Page 115 - 摩擦学学报2025年第8期

第 8 期 肖科, 等: Lennard-Jones 势对硬涂层球-刚性平板间静摩擦行为的影响研究 1213

2
E /Y =50，黏着能δ范围为0~2 J/m ，最大静摩擦系数 2.4 E co /E su =2
co
co
μ随t/R的变化曲线. 由于E 和R固定，故无量纲法向荷 2.2 E co /E su =4
su
2.0
E co /E su =8
*
载P与P 成正比. 因此，图5(a)和图5(b)中的结果分别是 1.8
在相同法向载荷P下得到的. Maximum static friction coefficient, μ 1.6
从图6可以观察到无论是弹性还是弹塑性状态 1.4
下，最大静摩擦系数都随着黏着能δ的增大而增大. 这 1.2
1.0
说明在粗糙峰尺度内，忽略黏着，将对最大静摩擦系 0.8
数的预测造成较大误差，特别是在外法向载荷较低的 0.6
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
情况下. 并且黏着能δ不改变μ随t/R的关系趋势. 最大 Dimensionless thickness, t/R
静摩擦系数μ首先随t/R线性增加到(t/R) ，随着t/R进一 Fig. 7 Effect of E co /E su on the maximum static friction
m
步增加超过(t/R) 之后，μ又随着t/R增大而减小. 同时 coefficient
m
注意到材料参数相同时，无论是弹性还是弹塑性状态 图 7 E co /E su 对最大静摩擦系数的影响
黏着能δ对(t/R) 的影响都很小.
m
力对接触性能的影响，且使涂层的承载能力越强. 这
为了解释最大静摩擦系数在t/R中间范围内的过
解释了μ 和(t/R) 会随E /E 的增大而增大这一现象.
渡行为，文献[39]中指出，在较小的t/R时，基底是压入 m m co su
图8和图9所示分别为E /E =2、δ=0和δ=1 J/m 2
su
co
量的主要贡献者，屈服更可能起始于基底中；而在大
时，E /Y 对静摩擦系数的影响. 可以看出，在t/R较小
co
co
t/R时，涂层是主要贡献者，屈服更可能起始于涂层中.
时，E /Y 增大，静摩擦系数μ会随之增大；在t/R较大
文献[15]中研究了基底塑性水平和接触面积与t/R的关 co co
时，E /Y 增大，μ反而减小. 这是因为t/R较小时，E /Y
系. 指出静摩擦系数在t/R中间范围内的过渡行为可归 co co co co
越大，表示材料屈服强度越小，基底越弱，在相同的无
因于2种机制之间的竞争. 首先是基底塑性水平的降
*
量纲法向载荷P 下越容易发生较大范围的塑性屈服
低倾向于增大μ，其次是接触面积的减少倾向于减小μ.
变形，导致涂层表面的较大变形轮廓更加接近刚性平
对于t/R从0到(t/R) ，其中基底是切向位移u 的主要贡
x
m
板. 基底的大范围塑性屈服会使涂层/基底系统更加柔
献者，可以合理地假设第1种机制占主导地位，因此
顺，系统能够承载更大的应力和摩擦力. t/R较大时，静
t/R的增加将增加静摩擦系数. 当t/R值大于(t/R) 时，涂
m
层成为主要因素，可以合理地假设第2种机制占主导 摩擦系数主要受涂层材料性质的影响，E /Y 越大，
co
co
*
表明涂层越弱，相同P 下，接触面积越小，从而导致摩
地位，t/R的增加将降低静摩擦系数.

3.4 材料参数(E /E 和E /Y )对最大静摩擦系 擦系数越小.
co
co
su
co
数的影响
为了揭示存在黏着时材料参数对静摩擦系数的 1.1 E co /Y co =40
E co /Y co =50
影响，基于图6的参考情况进行了参数化研究. t/R取值范 1.0 E co /Y co =60
*
围为0.003~0.150，无量纲载荷P =2. 选取无量纲材料参 0.9
数为E /E =2、4、8；E /Y =E /Y =E /Y =40、50、60. Maximum static friction coefficient, μ 0.8
su
co
co
co
su
co
co
su
2
图7所示为黏着能δ=1 J/m 、E /Y =50时，无量纲
co co
材料参数E /E 对静摩擦系数的影响，从图7中可以看 0.7
su
co
出E /E 增大会增大静摩擦系数μ. 这是因为对于弹性 0.6
co
su
模量较大的硬质涂层，在相同的无量纲法向载荷和黏 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Dimensionless thickness, t/R
着能下，涂层表面接触区边缘的向上变形趋势使得基
底所受的平均压力减小，因而基底发生塑性变形的区 Fig. 8 Effect of E co /Y co on the maximum static friction
coefficient when δ=0
域及塑性应变也将减小. 由3.3节所述，基底塑性水平 图 8 δ=0 J/m 时E co /Y co 对最大静摩擦系数的影响
2
降低将增大静摩擦系数.
2
同时，E /E 和t/R越大，表示涂层球体的刚性越 对比δ=0和δ=1 J/m 的情况，发现存在黏着能时，
su
co
大，这会使得黏着分离力越小，涂层的弹性恢复趋势 E /Y 越大，μ 越大，(t/R) 越小，而无黏着时恰好相
co
m
m
co
*
[41]
也更强 . 这表明厚的硬质涂层有利于抵抗表面黏着 反. 这是因为E /Y 越大，相同无量纲载荷P 下，对应
co
co