表面微凹坑和紋理方向?qū)缑婺Σ恋鸟詈嫌绊?/h1>
2017-06-15 17:02:21候麗霞劉小君
中國機(jī)械工程 2017年11期
候麗霞 劉小君 張 彤 劉 焜
合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009
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表面微凹坑和紋理方向?qū)缑婺Σ恋鸟詈嫌绊?/p>
候麗霞 劉小君 張 彤 劉 焜
合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009
選取三種不同紋理的鋁合金試樣，并在試樣上加工不同面積占有率的規(guī)則圓形微凹坑，利用自制的摩擦試驗(yàn)裝置，在油潤(rùn)滑條件下以不同接觸壓力進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中滑動(dòng)方向與表面紋理方向的夾角分別為0°、45°、90°。利用非接觸式三維輪廓儀測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的三維表面形貌，并選取Sa、Str、Vvv、Vvc等表面表征參數(shù)來分析滑動(dòng)接觸界面表面形貌的變化。結(jié)果表明：表面紋理方向的差異導(dǎo)致鋁合金表面在滑動(dòng)接觸摩擦過程中表現(xiàn)出各向異性，而在其表面加工不同面積占有率的微凹坑，減弱了鋁合金表面紋理方向性對(duì)界面摩擦的影響，反映出表面微凹坑和紋理對(duì)界面摩擦的耦合作用。同時(shí)界面摩擦對(duì)試件的表面形貌也有明顯的影響，Str、Vvv、Vvc在試驗(yàn)后發(fā)生了規(guī)律性的變化。
各向異性；表面紋理；表面微凹坑；三維形貌表征參數(shù)；摩擦因數(shù)
0 引言
表面微凹坑和紋理特性對(duì)接觸界面間的摩擦具有重要影響。對(duì)于表面紋理特性，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度開展了相應(yīng)的研究工作。SAHA等[1]在材料成形模擬實(shí)驗(yàn)中，通過平行及垂直于表面紋理方向拉伸和滑動(dòng)，分別探究了噴砂和光滑鋁合金表面的摩擦特性。RASP等[2]通過平行和垂直于測(cè)試方向?qū)υ嚇颖砻孢M(jìn)行粗磨，制備不同的初始試樣表面進(jìn)行摩擦測(cè)試，從而探究表面形貌方向性的影響，并對(duì)表面形貌方向性的影響以及潤(rùn)滑油和表面粗糙度算術(shù)平均值的影響進(jìn)行比較。MENEZES等[3]在傾斜劃痕儀上，通過在干摩擦和潤(rùn)滑條件下控制滑動(dòng)方向與磨削方向的夾角在0°到90°之間，探究了表面磨痕的方向?qū)缑婺Σ恋挠绊懀⑼ㄟ^掃描電子顯微照片觀察到轉(zhuǎn)移層的形成。LIU等[4]通過板材拉延試驗(yàn)研究鋁合金的紋理方向?qū)饘侔辶铣尚芜^程中摩擦性能的影響，將紋理方向和滑動(dòng)方向間的夾角分別設(shè)置為0°、30°、45°、60°、90°，結(jié)果表明，由于滑動(dòng)方向和紋理方向夾角不同，鋁合金表面在拉延過程中表現(xiàn)出各向異性，且當(dāng)滑動(dòng)方向與紋理方向平行時(shí)，摩擦因數(shù)最大。ESMAEILIZADEH等[5]選用AA1200鋁合金試樣，在三種不同角度(軋制方向(RD)、45°和90°方向)下進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，以確定用于模擬所需的機(jī)械性能參數(shù)；并根據(jù)各向同性和各向異性屈服準(zhǔn)則，采用有限元軟件分析鋁合金薄板拉深成形過程，發(fā)現(xiàn)使用各向異性屈服準(zhǔn)則模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更吻合。肖驥[6]選取軋制后的7000系列鋁合金，針對(duì)從不同平面上截取的光滑試樣進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同截面上的疲勞極限具有明顯的各向異性。郭加林等[7]選取綜合性能較好的2524鋁合金，對(duì)冷軋態(tài)與T3態(tài)的鋁合金試樣沿軋向、橫向以及與軋制方向成30°、45°、60°角的總共五個(gè)方向上取得拉伸試樣，通過測(cè)試觀察發(fā)現(xiàn)，不同取向條件下的鋁合金薄板的拉伸力學(xué)性能不同，且晶粒織構(gòu)與平面各向異性密切相關(guān)。巫榮海[8]探究了6061鋁合金板在厚度方向及縱向-橫向存在各向異性的原因，即晶界強(qiáng)化和織構(gòu)差異。
從表面織構(gòu)的角度，歷建全等[9]介紹了表面微織構(gòu)的概念以及加工方法，指出不同深度、不同形狀以及不同密度的表面微凹坑具有不同的減摩效果，王洪濤等[10]利用數(shù)值模擬的方法研究了具有微圓柱凹坑織構(gòu)的平面在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦性能，分析了微凹坑深度、半徑等織構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)摩擦力和動(dòng)壓承載能力的影響，發(fā)現(xiàn)增大凹坑半徑可以同時(shí)提升承載能力和減小摩擦力，當(dāng)凹坑深度為20 mm時(shí)，承載能力最好。COSTA等[11]研究了表面微造型對(duì)往復(fù)滑動(dòng)接觸界面摩擦潤(rùn)滑的影響，發(fā)現(xiàn)微造型表面有利于潤(rùn)滑油膜的形成，當(dāng)表面溝槽的方向垂直于拉延方向時(shí)，界面間摩擦力明顯減小。TANG等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究表面織構(gòu)對(duì)減少摩擦和磨損的影響，分析不同面積占有率的微凹坑的減摩效果，結(jié)果表明，當(dāng)微凹坑面積占有率為5%時(shí) ，減摩和減損效果最好，減摩率和減損率分別達(dá)38%和72%。SUDEEP等[13]在邊界、混合潤(rùn)滑的條件下研究了軸承鋼球微織構(gòu)表面進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)、滾動(dòng)時(shí)的摩擦磨損性能，并分析了滑動(dòng)、滾動(dòng)速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響。KURNIAWAN等[14]通過在6061鋁合金和1045碳鋼外圓柱表面上加工微織構(gòu)來探究對(duì)減少摩擦的影響，并開展實(shí)驗(yàn)來探究表面織構(gòu)是否能改善圓柱接觸表面的潤(rùn)滑特性。楊本杰等[15]設(shè)計(jì)了一種新型的拉延摩擦試驗(yàn)裝置，在油潤(rùn)滑條件下，針對(duì)不同表面形貌的鋁合金試樣，在不同滑動(dòng)速度與接觸壓力的條件下進(jìn)行一系列摩擦試驗(yàn)，研究表面形貌對(duì)塑性變形接觸界面摩擦行為的影響。
上述研究主要側(cè)重表面紋理方向性或單獨(dú)的表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響，本文針對(duì)鋁合金材料進(jìn)一步探討表面微凹坑和表面紋理方向性對(duì)接觸界面間摩擦特性的綜合影響，從而為改善界面摩擦性能提供依據(jù)。本文將激光微造型技術(shù)[16]應(yīng)用于不同紋理的鋁合金表面，在試樣表面上加工出不同面積占有率[17]的微凹坑，采用自行搭建的摩擦測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，在油潤(rùn)滑條件下設(shè)定不同的接觸壓力，進(jìn)行一系列摩擦試驗(yàn)，測(cè)試不同紋理的微凹坑表面在滑動(dòng)過程中的摩擦因數(shù)，并利用三維輪廓儀測(cè)量摩擦試驗(yàn)前后試樣表面三維表征參數(shù)[18]，并分析參數(shù)的變化規(guī)律，從而探究表面微凹坑和表面紋理方向性對(duì)接觸界面間摩擦的綜合影響。
