Page 70 - 《摩擦学学报》2021年第2期
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第 2 期 景鹏飞, 等: 载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响 215
5 000
TC4 (H=5.60 GPa, E=127.56 GPa)
DLC (H=12.88 GPa, E=94.25 GPa)
4 000
Penetration load/µN 3 000
2 000
DLC 1 000 Loading Unloading S p max
Cr interlayer
5 μm 0
Substrate 0 40 80 h f 120 h max
Penetration depth/nm
(a) The morphology of cross-section (b) Load-displacement of Nanoindentation
Fig. 1 (a) The morphology of cross-section，(b) Load-displacement curves of nanoindentation of DLC film
图 1 DLC薄膜断面形貌、纳米压痕载荷-位移曲线
性模量. DLC薄膜的纳米压痕载荷-位移曲线如图1(b) 定. 因此，DLC摩擦系数曲线可以分为跑合、下降和稳
所示. 加载与卸载曲线均未呈线性关系. 在4.05 mN的 定3个阶段. 位移幅值越大，排屑能力不断增强，磨损
最大法向载荷下，DLC薄膜的最大穿透深度分别为 机理由磨粒磨损向黏着磨损转变. 由此位移幅值越
150 nm. DLC薄膜的硬度和弹性模量分别为12.88和 大，摩擦系数越大. 此外，不同法向载荷水平对摩擦系
94.25 GPa，膜基结合力为15 N. 数影响也很大. 弹性接触情形下，10 N时的摩擦系数
2.2 微动磨损试验分析 约为0.02~0.03，小于5 N时的摩擦系数0.03~ 0.04. 非弹
2.2.1 F -D-N曲线和微动图分析 性接触情形下，20 N时的摩擦系数约为0.10~0.12，50 N
t
根据采集的数据绘制DLC薄膜的F -D-N曲线，如 时的摩擦系数0.11~ 0.15. 这可能是由于大载荷下DLC
t
[11]
图2所示. 位移幅值D=25 μm时，载荷P为5、10、20和 薄膜过高的石墨化程度导致摩擦系数上升 ，抑或表
50 N以及D=50 μm时，载荷P为50 N条件下，F -D曲线 面完整性丧失导致摩擦系数上升.
t
从初始的直线转变为平行四边形型，DLC薄膜滑移状 载荷和位移幅值对DLC薄膜磨损性能的影响如
态由部分滑移转变为完全滑移. 这时，DLC薄膜状态 图5所示. 相同载荷下，磨损体积均随着位移振幅的增
为混合滑移. 位移幅值D=100 μm时，F -D曲线都为平 大而增大. DLC薄膜表现出随位移幅值增加磨损率逐
t
行四边形，表明微动状态为完全滑移. 同时，位移幅值 渐降低的规律，且载荷越大，磨损率越小. 载荷增大有
D=25 μm时，磨损形式是磨粒磨损，切向摩擦力波动 利于磨损率降低，源于其石墨化程度不同. 载荷越大，
较小. 位移幅值D=100 μm时，磨损形式是黏着磨损， 石墨化程度越大，可以降低磨损；位移幅值对磨损率
的影响，源于磨损形式不同. 这是因为位移幅值不仅
切向摩擦力波动较大.
最典型的运行工况微动图基于法向载荷与位移 影响微动磨损滑移状态，也影响其损伤机理. 小位移
幅值. 在试验频率一定条件下，将微动参数位移幅值 幅值时，磨屑难于排出，以磨粒磨损为主，大位移幅值
和法向载荷设置为不同的值可以得到DLC薄膜的运 时，有利于磨屑排出，磨损机理以黏着磨损为主. 故磨
行工况微动图，如图3所示. DLC薄膜的运行工况微动 粒磨损比黏着磨损状态下的磨损率大. 此外，载荷为
图由混合滑移以及完全滑移两部分组成. 在较低法向 50 N，位移幅值为100 μm时，取得最小磨损率约为
−8
3
2.13×10 mm /(N∙m).
载荷或较大位移幅值下，完全滑移(GSR)占主导地位.
在 较 高 法 向 载 荷 或 较 小 位 移 幅 值 下 ， 混 合 滑 移 摩擦学研究中，虽然Archard是最普遍磨损模型，
但其没有考虑摩擦对磨损的影响. 摩擦耗散能是研究
(MSR)占主导地位. 因此，载荷及位移幅值对DLC薄膜
微动磨损中的重要参数 . 图6(a)为摩擦耗散能曲线，
[3]
微动运行行为具有显著性的影响.
由公式(1)计算得到，式中P为法向载荷，μ为摩擦系
2.2.2 微动摩擦磨损特性分析
数，D为位移幅值.
图4为DLC薄膜的摩擦系数曲线. 由于黏着的影
响，微动初期摩擦系数较高. 之后随着摩擦升温并伴 n ∑
E d = 4PµD (1)
随DLC薄膜石墨化进程，导致摩擦系数降低并趋于稳 i=1
