南理工材料學(xué)院陳翔教授團(tuán)隊納米金屬摩擦學(xué)取得重要突破

南京理工大學(xué)陳翔教授團(tuán)隊在《物理評論快報》發(fā)表研究，揭示納米孿晶金屬在全尺度摩擦載荷下的摩擦磨損標(biāo)度律及變形機(jī)制，為設(shè)計低摩擦高耐磨金屬材料提供新思路，豐富了納米孿晶金屬摩擦學(xué)的基本理論。

近日，南京理工大學(xué)材料學(xué)院納米異構(gòu)材料中心陳翔教授團(tuán)隊在《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線發(fā)表了題為“Full-scaling friction and wear laws of nanotwinned metals”(納米孿晶金屬的全尺度摩擦磨損標(biāo)度律)的研究論文，該論文是納米金屬摩擦學(xué)領(lǐng)域的首篇PRL工作。南京理工大學(xué)為論文第一完成單位和通訊單位，南京理工大學(xué)陳翔教授和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所?？煽裳芯繂T為共同通訊作者，南京理工大學(xué)林研副教授、張子悅碩士生和香港城市大學(xué)博士后段峰輝為論文共同第一作者。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(jī)械強(qiáng)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前期的性能表征，發(fā)展到揭示突破傳統(tǒng)標(biāo)度律和新型變形機(jī)制。例如，當(dāng)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(jī)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(qiáng)度隨片層厚度減小而下降。相反，在納米孿晶Ni中，由于孿晶界穩(wěn)定性增強(qiáng)，造成位錯持續(xù)塞積以及變形過程形成二次孿生，其壓縮強(qiáng)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(yuǎn)比單軸加載更為復(fù)雜，且受外部加載尺度的影響，這造成揭示摩擦加載下孿晶片層厚度依賴的標(biāo)度律及變形機(jī)制面臨嚴(yán)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(biāo)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(biāo)度律及變形機(jī)制
針對上述難題，陳翔教授團(tuán)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(biāo)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層現(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(jī)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)，造成納米孿晶鎳的摩擦系數(shù)隨孿晶片層厚度減小呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。在微米加載尺度(500 – 1000 mN)，超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)下降相變能壘，促進(jìn)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，造成摩擦系數(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)，造成磨損率急劇增加。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層變形新機(jī)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(fèi)專項資金資助項目等項目支持。