1 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料
圖1是試驗(yàn)裝置的示意圖。該試驗(yàn)裝置裝有拉力傳感器和壓力傳感器，滑動(dòng)接觸界面由上下模具和試樣構(gòu)成，試樣與模具之間的摩擦力由拉力傳感器測(cè)出，接觸壓力由上模具頂部的壓力傳感器測(cè)出。摩擦力和接觸壓力由Wide Plus-18無紙記錄儀記錄并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)OBSERVERⅡ軟件，該軟件記錄和保存摩擦力、接觸壓力數(shù)據(jù)，摩擦因數(shù)試驗(yàn)前，將模具表面拋光至0.03 μm，在模具和試樣表面添加適量的潤(rùn)滑劑并裝夾好上下模具和試樣，旋轉(zhuǎn)加載旋鈕，使得上下模具相互壓緊試樣并達(dá)到預(yù)先設(shè)定的接觸壓力。設(shè)置一定的滑動(dòng)速度，開啟伺服電動(dòng)機(jī)，絲杠滾動(dòng)并帶動(dòng)滑塊滑動(dòng)，試驗(yàn)開始。
μ=FR/(2FN)
式中，F(xiàn)R為摩擦力；FN為正壓力。
1.伺服電機(jī) 2.減速器 3.絲杠 4.滑塊 5.拉力傳感器 6.下模具 7.試樣 8.上模具 9.壓力傳感器 10.加載彈簧 11.加載旋鈕圖1 拉延試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of drawing test machine
在試驗(yàn)中，試樣材料采用6061鋁合金，試驗(yàn)裝置中的上下模具材料為Cr12，表面經(jīng)高頻淬火處理，硬度為58～60HRC。6061鋁合金的力學(xué)性能見表1。通過顯微鏡觀察到，鋁合金表面存在單相紋理。試樣尺寸為220 mm×12 mm×1 mm。試驗(yàn)過程中，試樣的滑動(dòng)長(zhǎng)度為100 mm。
1.2 試驗(yàn)材料切割及表面微織構(gòu)制備
使用金屬板料切割機(jī)，沿與鋁合金表面初始紋理方向分別成0°、45°、90°的三個(gè)方向上切取試樣，如圖2所示。然后用粒度為320的砂紙打磨試樣邊緣，去除毛刺。
表1 6061鋁合金的力學(xué)性能
圖2 6061鋁合金試樣切割方向Fig.2 Cutting direction ofaluminum alloy 6061
為了探究表面形貌結(jié)構(gòu)對(duì)6061鋁合金表面摩擦特性的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[17，19]設(shè)計(jì)了五組不同面積占有率的微凹坑，并在上述三種不同紋理試樣表面進(jìn)行激光加工：微織構(gòu)圖案總尺寸為10 mm×10 mm，微凹坑形狀選擇為規(guī)則圓形，面積占有率分別設(shè)計(jì)為0、6%、12%、18%、24%，共五組，依次命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，具體參數(shù)見表2。
表2 試樣激光微織構(gòu)加工參數(shù)
采用YLP-F10光纖激光打標(biāo)機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行激光微造型。在打標(biāo)過程中，調(diào)節(jié)打標(biāo)參數(shù)并配合使用HT-SURF10000型輪廓儀和電子顯微鏡成像系統(tǒng)，改變打標(biāo)參數(shù)，得到深度為8～9 μm的圓形微凹坑。經(jīng)過多次嘗試，得到最終打標(biāo)參數(shù)如下：激光輸出功率為3.0 W，打標(biāo)速度為300 mm/s，打標(biāo)次數(shù)為2。激光加工完成后，用粒度為2000的金相砂紙打磨，去除邊緣毛刺，使微織構(gòu)邊緣表面和基面在同一平面上。最后使用丙酮在超聲清洗器中清洗10 min。
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)過程中，潤(rùn)滑劑選用32號(hào)機(jī)械油，實(shí)測(cè)40 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度為33.5 mm2/s。試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，試樣的滑動(dòng)方向與模具的裝夾方向垂直，與三種試樣表面紋理方向的夾角分別為0°、45°、90°。
設(shè)定試樣的滑動(dòng)速度為1 mm/s，滑動(dòng)接觸載荷分別為980 N、1960 N、2940 N、3920 N，試樣與模具的接觸面積為48 mm2，故相應(yīng)的接觸壓力分別為20.4 MPa、40.8 MPa、61.3 MPa和81.7 MPa。通過試驗(yàn)，在不同接觸壓力下測(cè)得不同表面形貌的鋁合金試樣表面的摩擦因數(shù)。
1.4 試樣表面形貌的三維測(cè)量與表征
為了描述試驗(yàn)前后鋁合金板表面形貌的變化，采用三維表面形貌參數(shù)對(duì)表面進(jìn)行表征，本文選取高度參數(shù)Sa、空間參數(shù)Str、功能參數(shù)Vvv和Vvc。其中，Sa為表面高度算術(shù)平均偏差，是對(duì)表面高度總體的度量，是表征表面粗糙度最常用的三維表面形貌參數(shù)之一。Str是表面紋理縱橫比，主要用于表征表面紋理特征、辨識(shí)形貌類型，Str接近于0，說明表面是各向異性的，表面上有主導(dǎo)性的紋理存在；Str接近于1，表明紋理各向同性，在不同的方向上有較統(tǒng)一的紋理形貌。Vvv和Vvc分別是表面承載率為80%～100%和10%～80%時(shí)的平均空體體積，用來描述表面形貌的微觀結(jié)構(gòu)特性，空體體積體現(xiàn)了表面存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的能力。
試驗(yàn)前后，使用Talysurf CCI 2000白光干涉三維輪廓儀進(jìn)行表面形貌測(cè)量。該高精度輪廓儀采用最先進(jìn)的白光干涉技術(shù)和相關(guān)相干算法，通過建立模板，能夠計(jì)算出帶光源相干峰與相位的位置。圖3為試驗(yàn)前微凹坑面積占有率A=6%時(shí)的三種紋理表面三維掃描圖像。試驗(yàn)前三維表面形貌的表征參數(shù)見表3。
2 結(jié)果與討論
2.1 微織構(gòu)及紋理對(duì)鋁合金表面摩擦特性的影響
為了驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性，用未微造型平行紋理試樣在不同接觸壓力下測(cè)試摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況。圖4所示為試樣滑動(dòng)速度為1 mm/s、使用32號(hào)機(jī)械油潤(rùn)滑、潤(rùn)滑劑的使用量為1.0 g/m2的條件下，平行紋理表面在不同的接觸壓力下摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖4可見，在試驗(yàn)開始3～5 s之后，摩擦因數(shù)基本趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大波動(dòng)，故測(cè)試過程具有良好的穩(wěn)定性。
