低速沖擊下的界面響應和磨損行為*

王 璋 岳 源 葉 梯

(中國民用航空飛行學院航空工程學院 四川廣漢 618307)

多周次的沖擊會引起由反復摩擦磨損所導致的材料損耗或破壞，被稱為沖擊磨損[1-2]。沖擊磨損誘發的損傷和失效不僅在傳統工業中頻繁發生[3]，也存在于諸如核電、航空航天以及生物醫療等高新技術領域[4-6]。沖擊過程的復雜性體現在沖擊工況參數、接觸方式和服役環境等影響因素的多變和不確定，需要考慮多學科耦合作用。此外，沖擊行為還具有強烈的非線性特征，研究難度較大。

目前，沖擊磨損的相關研究主要集中在磨損損傷機制和沖擊磨損防護等方面[7-9]，包括沖擊副特征(材料、外形、尺寸等)、沖擊參數(動能、角度、周次等)和環境因素(溫度、濕度、介質等)對摩擦磨損行為的影響機制，以及減磨技術手段的研發和對防護性能的調控等[10]。ZALZALAH等[11]將常見合金的沖擊磨損過程分為“零磨損”和“可測磨損”2個階段，并從微觀角度揭示了“零磨損”階段的幾何體積變化與沖擊磨損行為間的聯系。由于沖擊磨損的循環加載特點，其損傷通常具有疲勞特征。一般認為常規工況下的沖擊磨損由塑性變形和表面疲勞引起的點蝕或剝落組成。NGUYEN等[12]研究了沖擊角度對磨損行為的作用機制，發現材料次表層的最大剪切應力會隨著沖角的減小向表面轉移，從而加劇了磨損去除。鄒浪等人[13]發現隨著沖擊副材料彈性模量的增加，沖擊磨損行為更加具有破壞性。在對沖擊磨損的防護方面，大多數工作主要圍繞著表面涂層技術和增材制造展開。ZHOU等[14]通過改變MoS2/C復合涂層中的碳含量，實現了對涂層沖擊磨損防護性能的調控。CAO等[15]研究了結構設計對復合涂層性能的影響，認為制備工藝和調制比是調控復合涂層摩擦學性能的關鍵因素。

對于碰撞類的沖擊磨損實驗，其控制載荷理應為沖擊動能。WANG等[16]對MoS2/Pb復合涂層開展了沖擊磨損實驗，認為沖擊過程中的界面響應是研究沖擊磨損行為的重要依據。而傳統的沖擊模擬采用的是壓電/激勵驅動，控制載荷為沖擊力峰值，導致難以獲得沖擊過程中的界面響應及其變化。因此，現階段對于沖擊過程中接觸界面響應的研究較少[17-18]，界面響應和磨損行為之間的聯系也尚未形成完善的理論體系。

本文作者通過一種基于動能控制的沖擊磨損實驗設備，研究構成動能的基本物理量之一的速度，對沖擊界面響應動態特性及其磨損機制的影響，并探究界面響應與磨損行為之間的聯系，為完善沖擊磨損的基礎理論研究提供一種思路和方法。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

文中目的在于研究沖擊速度對界面響應和磨損行為的影響機制，以及界面響應與磨損行為之間的聯系。研究結果應具有普適性，因此在選材上應遵循應用廣泛、易獲取和標準統一的原則。取傳統工業中用量較大的YT3工業純鐵和GCr15軸承鋼，分別作為沖擊磨損材料和沖擊副材料。沖擊磨損實驗采用球/平面式點接觸。將YT3工業純鐵加工至45 mm×25 mm×4 mm的塊狀(下文簡稱試樣)，并用金剛砂紙從低到高將試樣頂面機械打磨至2 500目，隨后通過W1金剛石拋光膏進行精密拋光，直至鏡面且無肉眼可見痕跡。將精度等級為G10的GCr15軸承滾珠作為沖擊副，球徑為9.525 mm。所用實驗材料的基本力學性能見表1。

表1 實驗材料和力學性能

1.2 實驗方法

實驗采用的沖擊磨損設備具有動能控制和自由碰撞的特點，結構示意如圖1所示。電機通過推拉桿將動力傳至質量單元，使其在低摩擦因數的直線導軌上以近似恒定速度滑動，直至質量單元右側的沖擊副與固定端的平面試樣發生碰撞后反彈，隨后與推拉桿重新連接，往復循環實現多周次的法向碰撞。

圖1 沖擊磨損實驗設備示意

通過工控程序控制電機輸出可調節質量單元在導軌上的滑行速度，實現對沖擊副的速度控制。沖擊副的等效質量m為197 g，沖擊速度變化范圍60.0～132.8 mm/s，實驗參數方案見表2。

表2 實驗參數(沖擊周次N=4 000)

