Page 35 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 刘聪, 等: 镀铜钢纤维和合金化增强FeS/Cu-Bi自润滑材料的性能研究 1289

(a) (b) (c) (d)
Holes after steel fiber
drawing

Dimple
100 μm 100 μm 10 μm Dimple 10 μm

(e) (f) (g) (h)

Dimple
Dimple Dimple

10 μm 10 μm 10 μm Dimple 10 μm

Fig. 5 SEM micrographs of impact cross-sections of materials containing copper plated steel fibers of different lengths:
(a) 1 mm and 3 mm; (b) 5 mm; (c) 0 mm; (d) 1 mm; (e) 3 mm; (f) 5 mm; (g) 7 mm; (h) 9 mm
图 5 含不同长度镀铜钢纤维的材料冲击断面SEM照片：(a) 1 mm和3 mm；(b) 5 mm；(c) 0 mm；(d) 1 mm；(e) 3 mm；
(f) 5 mm；(g) 7 mm；(h) 9 mm

这是由于钢纤维具有较高的硬度，随其长度增加，钢 当材料中不包含钢纤维时，初始条件下滑动摩擦系数
纤维平铺在材料中，从而导致材料硬度增加. 图6(b)所 较小约为0.2，滑动时间达到900 s之后摩擦系数增大
示为材料冲击韧性和压溃强度随钢纤维长度的变化， 至0.25并趋于稳定. 材料中钢纤维长度为1 mm时，在
随钢纤维长度从0 mm增大至5 mm，材料压溃强度也 整个滑动过程中摩擦系数呈现出较大波动，钢纤维长
从230 MPa增大至300 MPa，之后随钢纤维长度增加， 度为3 mm时，在滑动的750 s内波动较大，之后保持平
材料压溃强度几乎稳定在305 MPa左右. 材料的冲击 稳. 当钢纤维长度继续增加，滑动摩擦系数达到稳定
韧性受钢纤维长度影响更为敏感，随钢纤维长度增加 的时间逐渐减小且摩擦系数波动也更小. 图7(b)所示
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2
材料的冲击韧性从2.35 J/cm 增大至3.6 J/cm ，提升了 为复合材料的平均摩擦系数和平均磨损率，当材料中
53%，在钢纤维长度为7 mm时，材料的冲击韧性达到 无钢纤维时，材料平均摩擦系数和磨损率分别为
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-5
稳定. 当钢纤维长度低于5 mm时，其在材料内部主要 0.255和4.0×10 mm /(N·m). 随钢纤维长度增加，材料
发挥加强作用而不能起到很好的连接作用，随钢纤维 平均摩擦系数和平均磨损率均先降低后增大，在钢纤
长度增加，钢纤维与铜合金基体利用界面的粘结强度传 维长度为7 mm时，材料的平均摩擦系数和磨损率达到
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-5
递内力，从而提升材料冲击韧性，但是由于钢纤维和铜合 最小分别为0.21和1.8×10 mm /(N·m)，相比无钢纤维的
金基体自身力学性能的差异，承受强烈冲击时会引发界 自润滑材料减摩和耐磨性能分别提升了17.6%和55%.
面失效，使钢纤维从铜合金基体中被拉拔出来[图5(b)]. 图8所示为含不同长度镀铜钢纤维的FeS/Cu-Bi自
2.5 材料摩擦学性能 润滑材料及对偶件表面光学显微镜和SEM照片，图8(a)
图7(a)所示为材料滑动摩擦系数随时间的变化， 和(c)所示分别为含长1 mm和7 mm镀铜钢纤维材料的

8.0 85 4.0 380

(a) (b)
7.7 80 3.6 340
Density/(g/cm 3 ) 7.4 75 Hardness/HRB Impact toughness/(J/cm 2 ) 3.2 300 Crushing strength/MPa

70
2.8
7.1
260
6.8 Density 65 2.4 Impact toughness 220
Hardness Crushing strength
6.5 60 2.0 180
0 1 3 5 7 9 11 0 1 3 5 7 9 11
Steel fiber length/mm Steel fiber length/mm
Fig. 6 (a) Density, hardness, (b) impact toughness and crushing strength of materials
图 6 (a) 材料密度、硬度，(b) 冲击韧性和压溃强度