(a)平行紋理
(b)45°夾角紋理
(c)垂直紋理圖3 試驗(yàn)前A=6%時(shí)三種紋理表面三維掃描圖像Fig.3 3D scanning images of three textural surface with 6% microcavity
表3 試驗(yàn)前三維表面形貌的表征參數(shù)
圖4 平行紋理表面在不同接觸壓力下摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.4 Trace of parallel textural surface friction coefficient under different pressure
不同接觸壓力下，表面微凹坑及紋理對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原始試樣表面，在不同的接觸壓力下，由于試樣表面紋理方向與滑動(dòng)方向夾角不同，表面摩擦因數(shù)存在一定差異，且隨著接觸壓力的增大，差異越來越明顯。當(dāng)試樣表面紋理方向平行于滑動(dòng)方向時(shí)，摩擦因數(shù)最大。隨著試樣表面紋理方向與滑動(dòng)方向夾角α的增大，摩擦因數(shù)減小，并且當(dāng)α=90°、接觸壓力p為81.6 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)最小。從而可知在一定接觸壓力范圍內(nèi)，表面的紋理方向與滑動(dòng)方向一致時(shí)，摩擦因數(shù)最大；當(dāng)表面紋理方向與滑動(dòng)方向垂直時(shí)，摩擦因數(shù)最小。當(dāng)試樣表面的紋理方向與滑動(dòng)方向夾角不同時(shí)，所測(cè)得的摩擦因數(shù)不同，由此可得6061鋁合金表面具有各向異性，即鋁合金表面紋理方向?qū)瑒?dòng)接觸界面間的摩擦性能有一定影響。
圖5 不同接觸壓力下表面微織構(gòu)及紋理對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.5 Influence of surface microcavity and texture on friction coefficient under different pressure
從圖5還可看出，當(dāng)接觸壓力為20.4 MPa時(shí)，隨著微凹坑面積占有率的增大，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但當(dāng)面積占有率增大到24%時(shí)，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異減小。當(dāng)接觸壓力分別為40.8 MPa、61.2 MPa和81.6 MPa時(shí)，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異均隨著微織構(gòu)面積占有率的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。且對(duì)于接觸壓力40.8 MPa和81.6 MPa ，當(dāng)面積占有率為18%時(shí)，摩擦因數(shù)之間的差異最小。由此可得，在6061鋁合金表面加工不同面積占有率的微凹坑，可以減弱鋁合金表面紋理方向性對(duì)界面摩擦性能的影響，為板材拉延過程中消除表面各向異性、優(yōu)化加工性能提供依據(jù)。
2.2 接觸壓力對(duì)界面摩擦的影響
圖6～圖10所示為試樣表面形貌不同時(shí)，接觸壓力對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦性能的影響。可以看出，對(duì)于不同表面形貌的試樣，在一定的壓力范圍內(nèi)，表面摩擦因數(shù)均隨接觸壓力的增大而減小。但隨著接觸壓力的增大，摩擦因數(shù)減小幅度逐漸變小，且對(duì)于未微造型平行紋理表面，當(dāng)接觸壓力增大到81.6 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出略微增大趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵谝欢ǖ膲毫Ψ秶鷥?nèi)，隨著接觸壓力的增大，模具和試樣之間的實(shí)際接觸面積增大，接觸點(diǎn)間的壓力減小，塑性變形減小；且由于潤(rùn)滑油的黏壓效應(yīng)，即隨接觸壓力適度增大，潤(rùn)滑油黏性增加，在接觸界面間形成油膜，綜合以上兩種因素，摩擦因數(shù)減小。隨著接觸壓力持續(xù)增大，塑性變形程度增大，且潤(rùn)滑油黏度過大，流動(dòng)緩慢，不能及時(shí)補(bǔ)充到摩擦界面，故摩擦因數(shù)有增大趨勢(shì)。從而可知，在一定壓力范圍內(nèi)，適當(dāng)增大接觸壓力可改善滑動(dòng)接觸界面間的摩擦性能。
Fig.6 Influence of contact pressure on original surface圖6 原始表面接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
圖7 A=6%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.7 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 6%
Fig.8 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 12%圖8 A=12%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
Fig.9 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 18%圖9 A=18%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
圖10 A=24%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.10 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 24%
2.3 界面摩擦對(duì)表面形貌的影響
使用三維輪廓儀測(cè)量摩擦試驗(yàn)前后未微造型試樣表面三維表征參數(shù)，從而探究不同紋理的試樣表面形貌的變化。圖11～圖13是接觸壓力為20.4 MPa時(shí)，試驗(yàn)前后未微造型的6061鋁合金表面圖像。可以看出，對(duì)于三種紋理表面，在試驗(yàn)之后，接觸表面都變得更加平整，且都出現(xiàn)了與試樣滑動(dòng)方向平行的定向紋理，平行時(shí)鋁板表面上的定向紋理更加明顯。
(a)試驗(yàn)前平行紋理
(b)試驗(yàn)后平行紋理圖11 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面平行紋理Fig.11 Parallel textural surface of aluminum alloy before and after test
(a)試驗(yàn)前45°紋理
(b)試驗(yàn)后45°紋理圖12 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面45°紋理Fig.12 45° textural surface of aluminum alloy before and after test
(a)試驗(yàn)前垂直紋理
(b)試驗(yàn)后垂直紋理圖13 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面垂直紋理Fig.13 Vertical textural surface of aluminum alloy before and after test