在每周次沖擊過程中，速度傳感器監測采集沖擊副的速度變化，包括接觸前的沖擊速度vi、脫離接觸瞬間的反彈速度vr和接觸過程中的速度-時間變化；力傳感器用于獲取沖擊接觸力隨時間的響應變化。通過實驗數據可以得到沖擊過程中的接觸力峰值、接觸時長、沖擊沖量、動能耗散等沖擊界面響應結果。完成實驗后，使用白光干涉儀(Contour GT)和掃描電子顯微鏡(JSM-6610)對沖擊磨痕的磨損輪廓/形貌、磨損體積/磨損率進行檢測分析，并結合EDX能譜儀(EDAX-7760/68M)測試磨痕區域的元素組分變化。

2 結果與討論

2.1 沖擊界面響應

沖擊接觸力是物體相互碰撞時產生的力學響應，其特點是接觸作用時間極短，但峰值可達到較高的量值。圖2所示為試樣在不同沖擊速度下的沖擊接觸力隨時間的變化。可見隨著沖擊速度的增加，接觸力峰值Fmax從89.0 N增長至221.4 N，增幅達到了148.8%。沖擊接觸時長tc的變化幅度較小，但呈現隨沖擊速度增加而減少的趨勢。當沖擊速度為60.0 mm/s時，沖擊時長為0.38 ms；當沖擊速度提高到132.8 mm/s時，沖擊時長縮短至0.34 ms。因此，沖擊速度的改變對沖擊接觸力的瞬時強度和持續時間有著顯著影響。

圖2 不同沖擊速度下沖擊接觸力隨時間變化

沖擊接觸過程中，沖擊副運動速度先減小為0，隨后反向增大，在脫離接觸時達到最大反彈速度vr。且有|vi|>|vr|，即沖擊動能Ei大于反彈動能Er(見圖4)，這表明系統動能發生了損失，其值為ΔE=Ei-Er。根據能量守恒定律，沖擊系統內減少的動能會轉換為其他形式的能量，包括材料的形變能、摩擦熱能、阻尼振蕩、磨屑形成和剝落所消耗的能量等。對于低速、低動能的沖擊磨損，通常認為摩擦熱和阻尼振蕩引起的能量損失僅占初始沖擊動能的小部分。因此，耗散的沖擊副動能ΔE可視為被試樣所吸收，并用于沖擊磨痕的塑性行為和摩擦損耗的能量。

圖3 不同沖擊速度下接觸力沖量隨時間累積

表3 不同沖擊速度下接觸界面響應

圖4 不同沖擊速度下沖擊副最大反彈速

將沖擊副的耗散動能作為被試樣吸收并用于發展沖擊磨損損傷的能量，則可將該能量大小ΔE和能量吸收率ΔE/Ei用于評估試樣對沖擊磨損行為的響應。圖5示出了不同沖擊速度下能量響應。

圖5 不同沖擊速度下能量響應

從圖5可知，隨著沖擊速度的提高，試樣吸收的能量從0.276 mJ增加到1.468 mJ。同時，試樣對能量的吸收率卻并未隨著沖擊速度的改變有較大的變化。當沖擊速度提高到118.2 mm/s后，能量吸收率穩定在84.0%附近。繼續增加沖擊速度，能量吸收率的波動不再顯著。該結果表明，在當前的沖擊工況下，試樣對沖擊的抵抗可能已到達材料極限，材料吸收能量的能力不再隨沖擊速度的提高而改變。即便如此，這也意味著初始動能的增加會使更多的能量用于發展沖擊接觸區域的塑性行為和磨損損傷。因此，沖擊速度越快，試樣的沖擊損傷應更嚴重。試樣在低速沖擊作用下的界面響應結果見表3。

2.2 沖擊磨損行為

完成實驗后，通過光學3D表面輪廓儀獲得沖擊磨痕的表面云圖和截面輪廓如圖6和圖7(a)所示。隨著沖擊速度的提高，磨痕面積顯著增加。這是由于實驗初期，球/平面式點接觸使得試樣受到的接觸應力水平超過了其屈服強度，進而產生了塑性變形，這一現象對于工業純鐵等塑性良好的材料尤為明顯。而塑性變形的累積導致接觸面積和接觸深度增大，即磨痕區域的面積和體積增加，直至材料不再發生屈服。在實驗中/后期，接觸區塑性形變幾乎不再發展，此時的沖擊磨損損傷以沖擊副對磨痕表面的摩擦磨損為主。

為了評估沖擊速度對沖擊磨損行為的貢獻，將磨痕的損傷體積V與初始沖擊動能Ei的比值定義為名義沖擊磨損率。由圖7(b)可知，名義磨損率隨沖擊速度的增加而小幅降低，最大差異僅為1.87 μm3/mJ。根據上述對能量響應的分析可知，實際用于磨痕沖擊損傷的能量僅為初始沖擊動能的一部分(見圖5)。進而采用等效磨損率(V/ΔE)進行量化，發現該指標隨著沖擊速度的增加呈現明顯的降低趨勢，最大差異達到3.64 μm3/mJ。該結果表明，隨著沖擊速度的提高，磨痕所吸收的能量對沖擊磨損損傷的貢獻逐漸減小。即，沖擊速度越高，用于沖擊磨損的能量越多(見圖5)，但每單位能量造成的磨損損傷體積越小(見圖7(b))。這意味著沖擊速度的增加使得磨損損傷的發展更加困難，且達到118.2 mm/s后，磨損行為對能量的吸收和利用達到一個較為穩定的狀態。因此，等效磨損率相對于名義磨損率能更準確、有效地表征多周次沖擊下材料對磨損損傷的抵抗特征。沖擊磨損損傷的量化結果見表4。

