Page 135 - 《摩擦学学报》2021年第1期
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132 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
完全滑移，接触表面发生了严重的磨损，大量磨屑堆 磨损深度和磨损体积在一定程度上反映了微动对基
积在磨痕一侧，这可能是由于试验样品未放置在绝对 体材料的影响程度，由上述结果可以看出，在位移较
水平位移所致；接触中心发生了严重的材料损失，最 小时(不超过10 μm)，微动对基体表面只产生轻微的影
大磨损深度约为20 μm. 响. 当位移增至20 μm时，接触表面处在黏着状态，没
图7是不同位移幅值下的磨损深度及磨损体积. 有发生严重的磨损，但黏着区产生的宏观应力促成了
根据图7(a)可以看出，在接触表面未发生完全滑移之 疲劳裂纹在黏着区和微滑区的边界处萌生并向内扩
前，最大磨损深度随着位移幅值的增加而增加，尤其 展，对基体材料的疲劳寿命造成严重影响. 位移幅值
是位移幅值D=40 μm时，最大磨损深度值急剧上升， D=40 μm时，接触中心严重的塑性变形导致疲劳裂纹
较20 μm时增加三倍左右；而当接触表面发生完全滑 迅速扩展至接触表面，形成疲劳剥层，对基体表面的
移后，最大磨损深度减小，并随着位移幅值增加有上 影响深度最大，对基体造成的损害也最大. 当微动状
升的趋势. 根据图7(b)可以看出，磨损体积随着位移幅 态进入完全滑移后，接触表面覆盖的塑性变形层保护
值的增加而增加，尤其是进入完全滑移区后，体积损 基体被进一步损伤，最大磨损深度并不是太大，但滑
失急剧增加，位移幅值D=40 μm时，材料损失也相对 移造成的体积损失非常严重. 所以，接触表面处在完
较大，这与形貌中观察到材料疲劳剥落的特征相一致. 全滑移状态时，表面损伤主要以磨损为主.
70 242
(a) (b)
231
60
220
50 209
Wear depth/μm 40 Wear volume×10 −6 /μm 3 16 8 4
12
30
20
0.50
10 0.75
0.25
0 0.00
2.5 5.0 10 20 40 60 80 2.5 5.0 10 20 40 60 80
Displacement amplitude/μm Displacement amplitude/μm
Fig. 7 Wear depth and wear volume of wear scars under different displacement amplitudes
图 7 不同位移幅值下的材料磨损深度图及磨损体积图
2.4 磨痕形貌及损伤机制 裂纹，变形的材料被挤压成片层状分布在微滑区. 位
借助扫描电子显微镜对不同位移幅值下的磨痕 移幅值增至20 μm，图8(c)所示，接触区仍然处在黏着
形貌进行微观分析. 图8(a)是位移幅值为D=2.5 μm的 状态，黏着接触面积进一步增加，接触中心的黏着接
形貌图，磨痕全貌呈现为中心的黏着区和边缘薄的环 触点承受更加强烈的剪切作用后发生了塑性流动，呈
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形微滑区. 磨痕中心没有滑动和塑性变形的痕迹，只 现“爪痕”的形状 . 黏着区和微滑区边界处塑性变形
有少量粗糙接触留下的痕迹；磨痕边缘放大图观察到 更加剧烈，并在此处萌生了更大、更深的疲劳裂纹.
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轻微摩擦的痕迹，这与Mindlin接触模型 一致，接触 当位移D=40 μm时，接触中心在黏着状态下发生
中心处在黏着状态，而接触边缘存在1个环形微滑区， 强烈塑性流动，接触边缘有相对滑移的痕迹，接触状
施加的切向位移被接触点的弹性变形协调. 图8(b)是 态仍然处在部分滑移状态. 从图9(a)可以看出，边缘的
位移幅值D=10 μm时的磨痕形貌. 接触中心出现了大 滑移区面积变大，且表面有明显磨粒磨损的痕迹，周
量接触“斑点”，这些“斑点”正是接触表面的粗糙接触 围分布了大量磨屑颗粒. 磨痕中心区域观察到材料疲
点在黏着状态下被剪切后留下的痕迹，且剪切程度由 劳剥落留下的凹坑和开裂断面，以及塑性流动的痕迹.
接触中心向外逐渐增加，在边缘附近形成局部大面积 不同阶段产生不同程度的塑性流动形成了不同的变
的黏着区域，说明实际接触面积随位移的增加而明显 形边界，并在此处产生应力集中，在循环应力作用下
增加. 黏着区和微滑区的边界处(也是切应力峰值 萌生大量的疲劳裂纹. 在黏着区和滑移区边界处形成
处)发生塑性变形，并在循环应力作用下，萌生了疲劳 的疲劳裂纹在循环切应力作用下迅速扩展至接触表
