南理工材料學(xué)院陳翔教授團隊納米金屬摩擦學(xué)取得重要突破

 

　　納米孿晶(Nanotwinned，NT)金屬因其高密度孿晶界(Twin boundaries，TBs)和納米尺度孿晶片層厚度(λ)，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和損傷容限。最近20年，納米孿晶金屬的研究已從初期的性能表征，發(fā)展到揭示突破傳統(tǒng)標度律和新型變形機制。例如，當孿晶片層厚度小于某一臨界值時，納米孿晶Cu的拉伸變形機制由位錯在孿晶界處塞積轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗诲e誘導(dǎo)的孿晶界遷移與退孿生，從而表現(xiàn)出Hall-Petch軟化現(xiàn)象，即強度隨片層厚度減小而降低。相反，在納米孿晶Ni中，由于孿晶界穩(wěn)定性增強，導(dǎo)致位錯持續(xù)塞積以及變形過程形成二次孿生，其壓縮強度/硬度隨孿晶片層厚度減小而持續(xù)上升。摩擦和磨損是造成材料性能退化和能量耗散的重要因素，全世界三分之一的能量以各種形式消耗在摩擦磨損上，不僅取決于接觸界面特性，也與材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)。然而，摩擦加載誘導(dǎo)的塑性變形遠比單軸加載更為復(fù)雜，且受外部加載尺度的影響，這導(dǎo)致揭示摩擦加載下孿晶片層厚度依賴的標度律及變形機制面臨嚴重挑戰(zhàn)。因此，迫切需要建立全尺度(不同摩擦加載量級)下孿晶片層厚度依賴的摩擦磨損標度律，以期為不同摩擦學(xué)工況下納米孿晶金屬的性能調(diào)控提供理論依據(jù)。
 

圖1納米孿晶鎳在納米、微觀和宏觀尺度摩擦載荷下的標度律及變形機制
 

　　針對上述難題，陳翔教授團隊以電沉積納米孿晶Ni(孿晶片層厚度從2.9至81 nm精確可控)為研究對象，通過原子力顯微鏡、微米劃擦及宏觀摩擦實驗，結(jié)合亞表層顯微結(jié)構(gòu)分析、分子動力學(xué)模擬及第一原理計算，系統(tǒng)建立了納米孿晶金屬中孿晶片層厚度相關(guān)的摩擦磨損標度律，并揭示了摩擦學(xué)中一個基本但常被忽視的原則：摩擦和磨損不僅受表面現(xiàn)象主導(dǎo)，還受接觸界面下方材料本體力學(xué)響應(yīng)的顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，納米孿晶金屬在納米→微米→宏觀尺度加載下的摩擦學(xué)響應(yīng)，本質(zhì)上取決于其在多尺度摩擦載荷下的結(jié)構(gòu)演變及相應(yīng)物理變形機制的轉(zhuǎn)變(圖1)。在納米加載尺度(50 – 190 nN)，摩擦誘導(dǎo)的塑性變形主要由位錯-孿晶界相互作用和退孿生主導(dǎo)，導(dǎo)致納米孿晶鎳的摩擦系數(shù)隨孿晶片層厚度減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在微米加載尺度(500 – 1000 mN)，超細納米孿晶結(jié)構(gòu)降低相變能壘，促進摩擦亞表層發(fā)生由面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)向密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)的相變，導(dǎo)致摩擦系數(shù)和磨損率均隨孿晶片層厚度減小而單調(diào)下降。在宏觀加載尺度(5 N)，摩擦系數(shù)與孿晶片層厚度無顯著相關(guān)性，但在臨界片層厚度(20 nm)以上時，摩擦亞表層形成穩(wěn)定氧化膜和梯度納米結(jié)構(gòu)，使材料呈現(xiàn)低磨損特性；而臨界片層厚度以下，摩擦亞表層趨于形成脆性納米晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磨損率急劇增加。該工作從材料科學(xué)角度揭示了納米孿晶金屬的全尺度摩擦磨損定律及表面變形新機制，為設(shè)計低摩擦高耐磨金屬材料提供了新思路，豐富了納米孿晶金屬摩擦學(xué)的基本理論。
 

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點項目、面上項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目等項目支持。