圖6 不同沖擊速度下磨痕表面

圖7 不同沖擊速度下磨痕截面輪廓和沖擊磨損率

表4 不同沖擊速度下沖擊磨損量化結果

對60.0 mm/s沖擊速度下沖擊磨痕的損傷表面進行微觀形貌分析，如圖8所示。可知磨痕整體區域為規則圓形，且根據形貌特征可分為外環(黑色虛線標識)和內圓(白色點劃線標識)2個區域。外環區局部存在輕微的涂抹痕跡，觀察不到明顯的磨損損傷特征。結合圖7(a)中磨痕截面輪廓在接觸邊界的材料堆積，認為磨痕的外環區域存在強烈的塑性行為，即該區域產生了深度方向上的塑性擠壓變形和寬度方向上的塑性流動，且塑性損傷強度隨沖擊速度的增長而提高。而內圓區則表現出明顯的材料磨損和剝落，在外觀上呈現出淺色的材料基底和深色片層這2種顯著的微觀特征。此外，隨著沖擊速度的增加，內圓區的磨損和剝落更加嚴重，如圖9所示。為了進一步研究沖擊磨損機制和沖擊速度對接觸界面的影響，對不同沖擊速度下的磨痕和微觀形貌特征區域進行EDX能譜檢測，檢測位置和結果見表5。

圖8 沖擊速度60.0 mm/s下磨痕SEM圖像

圖9 沖擊速度132.8 mm/s下不同磨損特征區域SEM圖像

由表5中EDX能譜結果可知，外環區域(點C)的元素以C、Fe為主，即試樣的主要成分元素，并在沖擊速度增加的情況下出現微量O元素。結合外環的微觀形貌特征可以認為，該區域的沖擊損傷以塑性變形為主，伴隨有輕微的摩擦氧化現象。在沖擊實驗初期，點接觸形成的高應力使試樣迅速發生塑性屈服，球/平面式接觸轉換為球/曲面式接觸，導致沖擊力在外環區域的法向分量減小，降低了接觸摩擦強度，避免了劇烈的摩擦氧化，導致該區域的氧元素含量極少，與其他區域的氧元素含量差異巨大。而內圓區域的深色片層(點B、E)則具有最高O峰，次O峰位于淺色基底(點A、D)。這表明，內圓區域經歷了劇烈的沖擊摩擦接觸，并在表面生成了氧化層。氧化層在后續周次的沖擊中開裂(即深色片層)，直至從內部基底上剝落，使里層的基底材料暴露在空氣中，并重復沖擊摩擦氧化到開裂剝落這一材料磨損去除循環。因此，內圓區的沖擊損傷以材料的摩擦磨損為主，并伴隨有強烈的摩擦氧化，主要的磨損機制為剝層磨損。值得注意的是，盡管內圓區域內同時存在淺色的基底和還未剝落的氧化層，但在氧化程度上存在明顯差異(點A和B，點D和E)。這表明氧化層在一定程度上阻礙了沖擊副與基底的直接接觸，延緩了基底形成新的氧化層并被磨損去除的過程。這一結論同樣解釋了到達118.2 mm/s后繼續提高沖擊速度，能量吸收率和磨損率保持穩定的現象。此外，僅在氧化層表面檢測到了屬于沖擊副的微量Cr元素。說明沖擊副在多周次的沖擊過程中出現了材料的損失，并通過摩擦接觸發生了轉移。

表5 沖擊磨損損傷特征的EDX能譜

3 結論

(1)沖擊速度極大影響了接觸界面的力學響應。速度越快，試樣受到的接觸力強度越高，接觸作用越迅速。沖擊速度達到118.2 mm/s后，試樣對能量的吸收率不再隨沖擊速度的增長而變化。

(2)沖擊速度的提高會使磨損損傷的進一步發展更加困難。速度越快，用于沖擊磨損損傷的能量越多，磨損損傷體積越大，但對能量的利用率會逐漸降低，即單位能量造成的磨損損傷逐漸減小。

(3)沖擊磨痕的微觀形貌特征分為以塑性變形為主要沖擊損傷的外環區和以剝層磨損為主要沖擊損傷的內圓區。磨損區經歷了嚴重的摩擦氧化，并隨著沖擊速度的增加發生了沖擊副材料轉移。而氧化層的存在，避免了沖擊副與基底材料的直接接觸，延緩了磨損損傷的進一步發展。