張占輝，王義強，葉國云，韓子淵1,，張志杰1,，駱海波

(1 太原科技大學 機械工程學院，太原 030024；2 河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，鄭州 450000；3 浙江大學 寧波理工學院 機電與能源工程分院，浙江 寧波315100；4 寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315615)

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仿生非光滑表面對對磨副的損傷機理研究

張占輝1,2，王義強3，葉國云4，韓子淵1,3，張志杰1,3，駱海波3

(1 太原科技大學 機械工程學院，太原 030024；2 河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，鄭州 450000；3 浙江大學 寧波理工學院 機電與能源工程分院，浙江 寧波315100；4 寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315615)

利用激光處理技術(shù)在灰鑄鐵表面加工了4種具有非光滑形態(tài)的試樣，對比研究非光滑形態(tài)對對磨副的影響規(guī)律。結(jié)果表明:非光滑表面對對磨副的損傷機理與光滑試樣不同，為非光滑表面凸起對對磨副的微觀切削作用。非光滑表面對磨副的磨損質(zhì)量均遠大于未處理試樣的對磨副，以對磨副磨損質(zhì)量為評價指標，條狀、環(huán)狀、點狀和網(wǎng)狀對對磨副的損傷作用依次減小，損傷最小的網(wǎng)狀對磨副其質(zhì)量損失僅為等面積比下的條狀對磨副的55.66%，在相同的單元體面積比和幾乎相同的顯微硬度條件下，通過調(diào)整單元體的形態(tài)可以有效地減輕對對磨副的損傷作用。這是由于不同形態(tài)的非光滑表面在磨損過程中的載荷分配機制不同。

摩擦磨損；非光滑表面；對磨副；仿生工程

自然界的生物體經(jīng)過億萬年的進化，其結(jié)構(gòu)形態(tài)和綜合性能呈現(xiàn)出了對自然環(huán)境的最大適應性[1-5]。而模仿生物體的非光滑表面來提高材料的耐磨性成為近年來的研究熱點之一[6-8]。但這些研究大多只局限于非光滑試樣本身，如Sun等[2]和Song等[3]通過在試樣上進行單元的仿生來研究非光滑表面制動盤的磨損性能，發(fā)現(xiàn)非光滑表面的耐磨性優(yōu)于未處理的試樣，并從實驗的磨損質(zhì)量規(guī)律和表面的形貌給出了解釋。而Zhou等[9]和Lu等[10]則從凸起的硬質(zhì)點和軟基體結(jié)合的角度對仿生非光滑的耐磨性進行了說明。此外，Chen等還從具體的摩擦過程出發(fā)，分析了磨粒在與非光滑表面對磨過程中的具體作用機理，并建立了相應的過程模型[11-13]。以上均是針對非光滑表面本身的耐磨性進行的研究，而關(guān)于非光滑表面對對磨副的影響規(guī)律的報導較少。為此，本工作通過激光處理技術(shù)設(shè)計了4種具有不同形態(tài)的非光滑單元體，并在MMU-5G磨損試驗機上進行磨損實驗，通過電子分析天平稱量磨損前后質(zhì)量損失，利用掃描電鏡觀測磨損后的表面形貌，以期為非光滑表面對對磨副的損傷機理研究提供初步的實驗和理論依據(jù)。

1　實驗

1.1實驗材料

從沈陽機床廠提供的全新普通灰鑄鐵車床導軌上直接切取所用材料，并去掉導軌表面硬化層，取其基體的灰鑄鐵部分，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為：3.1～3.3 C，1.5～1.6 Si，0.9～1.0 Mn，≤0.06 P，≤0.07 S，≤0.5 Cu，余量為Fe。為了放大非光滑表面對對磨副的損傷作用，采用顯微硬度大于原灰鑄鐵基體、但小于經(jīng)激光處理后的非光滑單元體的20CrMnTi材料為對磨副材料。