圖14 Sa與接觸壓力的關(guān)系Fig.14 Relationship between Sa and contact pressure
圖14所示為試驗(yàn)后表面算術(shù)高度平均偏差Sa與接觸壓力的關(guān)系。與試驗(yàn)前相比，試驗(yàn)后三種紋理表面的Sa值均減小。隨著接觸壓力的增大，試驗(yàn)后三種紋理表面的Sa值均呈減小趨勢(shì)，但當(dāng)接觸壓力增大到81.6 MPa時(shí)，平行紋理表面的Sa值出現(xiàn)增大趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殡S著接觸壓力的增大，微凸體逐漸平坦化，表面粗糙度減小，從而Sa減小。但當(dāng)接觸壓力增大到一定程度時(shí)，表面出現(xiàn)劃痕，Sa增大。
圖15 Str與接觸壓力的關(guān)系Fig.15 Relationship between Str and contact pressure
圖15所示為表面紋理縱橫比Str與接觸壓力的關(guān)系。可以看出，試驗(yàn)后三種紋理表面的Str增大，且隨接觸壓力的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。在一定壓力范圍內(nèi)，摩擦導(dǎo)致表面單向紋理特征消失，表面趨于各向同性；而隨著接觸壓力的增大，表面出現(xiàn)單向劃痕，導(dǎo)致表面各向異性特征加強(qiáng)。另外，平行紋理表面的Str值最小，垂直紋理表面的Str值最大，說明Str與界面摩擦特性之間有一定的關(guān)聯(lián)性，在一定范圍內(nèi)，Str越大的表面摩擦性能越好。
圖16 所示為Vvv、Vvc與接觸壓力的關(guān)系。隨著接觸壓力的增大，Vvv、Vvc基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)接觸壓力較小時(shí)，試樣表面微凸體與模具之間的接觸面積逐漸增大，使得封閉空體體積增大；當(dāng)接觸壓力過大時(shí)，表面平坦化程度加劇，故封閉空體體積減小。由此可得，在試驗(yàn)過程中，微凸體變形造成表面形貌的體相變化明顯。而且，由圖16可以發(fā)現(xiàn)，垂直紋理表面的Vvv、Vvc較大，由于空體體積決定表面的儲(chǔ)油能力，適當(dāng)?shù)目阵w體積可以產(chǎn)生較好的潤(rùn)滑效果，故Vvv、Vvc較大的垂直紋理表面摩擦因數(shù)較小。
(a)Vvv與接觸壓力的關(guān)系
(b)Vvc與接觸壓力的關(guān)系圖16 Vvv、Vvc與接觸壓力的關(guān)系Fig.16 Relationship between Vvv、Vvcand contact pressure
3 結(jié)論
(1)接觸壓力一定時(shí)，若試樣表面的紋理方向與試樣滑動(dòng)方向夾角不同，試驗(yàn)所測(cè)得的摩擦因數(shù)不同，且在一定接觸壓力范圍內(nèi)，當(dāng)試樣表面的紋理方向與試樣滑動(dòng)方向平行時(shí)，摩擦因數(shù)最大；當(dāng)表面紋理方向與試樣滑動(dòng)方向垂直時(shí)，摩擦因數(shù)最小。由此可得，表面紋理方向?qū)瑒?dòng)接觸界面的摩擦性能有一定影響。
(2)在不同紋理的鋁合金表面加工不同面積占有率的微凹坑，可以減弱表面紋理方向性對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響。且對(duì)于接觸壓力40.8 MPa和81.6 MPa ，當(dāng)面積占有率為18%時(shí)，表面紋理方向性的影響降到最低。
(3)在一定的接觸壓力范圍內(nèi)，不同表面形貌的鋁合金的摩擦因數(shù)均隨接觸壓力的增大而減小。
(4)試驗(yàn)前后不同紋理鋁合金的未微織構(gòu)表面三維形貌表征參數(shù)發(fā)生規(guī)律性變化，可知界面摩擦對(duì)表面形貌的變化有一定影響。且三維形貌表征參數(shù)Str、Vvv、Vvc較大的表面摩擦因數(shù)較小，反映出界面摩擦和表面形貌的相互影響。
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(編輯 陳 勇)
Coupling Effects of Surface Micro-cavity and Textural Directionality on Interface Frictions
HOU Lixia LIU Xiaojun ZHANG Tong LIU Kun
School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology,Hefei,230009
The effects of texture direction and surface micro-cavity of aluminum alloy on frictional properties at the sliding contact interface was investigated. Three different surface textures were obtained by cutting, then manufactured micro-cavity with different area densities on the surface. A series of frictional experiments were carried out with different contact pressures under oil lubrication on a tailored friction tester, the angels between the sliding and surface texture directions were as 0°, 45°,90° respectively during the experiments. The three dimensional surface topography of samples before and after friction tests were measured with non-contact optical profilometer, and the variations of surface topography at the sliding contact interface were analyzed by choosing such parameters asSa,Str,VvvandVvc. The experimental results show that the aluminum alloy exhibits anisotropy in the processes of sliding contact friction due to different surface texture directions. And the micro-cavity with different area densities on the surface may weaken the effects of texture direction on the contact interface friction, which reflects the coupling effects of surface micro-cavity and texture on the interface friction. The effects of interface friction on surface topography lead to regular changes of the three dimensional surface parameters ofStr,Vvv,Vvc.
