37%Si，0.50%～0.80%Mn，≤0.25%Cr)為盤試樣材料，尺寸為中心孔φ8mm，φ70mm×5mm的圓盤。

1.2實驗和測試方法

摩擦磨損試驗在德產(chǎn)SST-ST銷盤摩擦試驗機上進行。試驗參數(shù)如下： 摩擦旋轉(zhuǎn)半徑為24mm，滑動速度為400r/min，載荷為50N，滑動時間為100min。

采用高分辨掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)(JSM-6700F Cold FE)對磨損表面形貌進行觀察與分析。采用原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)(TriboIndenter)測試了45鋼試樣的磨損表面、沿滑動方向橫截面的納米硬度和彈性模量,該系統(tǒng)為低載荷原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置的技術(shù)指標(biāo)如下： 壓入的最大載荷為 10mN，載荷分辨力小于 1nN，載荷噪聲水平為 100nN，壓入深度為 2.0μm，位移分辨力為 0.04nm，位移噪聲水平為0.2nm，熱漂移小于0.05nm/s。

壓痕采用曲率半徑為100nm的Berkovich壓針，壓痕載荷的施加分為3個階段，第1階段是在5s內(nèi)加載到恒定值；第2階段是保持載荷 5s，第3階段是在 5s內(nèi)卸載。其中，控制模式為載荷模量控制，該控制方式可以精確控制施加的載荷。在壓痕測試中，所采用的載荷為50～2000μN，通過壓痕深度計算出材料的納米硬度。取5個壓入點的平均值作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1摩擦影響層的微觀結(jié)構(gòu)特征

在摩擦副的干摩擦過程中，摩擦表面產(chǎn)生的摩擦熱只能通過摩擦副以熱傳導(dǎo)或輻射形式耗散。在多數(shù)情況下，摩擦表面的摩擦熱產(chǎn)生速率大于耗散速率而在接觸面造成熱積累，導(dǎo)致摩擦面溫度升高，使得摩擦試驗進行到一定階段后會在高溫和不穩(wěn)定溫度條件下進行。在接觸壓力作用下，首先會發(fā)生伴有強烈位錯運動的塑性變形，造成基體缺陷密度增大，因摩擦熱的作用發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶，使基體缺陷密度減小。兩個過程的同時或交替進行，將最終在摩擦表層形成細(xì)晶組織。對于低熔點錫基合金而言，干摩擦的高溫導(dǎo)致其熔化和流變，隨后激冷而形成細(xì)晶組織[14]。

圖1所示為干摩擦試驗后銷試樣磨損表面的SEM形貌。可以清楚地看出，磨粒磨損產(chǎn)生的犁溝、少量黏著以及應(yīng)變疲勞剝落留下的凹坑。

圖2所示為盤試樣的SEM照片。可以發(fā)現(xiàn)，盤試樣表面較銷試樣表面相對平整，無明顯犁溝及黏著，但磨痕清晰，且沿著滑動方向呈現(xiàn)出像“魚鱗”一樣的高低不平的凸起，且隨著載荷增加，磨痕變深。分析認(rèn)為，在摩擦高溫作用下，銷試樣表面熔化產(chǎn)生的熔融膜以及銷試樣表面脫落的金屬間化合物，在摩擦熱和接觸壓力的作用下極易黏著在盤試樣表面，形成保護膜。但摩擦接觸面摩擦切應(yīng)力和摩擦熱使得這層膜難以穩(wěn)定存在，易于氧化和脫落，形成沿滑動方向的凸起。隨著載荷增加，摩擦熱和摩擦接觸面壓力增大，在盤試樣表面形成的膜也會越厚、越不平整。

圖1 銷試樣摩擦表面形貌Fig.1 The micrograph of pin worn surface

圖2 盤試樣摩擦表面形貌Fig.2 The micrograph of disc worn surface

圖3所示為干摩擦試驗后45鋼盤試樣截面的顯微圖，在10～20μm厚度范圍內(nèi)，材料的塑性變形特征明顯。可以看出，在近磨損表面區(qū)域沿滑動方向都發(fā)生了明顯的塑性變形。摩擦影響層中的片狀珠光體向滑動方向彎曲變形，且越接近磨損表面，變形越劇烈。