1.2非光滑表面的設(shè)計與制備

為排除非光滑單元體占表面積比對結(jié)果的影響，在尺寸約為45mm×6mm的試樣端面上，利用激光加工出形態(tài)分別為點狀、條狀、環(huán)狀以及網(wǎng)狀的等面積比非光滑試樣，圖1是4種非光滑表面試樣的示意圖。

圖1　仿生非光滑表面試樣示意圖Fig.1　Sketch maps of specimens with bionic non-smoothed surface

激光處理的各項參數(shù)：鋸齒形波,離焦量為-5mm,電流為140A,脈寬為11.0ms,掃描速率為0.4mm/s,頻率為0.6Hz。

1.3顯微硬度及磨損實驗

利用MH-60顯微硬度計對試樣進行顯微硬度測量，測量對象包括非光滑試樣基體、點狀單元體、條狀單元體及網(wǎng)狀單元體。顯微硬度的測量在單元體的橫截面上進行，其中測試點沿表面輪廓下方約0.05mm等距軌跡，相鄰的測試點之間的間隔約為0.1mm，測量載荷為0.2kg，保載時間為10s。采用MMU-5G磨損試驗機上進行磨損實驗，摩擦副接觸形式為φ18mm×φ38mm的環(huán)狀面接觸。磨損實驗參數(shù)：室溫，無潤滑，外加載荷60N，轉(zhuǎn)速200r/min，進行50min。測量質(zhì)量前后均用軟毛刷輕刷對磨過程中產(chǎn)生的磨屑，然后利用超聲波清洗試樣20min，風干。利用精度為0.1mg的FA2004電子天平稱量并計算摩損前后的質(zhì)量損失,每組試樣測量3次后取平均值為其質(zhì)量值。采用EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣磨損后的表面形貌。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1非光滑單元體結(jié)構(gòu)及其與對磨副的顯微硬度

圖2是非光滑單元體橫截面金相顯微照片。圖2(a),(b)分別取自點狀單元體和線狀單元體?？梢钥闯?，非光滑單元體除了均由強化區(qū)、熱影響區(qū)和基體三部分組成之外， 強化區(qū)最高點以不同幅度值高出灰鑄鐵試樣的基體部分，且最高點約位于熔池的中心線位置，將沿激光處理方向(即垂直于橫截面方向)上的所有最高點連接，則可知沿著激光處理方向存在一條由最高點組成的脊線。在整個摩擦過程中此脊線起著對對磨副微觀切削的作用。強化區(qū)內(nèi)部均有形態(tài)、大小不同的封閉型缺陷存在，如強化區(qū)內(nèi)的黑色區(qū)域，此缺陷在摩擦過程中則扮演著容納摩擦屑的角色。

圖2　非光滑單元體橫截面形貌　(a)點狀單元體;(b)線狀單元體Fig.2　Cross sectional morphologies of the non-smoothed units(a)punctiform unit;(b)stria unit

圖3為試樣基體、對磨副以及4種形態(tài)下的非光滑單元體的顯微硬度分布曲線，橫坐標為測點到單元體邊界的距離。試樣基體顯微硬度HV為184～212，對磨副略高，為240～300，可見對磨副的顯微硬度以較小幅度值穩(wěn)定高于非光滑試樣基體。而4種形態(tài)下的非光滑單元體的顯微硬度則顯著高于試樣的基體及對磨副，為大于400。在4種非光滑單元體中，點狀單元體的顯微硬度以較大幅度值穩(wěn)定高于其他形式的單元體，這是因為點狀單元體在激光處理的過程中，其周圍全部被基體材料所包圍，在自冷的過程中受到更強烈的冷卻作用所致[4]；而其他形式的單元體由于激光的頻率和掃描速率配比的變化，在掃描的過程中，新的激光點對先前的冷卻點具有回火作用，而后者又因為未完全冷卻而減緩了新的激光點的冷卻速率，因此致使其他形態(tài)的單元體顯微硬度略低于點狀單元體。而由于線狀、環(huán)狀、網(wǎng)狀單元體的形成采用的是同一組激光參數(shù)，同時它們之間的單元體距離相差不大，故而其硬度值表現(xiàn)為在幾乎相同的限值內(nèi)起伏波動。