anisotropy; surface texture; surface micro-cavity; three dimensional topography parameter; friction coefficient
2016-06-21
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375132)
TH117
10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.005
候麗霞，女，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)楸砻婺Σ僚c潤(rùn)滑。劉小君，女，1965年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張 彤，女，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。劉 焜(通信作者)，男，1963年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：liukunhf@163.com。
候麗霞 劉小君 張 彤 劉 焜
合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009
?
表面微凹坑和紋理方向?qū)缑婺Σ恋鸟詈嫌绊?/p>
候麗霞 劉小君 張 彤 劉 焜
合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009
選取三種不同紋理的鋁合金試樣，并在試樣上加工不同面積占有率的規(guī)則圓形微凹坑，利用自制的摩擦試驗(yàn)裝置，在油潤(rùn)滑條件下以不同接觸壓力進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中滑動(dòng)方向與表面紋理方向的夾角分別為0°、45°、90°。利用非接觸式三維輪廓儀測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的三維表面形貌，并選取Sa、Str、Vvv、Vvc等表面表征參數(shù)來分析滑動(dòng)接觸界面表面形貌的變化。結(jié)果表明：表面紋理方向的差異導(dǎo)致鋁合金表面在滑動(dòng)接觸摩擦過程中表現(xiàn)出各向異性，而在其表面加工不同面積占有率的微凹坑，減弱了鋁合金表面紋理方向性對(duì)界面摩擦的影響，反映出表面微凹坑和紋理對(duì)界面摩擦的耦合作用。同時(shí)界面摩擦對(duì)試件的表面形貌也有明顯的影響，Str、Vvv、Vvc在試驗(yàn)后發(fā)生了規(guī)律性的變化。
各向異性；表面紋理；表面微凹坑；三維形貌表征參數(shù)；摩擦因數(shù)
0 引言
表面微凹坑和紋理特性對(duì)接觸界面間的摩擦具有重要影響。對(duì)于表面紋理特性，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度開展了相應(yīng)的研究工作。SAHA等[1]在材料成形模擬實(shí)驗(yàn)中，通過平行及垂直于表面紋理方向拉伸和滑動(dòng)，分別探究了噴砂和光滑鋁合金表面的摩擦特性。RASP等[2]通過平行和垂直于測(cè)試方向?qū)υ嚇颖砻孢M(jìn)行粗磨，制備不同的初始試樣表面進(jìn)行摩擦測(cè)試，從而探究表面形貌方向性的影響，并對(duì)表面形貌方向性的影響以及潤(rùn)滑油和表面粗糙度算術(shù)平均值的影響進(jìn)行比較。MENEZES等[3]在傾斜劃痕儀上，通過在干摩擦和潤(rùn)滑條件下控制滑動(dòng)方向與磨削方向的夾角在0°到90°之間，探究了表面磨痕的方向?qū)缑婺Σ恋挠绊懀⑼ㄟ^掃描電子顯微照片觀察到轉(zhuǎn)移層的形成。LIU等[4]通過板材拉延試驗(yàn)研究鋁合金的紋理方向?qū)饘侔辶铣尚芜^程中摩擦性能的影響，將紋理方向和滑動(dòng)方向間的夾角分別設(shè)置為0°、30°、45°、60°、90°，結(jié)果表明，由于滑動(dòng)方向和紋理方向夾角不同，鋁合金表面在拉延過程中表現(xiàn)出各向異性，且當(dāng)滑動(dòng)方向與紋理方向平行時(shí)，摩擦因數(shù)最大。ESMAEILIZADEH等[5]選用AA1200鋁合金試樣，在三種不同角度(軋制方向(RD)、45°和90°方向)下進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，以確定用于模擬所需的機(jī)械性能參數(shù)；并根據(jù)各向同性和各向異性屈服準(zhǔn)則，采用有限元軟件分析鋁合金薄板拉深成形過程，發(fā)現(xiàn)使用各向異性屈服準(zhǔn)則模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更吻合。肖驥[6]選取軋制后的7000系列鋁合金，針對(duì)從不同平面上截取的光滑試樣進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同截面上的疲勞極限具有明顯的各向異性。郭加林等[7]選取綜合性能較好的2524鋁合金，對(duì)冷軋態(tài)與T3態(tài)的鋁合金試樣沿軋向、橫向以及與軋制方向成30°、45°、60°角的總共五個(gè)方向上取得拉伸試樣，通過測(cè)試觀察發(fā)現(xiàn)，不同取向條件下的鋁合金薄板的拉伸力學(xué)性能不同，且晶粒織構(gòu)與平面各向異性密切相關(guān)。巫榮海[8]探究了6061鋁合金板在厚度方向及縱向-橫向存在各向異性的原因，即晶界強(qiáng)化和織構(gòu)差異。
從表面織構(gòu)的角度，歷建全等[9]介紹了表面微織構(gòu)的概念以及加工方法，指出不同深度、不同形狀以及不同密度的表面微凹坑具有不同的減摩效果，王洪濤等[10]利用數(shù)值模擬的方法研究了具有微圓柱凹坑織構(gòu)的平面在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦性能，分析了微凹坑深度、半徑等織構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)摩擦力和動(dòng)壓承載能力的影響，發(fā)現(xiàn)增大凹坑半徑可以同時(shí)提升承載能力和減小摩擦力，當(dāng)凹坑深度為20 mm時(shí)，承載能力最好。COSTA等[11]研究了表面微造型對(duì)往復(fù)滑動(dòng)接觸界面摩擦潤(rùn)滑的影響，發(fā)現(xiàn)微造型表面有利于潤(rùn)滑油膜的形成，當(dāng)表面溝槽的方向垂直于拉延方向時(shí)，界面間摩擦力明顯減小。