圖3 盤試樣的截面形貌Fig.3 The cross-section micrograph of worn disc

圖4所示為45鋼盤試樣截面距表面約 10μm 處原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope， AFM)圖，摩擦表層組織為大量尺寸細(xì)小的多晶組織，晶粒尺寸接近納米級，納米晶顆粒大小在20～30nm 。塑性流變層的形成與45鋼的層錯能較高、塑性變形以滑移運動為主有關(guān)。應(yīng)變量隨深度增加逐漸減小的變化特點是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)梯度變化的主要原因。表面的嚴(yán)重變形層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯細(xì)化，組織形態(tài)也與原材料明顯不同。對試樣組織結(jié)構(gòu)變化的分析可以看出，納米結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)梯度變化特點與應(yīng)變量、應(yīng)變速度密切相關(guān)，隨著距表面距離的減小，應(yīng)變量和應(yīng)變速度逐漸增大，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，通過位錯的運動，逐漸從尺寸由大到小的位錯胞發(fā)展成了納米級的晶粒。這種結(jié)構(gòu)的梯度變化特點與文獻[15]中經(jīng)超音速微粒轟擊處理的45鋼相似，表明位錯運動也是導(dǎo)致摩擦磨損試驗處理的45鋼表面納米化的主要原因。

圖4 盤試樣距表面約10μm處AFM圖Fig.4 AFM figures from about 10μm disc worn surface

2.2納米壓痕法測試與分析

距表面不同深度處的納米壓痕硬度和彈性模量測定結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，表面納米硬度值最大處為8.53GPa，隨距表面距離的增加，硬度呈下降趨勢，在距離表面大約15μm處硬度趨于平緩接近于基體硬度1.24GPa。同時，試樣表層彈性模量E=164.12GPa，隨距表面距離的增加，E呈下降趨勢，在距表面大約15μm 處E趨于平緩接近于基體E=62.92GPa。E隨距表面距離的變化呈現(xiàn)與納米硬度相似的規(guī)律。這是由于45鋼經(jīng)摩擦磨損實驗后，距表面15μm左右范圍內(nèi)發(fā)生了劇烈塑性變形，晶粒細(xì)化，從而使該范圍內(nèi)的納米硬度增加并趨于平緩變化，隨后逐漸遞減到基體硬度[16]。

圖5 納米硬度和彈性模量隨距表面距離的變化曲線Fig.5 Nano hardness and elastic modulus curves with distance from worn surface

由此可知，試樣經(jīng)摩擦磨損試驗處理后，距45鋼試樣表面一定深度內(nèi)硬度的變化明顯地反映出組織的變形程度和晶粒細(xì)化程度，這與上述的金相觀察和掃描電鏡觀察一致。

3 結(jié) 語

(1) 與Sn基合金配副在干滑動摩擦試驗后的45鋼表面形成具有納米結(jié)構(gòu)的表層，其晶粒呈等軸狀的納米晶，納米結(jié)構(gòu)表層的厚度約15μm，位錯運動是導(dǎo)致晶粒細(xì)化的主要原因。

(2) 納米層的納米硬度和彈性模量分別為8.53GPa和164.12GPa,是基體硬度和彈性模量的6.87倍和2.61倍，隨距表面距離的增加而降低，并趨于平穩(wěn)。

(3) 與Sn基合金配副的45鋼磨損表層產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形。

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Characterization of Microstructure and Nanohardness of Surface Layerfor 45 Steel Against Tin Alloy after Dry Sliding Friction

WANGXin,LIRongbin,SUNHui

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

Dry sliding friction tests of 45 steel against tin alloy have been done using a Pin-Disc friction tester. The wear surface and cross section along sliding direction of 45 steel and tin alloy were observed using SEM. The nanocrystalline about 10μm from the cross section along sliding direction of 45 steel were observed using AFM. The nanohardness and Young’s modulus of wear surface for 45 steel were measured using a nano-indentation technique. In the test, a large number of ultrafine grains were discovered in the wear surface layer, with a dimension close to the range of nanometers. Nanohardness and the Young’s modulus of wear surface for 45 steel are 8.53GPa and 164.12GPa, 6.87 times and 2.61 times larger than those of matrix, which are reduced with the depth of friction-induced deformation layer increases.

dry sliding friction; friction-induced deformation layer; nanohardness; ultrafine grain

2013 - 10 - 23

上海市教育委員會上海高校知識服務(wù)平臺建設(shè)項目資助(ZF1225)

王 馨(1985-)，女，講師，博士，主要研究方向為材料表面處理及摩擦磨損性能，E-mail： wangxin2020@126.com

2095 - 0020(2014)01 -0001 - 04

TH 117.1

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