圖3　試樣基體、對磨副及單元體的顯微硬度Fig.3　Microhardness of the specimen matrix, counter pair and units

圖4　對磨副的磨損量Fig.4　Wear mass loss of the counter pair

2.2對磨副的磨損結(jié)果與分析

圖4為不同形態(tài)仿生非光滑表面的對磨副的磨損量。可以看出，在相同的實驗時間和實驗載荷下，與4種形態(tài)的非光滑表面對磨的對磨副，其質(zhì)量損失均明顯大于與未處理試樣對磨的對磨副(與未處理試樣對磨的對磨副其磨損量非常小，僅有不到2mg的損失量，故在圖4中得不到顯示)；盡管4種形態(tài)的非光滑單元體占試樣表面的面積比相同，但當對磨副與不同形態(tài)的非光滑試樣對磨時，其磨損量仍然不同。在這些與非光滑表面對磨的對磨副中，與條狀對磨的對磨副質(zhì)量損失最大，與環(huán)狀、點狀和網(wǎng)狀對磨的對磨副其質(zhì)量損失依次減小。與網(wǎng)狀單元體對磨的對磨副，其質(zhì)量損失最小，僅為與條狀對磨副磨損的55.66%。與環(huán)狀和點狀對磨的對磨副的磨損量也大約只占與條狀對磨的對磨副的85%和80%，也就是說在相同的面積比和幾乎相同的顯微硬度條件下，網(wǎng)狀的非光滑單元對對磨副的損傷最小，條狀試樣對對磨副的損傷最大，并且均遠超于與未處理試樣對磨的對磨副質(zhì)量損失。這是因為，試樣表面一旦被處理為含單元體的非光滑表面，試樣與對磨副接觸時，僅單元體頂部區(qū)域為接觸區(qū)，相較于未處理前，摩擦副間接觸面積將明顯減少，進而在壓力相同的情況下，單元體和對磨副間的接觸應力驟增，而單元體的顯微硬度又顯著大于對磨副(圖3)，因此，當對磨副間有相對滑動時，就使得單元體對對磨副形成了切削[14,15]。