TANG等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究表面織構(gòu)對(duì)減少摩擦和磨損的影響，分析不同面積占有率的微凹坑的減摩效果，結(jié)果表明，當(dāng)微凹坑面積占有率為5%時(shí) ，減摩和減損效果最好，減摩率和減損率分別達(dá)38%和72%。SUDEEP等[13]在邊界、混合潤(rùn)滑的條件下研究了軸承鋼球微織構(gòu)表面進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)、滾動(dòng)時(shí)的摩擦磨損性能，并分析了滑動(dòng)、滾動(dòng)速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響。KURNIAWAN等[14]通過在6061鋁合金和1045碳鋼外圓柱表面上加工微織構(gòu)來探究對(duì)減少摩擦的影響，并開展實(shí)驗(yàn)來探究表面織構(gòu)是否能改善圓柱接觸表面的潤(rùn)滑特性。楊本杰等[15]設(shè)計(jì)了一種新型的拉延摩擦試驗(yàn)裝置，在油潤(rùn)滑條件下，針對(duì)不同表面形貌的鋁合金試樣，在不同滑動(dòng)速度與接觸壓力的條件下進(jìn)行一系列摩擦試驗(yàn)，研究表面形貌對(duì)塑性變形接觸界面摩擦行為的影響。
上述研究主要側(cè)重表面紋理方向性或單獨(dú)的表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響，本文針對(duì)鋁合金材料進(jìn)一步探討表面微凹坑和表面紋理方向性對(duì)接觸界面間摩擦特性的綜合影響，從而為改善界面摩擦性能提供依據(jù)。本文將激光微造型技術(shù)[16]應(yīng)用于不同紋理的鋁合金表面，在試樣表面上加工出不同面積占有率[17]的微凹坑，采用自行搭建的摩擦測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，在油潤(rùn)滑條件下設(shè)定不同的接觸壓力，進(jìn)行一系列摩擦試驗(yàn)，測(cè)試不同紋理的微凹坑表面在滑動(dòng)過程中的摩擦因數(shù)，并利用三維輪廓儀測(cè)量摩擦試驗(yàn)前后試樣表面三維表征參數(shù)[18]，并分析參數(shù)的變化規(guī)律，從而探究表面微凹坑和表面紋理方向性對(duì)接觸界面間摩擦的綜合影響。
1 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料
圖1是試驗(yàn)裝置的示意圖。該試驗(yàn)裝置裝有拉力傳感器和壓力傳感器，滑動(dòng)接觸界面由上下模具和試樣構(gòu)成，試樣與模具之間的摩擦力由拉力傳感器測(cè)出，接觸壓力由上模具頂部的壓力傳感器測(cè)出。摩擦力和接觸壓力由Wide Plus-18無紙記錄儀記錄并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)OBSERVERⅡ軟件，該軟件記錄和保存摩擦力、接觸壓力數(shù)據(jù)，摩擦因數(shù)試驗(yàn)前，將模具表面拋光至0.03 μm，在模具和試樣表面添加適量的潤(rùn)滑劑并裝夾好上下模具和試樣，旋轉(zhuǎn)加載旋鈕，使得上下模具相互壓緊試樣并達(dá)到預(yù)先設(shè)定的接觸壓力。設(shè)置一定的滑動(dòng)速度，開啟伺服電動(dòng)機(jī)，絲杠滾動(dòng)并帶動(dòng)滑塊滑動(dòng)，試驗(yàn)開始。
μ=FR/(2FN)
式中，F(xiàn)R為摩擦力；FN為正壓力。
1.伺服電機(jī) 2.減速器 3.絲杠 4.滑塊 5.拉力傳感器 6.下模具 7.試樣 8.上模具 9.壓力傳感器 10.加載彈簧 11.加載旋鈕圖1 拉延試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of drawing test machine
在試驗(yàn)中，試樣材料采用6061鋁合金，試驗(yàn)裝置中的上下模具材料為Cr12，表面經(jīng)高頻淬火處理，硬度為58～60HRC。6061鋁合金的力學(xué)性能見表1。通過顯微鏡觀察到，鋁合金表面存在單相紋理。試樣尺寸為220 mm×12 mm×1 mm。試驗(yàn)過程中，試樣的滑動(dòng)長(zhǎng)度為100 mm。
1.2 試驗(yàn)材料切割及表面微織構(gòu)制備
使用金屬板料切割機(jī)，沿與鋁合金表面初始紋理方向分別成0°、45°、90°的三個(gè)方向上切取試樣，如圖2所示。然后用粒度為320的砂紙打磨試樣邊緣，去除毛刺。
表1 6061鋁合金的力學(xué)性能
圖2 6061鋁合金試樣切割方向Fig.2 Cutting direction ofaluminum alloy 6061
為了探究表面形貌結(jié)構(gòu)對(duì)6061鋁合金表面摩擦特性的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[17，19]設(shè)計(jì)了五組不同面積占有率的微凹坑，并在上述三種不同紋理試樣表面進(jìn)行激光加工：微織構(gòu)圖案總尺寸為10 mm×10 mm，微凹坑形狀選擇為規(guī)則圓形，面積占有率分別設(shè)計(jì)為0、6%、12%、18%、24%，共五組，依次命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，具體參數(shù)見表2。
表2 試樣激光微織構(gòu)加工參數(shù)
采用YLP-F10光纖激光打標(biāo)機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行激光微造型。在打標(biāo)過程中，調(diào)節(jié)打標(biāo)參數(shù)并配合使用HT-SURF10000型輪廓儀和電子顯微鏡成像系統(tǒng)，改變打標(biāo)參數(shù)，得到深度為8～9 μm的圓形微凹坑。經(jīng)過多次嘗試，得到最終打標(biāo)參數(shù)如下：激光輸出功率為3.0 W，打標(biāo)速度為300 mm/s，打標(biāo)次數(shù)為2。激光加工完成后，用粒度為2000的金相砂紙打磨，去除邊緣毛刺，使微織構(gòu)邊緣表面和基面在同一平面上。最后使用丙酮在超聲清洗器中清洗10 min。
