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《Nature Commun》孪晶界滑动摩擦的剪切变形机制

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在摩擦载荷作用下,位错介导的塑性变形决定性地影响许多金属滑动界面处的摩擦系数和微观结构变化。近日,来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究者探索了在铜孪晶界附近由摩擦引起的微观结构变化。相关论文2月12日发表在《Nature Communications》。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14640-2

摩擦学研究相对运动相互作用的表面的摩擦,磨损和润滑。最近的研究证实,摩擦和磨损在交通运输等领域全球能源消耗具有重大影响。这说明了材料摩擦学领域基础研究和应用研究的重要性。摩擦载荷通常会在构成滑动界面的一个或两个物体的次表面区域引起塑性变形和微观结构变化。这种改变导致材料在结构上和化学性质上都可能不同。这些微观结构的变化改变了材料在次表面以内区域的特性,进而影响了摩擦和磨损。

但是,潜在的基本变形机制还不够清楚,无法进行系统的修改,甚至无法进行预测性模拟。纳米晶体结构的原子模拟表明,不同晶粒中塑性变形和晶粒旋转的不均匀性在摩擦引起的变形和磨损中起着重要作用。在实验上,对控制摩擦载荷早期阶段的基本机理研究较少,尽管它们在决定摩擦接触的发展方面似乎很重要。

本文作者曾报道过一种独特的水平线特征,它存在于铜样品与蓝宝石球干燥滑动摩擦条件时表面下方约150 nm均匀深度处。由于发现这些线由位错组成,因此将其命名为水平位错迹线(dislocation traces lines ,DTL)。DTL是微观结构中的第一个不连续点,因此对于进一步的微观结构演变起决定性作用。

图1:在双边界(TB)附近进行单次滑动通过后,摩擦变形微观结构的STEM明场图像。

在本研究中,作者研究了高纯铜单次滑动通过后DTL与相干∑3孪晶界(TB)的相互作用。在与滑动界面下方的孪晶界相互作用时,观察到两条不同的水平位错迹线(dislocation traces lines ,DTL)。DTL的形成似乎不受孪晶界的影响,但孪晶界可作为发生变形的指标。详细的(扫描)透射电子显微镜研究包括自动晶体取向映射(ACOM),揭示了这种水平微结构不连续性的特征。这些方法可以研究早期滑动期间在滑动界面下方发生的塑性变形的特征。

图2:在TB附近滑行一次后,摩擦变形的微观结构的晶体学取向数据(ACOM)。

图3:在摩擦载荷过程中,孪晶界(TB)附近产生的关键特征和相关基本过程的模型概念。

总的来说,可以确认有三个同时发生的基本过程:在滑动方向上对次表面区域的简单剪切,在主要DTL处的局部剪切,在DTL上方和之间围绕平行于横向轴的晶体旋转。晶体取向分析证明了这些过程具有很强的兼容性。定量分离这些不同的变形机制对于未来摩擦接触的预测建模至关重要。

图4:TB反映的剪切和晶体旋转过程的兼容性分析。

来源:材料科学与工程公众号。作者:董瑞。

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