圖5為條狀單元體的對磨副表面磨損后的SEM照片。由于單元體和對磨副的硬度值相差較大，同時其磨粒頂部呈圓鈍狀，因此可以看到對磨副表面有明顯的塑性變形，且劃痕長寬比較小，劃痕底部較為平整，而兩側(cè)呈光滑曲線，斷裂處呈撕裂狀，是微觀切削后塑變斷裂。而未經(jīng)激光處理的試樣，用肉眼即可清楚看到磨損表面出現(xiàn)了環(huán)狀的紅棕色和黑色覆蓋層，這是由于材料表面裸露出的具有自由鍵的原子被迅速氧化所致[2,16]，此外,在未處理試樣表面還存在少許鱗片狀凹坑及劃痕等黏著磨損。上述分析說明，從未處理試樣與對磨副形成的摩擦副到非光滑表面試樣與對磨副形成的摩擦副，其磨損機理已由輕微的黏著磨損過渡到非光滑試樣對對磨副的微觀切削機理。對比條狀和點狀非光滑表面，其對對磨副造成磨損質(zhì)量差的原因在于，點狀單元體相當于將連續(xù)的條狀單元體的一部分激光處理點去掉，同時通過增加點狀放射線的條數(shù)來保證兩者的單元體面積比相同(本實驗中的線狀放射線的條數(shù)為48條，而點狀放射線的條數(shù)為60條)。這樣相當于等面積比的條件下，點狀比條狀單元體具有更均勻的分散度，當?shù)却蟮拿娣e以更加分散的點狀形式均布于表面時，對磨副和非光滑表面的有效接觸面積得到了增大，進而單元體的壓力減小，磨粒所造成的磨損減輕。同時，點狀單元體在徑向上的不連續(xù)，對于減小對磨副的磨損同樣具有積極作用。這是因為點狀非光滑單元體在試樣表面分布的不連續(xù)性，使得單元體嵌入基體部分與固定該部分單元體的基體間形成了更大的接觸面積，而基體由于其較軟具有更大的變形能力，因此當對磨副與鑲于基體之上的點狀單元體對磨時，增大了的連接面積使得點狀試樣能夠吸收更多的形變能量[4]，從而賦予基體上的硬質(zhì)單元體更大的變形能力，進而減少單元體刺入對磨副的深度，相當于減小了微觀切削的切深，從而減輕了點狀單元體對對磨副的犁削作用。而對比點狀和環(huán)狀試樣，兩者在維持非光滑表面等面積比方面的原理類似于條狀和點狀。與點狀試樣對磨的對磨副比與環(huán)狀對磨的對磨副磨損量少，但減少的幅度卻不如與條狀對磨的對磨副，究其原因，除了上述因素之外，與環(huán)狀試樣對磨的對磨副相比于條狀而言，其還有自身獨特的減輕對對磨副損傷作用的機制，其原理圖如圖6所示。摩擦開始時的對磨副接觸形式為對磨副平面與非光滑表面的凸起相接觸(圖6(a))；隨著摩擦的進行，環(huán)狀對磨副的表面會被較硬的非光滑表面“選擇性”的微切削出對應的環(huán)狀凸起，如圖6(b)所示；當未磨損到的凸起在這種“選擇性”的微切削作用下“生長”到足夠的高度，以至于觸及非光滑試樣基體時(圖6(c))，隨著磨損的進一步進行，對磨副的凸起與試樣的基體以及非光滑表面和對磨副的凹陷將共同分擔外加載荷的壓力，進而非光滑表面和對磨副的凹陷部分之間的作用力減小，相應的其微切削切深也逐漸減小，而對磨副的凸起和非光滑試樣基體之間逐漸增大的壓力，使得對磨副和試樣的基體間形成了新的摩擦副，這樣環(huán)狀單元體的摩擦由原先的僅非光滑表面和對磨副這一對摩擦副轉(zhuǎn)為了對磨副和非光滑試樣基體同時進行摩擦的兩對摩擦副的摩擦狀態(tài)；圖6(d)為非光滑試樣基體被對磨副磨損后的表面形貌照片，虛線的左側(cè)是未受磨損的基體形貌，可以看出，虛線右側(cè)和單元體之間的基體部分遭到了“生長”到足夠高的對磨副凸起的磨損，與環(huán)狀對磨的對磨副凸起的“存在”由此可見。但僅對于對磨副而言，其磨損由于和非光滑表面的接觸壓力的減小而減弱，因此點狀對磨副相對于環(huán)狀對磨副而言，環(huán)狀試樣與對磨副形成的摩擦副其自身的磨損機制使得其磨損的程度弱于與條狀試樣對磨的對磨副。