1.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)過程中，潤(rùn)滑劑選用32號(hào)機(jī)械油，實(shí)測(cè)40 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度為33.5 mm2/s。試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，試樣的滑動(dòng)方向與模具的裝夾方向垂直，與三種試樣表面紋理方向的夾角分別為0°、45°、90°。
設(shè)定試樣的滑動(dòng)速度為1 mm/s，滑動(dòng)接觸載荷分別為980 N、1960 N、2940 N、3920 N，試樣與模具的接觸面積為48 mm2，故相應(yīng)的接觸壓力分別為20.4 MPa、40.8 MPa、61.3 MPa和81.7 MPa。通過試驗(yàn)，在不同接觸壓力下測(cè)得不同表面形貌的鋁合金試樣表面的摩擦因數(shù)。
1.4 試樣表面形貌的三維測(cè)量與表征
為了描述試驗(yàn)前后鋁合金板表面形貌的變化，采用三維表面形貌參數(shù)對(duì)表面進(jìn)行表征，本文選取高度參數(shù)Sa、空間參數(shù)Str、功能參數(shù)Vvv和Vvc。其中，Sa為表面高度算術(shù)平均偏差，是對(duì)表面高度總體的度量，是表征表面粗糙度最常用的三維表面形貌參數(shù)之一。Str是表面紋理縱橫比，主要用于表征表面紋理特征、辨識(shí)形貌類型，Str接近于0，說明表面是各向異性的，表面上有主導(dǎo)性的紋理存在；Str接近于1，表明紋理各向同性，在不同的方向上有較統(tǒng)一的紋理形貌。Vvv和Vvc分別是表面承載率為80%～100%和10%～80%時(shí)的平均空體體積，用來描述表面形貌的微觀結(jié)構(gòu)特性，空體體積體現(xiàn)了表面存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的能力。
試驗(yàn)前后，使用Talysurf CCI 2000白光干涉三維輪廓儀進(jìn)行表面形貌測(cè)量。該高精度輪廓儀采用最先進(jìn)的白光干涉技術(shù)和相關(guān)相干算法，通過建立模板，能夠計(jì)算出帶光源相干峰與相位的位置。圖3為試驗(yàn)前微凹坑面積占有率A=6%時(shí)的三種紋理表面三維掃描圖像。試驗(yàn)前三維表面形貌的表征參數(shù)見表3。
2 結(jié)果與討論
2.1 微織構(gòu)及紋理對(duì)鋁合金表面摩擦特性的影響
為了驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性，用未微造型平行紋理試樣在不同接觸壓力下測(cè)試摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況。圖4所示為試樣滑動(dòng)速度為1 mm/s、使用32號(hào)機(jī)械油潤(rùn)滑、潤(rùn)滑劑的使用量為1.0 g/m2的條件下，平行紋理表面在不同的接觸壓力下摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖4可見，在試驗(yàn)開始3～5 s之后，摩擦因數(shù)基本趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大波動(dòng)，故測(cè)試過程具有良好的穩(wěn)定性。
(a)平行紋理
(b)45°夾角紋理
(c)垂直紋理圖3 試驗(yàn)前A=6%時(shí)三種紋理表面三維掃描圖像Fig.3 3D scanning images of three textural surface with 6% microcavity
表3 試驗(yàn)前三維表面形貌的表征參數(shù)
圖4 平行紋理表面在不同接觸壓力下摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.4 Trace of parallel textural surface friction coefficient under different pressure
不同接觸壓力下，表面微凹坑及紋理對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原始試樣表面，在不同的接觸壓力下，由于試樣表面紋理方向與滑動(dòng)方向夾角不同，表面摩擦因數(shù)存在一定差異，且隨著接觸壓力的增大，差異越來越明顯。當(dāng)試樣表面紋理方向平行于滑動(dòng)方向時(shí)，摩擦因數(shù)最大。隨著試樣表面紋理方向與滑動(dòng)方向夾角α的增大，摩擦因數(shù)減小，并且當(dāng)α=90°、接觸壓力p為81.6 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)最小。從而可知在一定接觸壓力范圍內(nèi)，表面的紋理方向與滑動(dòng)方向一致時(shí)，摩擦因數(shù)最大；當(dāng)表面紋理方向與滑動(dòng)方向垂直時(shí)，摩擦因數(shù)最小。當(dāng)試樣表面的紋理方向與滑動(dòng)方向夾角不同時(shí)，所測(cè)得的摩擦因數(shù)不同，由此可得6061鋁合金表面具有各向異性，即鋁合金表面紋理方向?qū)瑒?dòng)接觸界面間的摩擦性能有一定影響。
圖5 不同接觸壓力下表面微織構(gòu)及紋理對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.5 Influence of surface microcavity and texture on friction coefficient under different pressure
從圖5還可看出，當(dāng)接觸壓力為20.4 MPa時(shí)，隨著微凹坑面積占有率的增大，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但當(dāng)面積占有率增大到24%時(shí)，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異減小。當(dāng)接觸壓力分別為40.8 MPa、61.2 MPa和81.6 MPa時(shí)，不同紋理表面摩擦因數(shù)的差異均隨著微織構(gòu)面積占有率的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。且對(duì)于接觸壓力40.8 MPa和81.6 MPa ，當(dāng)面積占有率為18%時(shí)，摩擦因數(shù)之間的差異最小。由此可得，在6061鋁合金表面加工不同面積占有率的微凹坑，可以減弱鋁合金表面紋理方向性對(duì)界面摩擦性能的影響，為板材拉延過程中消除表面各向異性、優(yōu)化加工性能提供依據(jù)。