而無論是單獨的條狀單元體，還是環(huán)狀單元體，其對對磨副的損傷作用都大于兩者的結(jié)合形式——網(wǎng)狀單元體。這是因為，相比于環(huán)狀非光滑單元，網(wǎng)狀單元體多出的放射性線狀能夠通過顯著增加有效接觸面積來均化外加載荷，如圖7(a)所示，環(huán)狀單元體的脊線總是處在同一半徑上(圖7(a)的淡綠色部分)，這樣使得分布載荷大部分由其承擔，而且由于單元體的高度不一，一個環(huán)形脊線上通常只有為數(shù)很少的較高單元體承載，而網(wǎng)狀的單元體相比于環(huán)狀而言，其多出的條狀單元體(如圖7(a)中條狀磨損所示)則相當于解除了僅環(huán)狀單元體時在半徑方向承載結(jié)構(gòu)受到的限制，擴大了徑向上的承載區(qū)域，其對應的表面磨損形貌如圖7(d)所示，1，2處是單元體頂部被磨平后的形貌，其位于環(huán)狀單元體的半徑之外，可知在磨損過程中，條狀單元體的出現(xiàn)使得在承受外部載荷時擺脫了環(huán)狀單元體這一固定的徑向尺寸的限制，通過將一部分的環(huán)狀單元體面積改形為條狀單元體形態(tài)，可以降低對對磨副的磨損作用(圖7(d)，(e)中的位置3及其他凹坑或塌陷處均為單元體受到磨損后的損傷形態(tài))。而相比于條狀單元體，網(wǎng)狀中的環(huán)狀單元體又充當著 “支撐橋”作用。在載荷的作用下條狀對磨副發(fā)生輕微的彈性下凸變形，如圖7(b)中的紅色區(qū)域所示，非光滑表面首先在力的作用下刺入基體[4]，隨著相對運動的進行，刺入基體的深度相應增加，相當于切深在不斷變化，進而單元體對對磨副犁削的犁削作用增大,致使磨損速率加快，而在網(wǎng)狀的非光滑表面中，橫亙在條狀單元體之間的環(huán)狀單元體(如圖7(c)中的藍色部分所示)對于這種彈性變形恰好具有支撐作用，以橋狀的形式連接兩個條狀單元體之間的空白部分，使得其間的彈性變形減小甚至消失，當然這種支撐作用減小的程度取決于環(huán)狀單元體與條狀單元體的高度比，環(huán)狀單元高度低于條狀單元的程度越大，則環(huán)狀單元所起到的支撐功能就越小，當環(huán)狀單元體的高度低于對磨副的最大變形量時，其減弱作用隨之消失，在環(huán)狀單元體的高度和微變形具有重疊的區(qū)域內(nèi)，其能夠使非光滑表面對對磨副的刺入深度減小，進而減弱其對對磨副的犁削作用。圖7(e)為非光滑表面中的環(huán)狀高于條狀時，環(huán)狀“支撐橋”代替條狀單元體與對磨副進行的摩擦，可見環(huán)狀單元體的1，2位置處受到磨損，而條狀單元體因受到環(huán)狀單元體“支撐橋”的保護作用而未被磨損。網(wǎng)狀單元體中的環(huán)狀雖然減輕了對磨副的下凸程度，但其自身同樣會對對磨副形成磨損；但增大的接觸面積以及減小的條狀切深，使得其對減小損傷的積極作用遠大于其參與磨損后帶來的損傷作用，因此對對磨副的磨損得以弱化。所以，由于網(wǎng)狀單元體結(jié)合了條狀和環(huán)狀的優(yōu)點，其對對磨副的損傷作用不論相比于條狀還是環(huán)狀，都得到了減輕，條狀和網(wǎng)狀對磨副的質(zhì)量損失分別約為網(wǎng)狀對磨副的1.8倍和1.5倍。由此可知，以磨損質(zhì)量為衡量標準，在非光滑試樣的面積比、顯微硬度相同的情況下，對磨副的損傷程度主要由單元體的形態(tài)決定，條狀單元體對對磨副構(gòu)成的損傷最大，環(huán)狀和點狀次之，分別約占條狀的85%和80%，網(wǎng)狀對對磨副的損傷最小，約為條狀的55.66%。這主要是由于非光滑表面在磨損過程中引起的載荷分配機制不同造成的，并且通過調(diào)整單元體的形態(tài)，則可以在不改變單元體面積比的條件下，有效地減輕非光滑試樣對對磨副的損傷作用。

圖5　條狀單元體對磨副表面磨損形貌Fig.5　Worn surface micrograph of the counter pair for stria unit

圖6　環(huán)狀試樣磨損(a)磨損初期；(b)磨損中期；(c)磨損末期；(d)磨損形貌Fig.6　Wear of the cyclic specimen(a)early stage of wear;(b)middle stage of wear;(c)terminal stage of wear;(d)SEM micrograph of the worn surface

圖7　網(wǎng)狀試樣磨損(a)網(wǎng)狀單元體磨損;(b)無環(huán)狀單元體磨損;(c)環(huán)狀單元體磨損;(d)條狀單元體作用機理;(e)環(huán)狀單元體作用機理Fig.7　Wear of the grid specimen(a)wear of grid unit;(b)wear without cyclic unit;(c)wear with cyclic unit;(d)mechanism of the stria unit;(e)mechanism of the cyclic unit

3　結(jié)論

(1)未處理試樣與對磨副的磨損機制為輕微的黏著磨損，非光滑試樣與對磨副的磨損機制為微觀切削作用。

(2)非光滑試樣對對磨副損傷均遠大于未處理試樣(即光滑試樣)的對磨副，且非光滑表面的形態(tài)不同，對對磨副的損傷也不同。條狀單元體對對磨副的損傷性最大，環(huán)狀、點狀次之，網(wǎng)狀最小，約為條狀的55.66%。

(3)在等面積比和顯微硬度相同的條件下，非光滑表面對對磨副的損傷性能不同，主要是由于其在磨損過程中的載荷承擔機制不同造成的。點狀承載載荷更均勻，環(huán)狀在磨損過程中增加了對磨副和非光滑試樣基體這一摩擦副。網(wǎng)狀則結(jié)合了條狀和環(huán)狀的優(yōu)點，以環(huán)狀為“支撐橋”，以條狀增大環(huán)狀的有效接觸面積。

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Damage Mechanism in Counter Pairs Caused by Bionic Non-smoothed Surface

ZHANG Zhan-hui1,2,WANG Yi-qiang3,YE Guo-yun4,HAN Zi-yuan1,3,ZHANG Zhi-jie1,3,LUO Hai-bo3

(1 College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2 Henan Special Equipment Inspection Institute,Zhengzhou 450000,China;3 College of Mechanical and Energy Engineering,Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,Zhejiang,China;4 Ningbo Ruyi Joint Stock Company Limited,Ningbo 315615,Zhejiang,China)

Four biomimetic non-smoothed surface specimens with different shapes were prepared by laser processing. Tests were conducted on MMU-5G wear and abrasion test machine to study the influencing rule of non-smoothed surfaces on counter pairs. The results show that the mass loss of the friction pair matching with the non-smoothed units is much greater than the ones matching with the smooth specimens. The pairs matching with different non-smoothed units suffer differently. The non-smoothed surface protruding zone exerts micro cutting on counter pairs. The striation causes the greatest mass loss of the pairs than the other non-smoothed units, which almost doubles the damage of the grid ones suffering the least. The difference in pairs damage is attributed to the different mechanism of undertaking the load in the process of wear. The damage can be alleviated effectively by changing the shapes of the units without increasing or decreasing the area ratio of the non-smoothed units.

friction and wear;non-smoothed surface;counter pair;bionics engineering

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.016

TG115.5+8

A

1001-4381(2016)08-0098-06

國家科技重大專項資助項目(2012ZX04011021)；浙江省自然科學基金資助項目 (Y1110708)；寧波市自然科學基金資助項目 (2013A610152)

2014-07-25;

2015-09-21

王義強(1964-)，男，教授，博士，研究方向：數(shù)控裝備與數(shù)字制造技術(shù)、仿生導軌，聯(lián)系地址：浙江省寧波市高教園區(qū)錢湖南路1號 浙江大學寧波理工學院機電與能源工程分院(315100)，E-mail:jluwang@gmail.com