2.2 接觸壓力對(duì)界面摩擦的影響
圖6～圖10所示為試樣表面形貌不同時(shí)，接觸壓力對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦性能的影響。可以看出，對(duì)于不同表面形貌的試樣，在一定的壓力范圍內(nèi)，表面摩擦因數(shù)均隨接觸壓力的增大而減小。但隨著接觸壓力的增大，摩擦因數(shù)減小幅度逐漸變小，且對(duì)于未微造型平行紋理表面，當(dāng)接觸壓力增大到81.6 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出略微增大趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵谝欢ǖ膲毫Ψ秶鷥?nèi)，隨著接觸壓力的增大，模具和試樣之間的實(shí)際接觸面積增大，接觸點(diǎn)間的壓力減小，塑性變形減小；且由于潤(rùn)滑油的黏壓效應(yīng)，即隨接觸壓力適度增大，潤(rùn)滑油黏性增加，在接觸界面間形成油膜，綜合以上兩種因素，摩擦因數(shù)減小。隨著接觸壓力持續(xù)增大，塑性變形程度增大，且潤(rùn)滑油黏度過大，流動(dòng)緩慢，不能及時(shí)補(bǔ)充到摩擦界面，故摩擦因數(shù)有增大趨勢(shì)。從而可知，在一定壓力范圍內(nèi)，適當(dāng)增大接觸壓力可改善滑動(dòng)接觸界面間的摩擦性能。
Fig.6 Influence of contact pressure on original surface圖6 原始表面接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
圖7 A=6%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.7 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 6%
Fig.8 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 12%圖8 A=12%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
Fig.9 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 18%圖9 A=18%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響
圖10 A=24%時(shí)接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.10 Influence of contact pressure when the microcavity area density is 24%
2.3 界面摩擦對(duì)表面形貌的影響
使用三維輪廓儀測(cè)量摩擦試驗(yàn)前后未微造型試樣表面三維表征參數(shù)，從而探究不同紋理的試樣表面形貌的變化。圖11～圖13是接觸壓力為20.4 MPa時(shí)，試驗(yàn)前后未微造型的6061鋁合金表面圖像。可以看出，對(duì)于三種紋理表面，在試驗(yàn)之后，接觸表面都變得更加平整，且都出現(xiàn)了與試樣滑動(dòng)方向平行的定向紋理，平行時(shí)鋁板表面上的定向紋理更加明顯。
(a)試驗(yàn)前平行紋理
(b)試驗(yàn)后平行紋理圖11 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面平行紋理Fig.11 Parallel textural surface of aluminum alloy before and after test
(a)試驗(yàn)前45°紋理
(b)試驗(yàn)后45°紋理圖12 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面45°紋理Fig.12 45° textural surface of aluminum alloy before and after test
(a)試驗(yàn)前垂直紋理
(b)試驗(yàn)后垂直紋理圖13 試驗(yàn)前后6061鋁合金表面垂直紋理Fig.13 Vertical textural surface of aluminum alloy before and after test
圖14 Sa與接觸壓力的關(guān)系Fig.14 Relationship between Sa and contact pressure
圖14所示為試驗(yàn)后表面算術(shù)高度平均偏差Sa與接觸壓力的關(guān)系。與試驗(yàn)前相比，試驗(yàn)后三種紋理表面的Sa值均減小。隨著接觸壓力的增大，試驗(yàn)后三種紋理表面的Sa值均呈減小趨勢(shì)，但當(dāng)接觸壓力增大到81.6 MPa時(shí)，平行紋理表面的Sa值出現(xiàn)增大趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殡S著接觸壓力的增大，微凸體逐漸平坦化，表面粗糙度減小，從而Sa減小。但當(dāng)接觸壓力增大到一定程度時(shí)，表面出現(xiàn)劃痕，Sa增大。
圖15 Str與接觸壓力的關(guān)系Fig.15 Relationship between Str and contact pressure
圖15所示為表面紋理縱橫比Str與接觸壓力的關(guān)系。可以看出，試驗(yàn)后三種紋理表面的Str增大，且隨接觸壓力的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。在一定壓力范圍內(nèi)，摩擦導(dǎo)致表面單向紋理特征消失，表面趨于各向同性；而隨著接觸壓力的增大，表面出現(xiàn)單向劃痕，導(dǎo)致表面各向異性特征加強(qiáng)。另外，平行紋理表面的Str值最小，垂直紋理表面的Str值最大，說明Str與界面摩擦特性之間有一定的關(guān)聯(lián)性，在一定范圍內(nèi)，Str越大的表面摩擦性能越好。
圖16 所示為Vvv、Vvc與接觸壓力的關(guān)系。隨著接觸壓力的增大，Vvv、Vvc基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)接觸壓力較小時(shí)，試樣表面微凸體與模具之間的接觸面積逐漸增大，使得封閉空體體積增大；當(dāng)接觸壓力過大時(shí)，表面平坦化程度加劇，故封閉空體體積減小。由此可得，在試驗(yàn)過程中，微凸體變形造成表面形貌的體相變化明顯。而且，由圖16可以發(fā)現(xiàn)，垂直紋理表面的Vvv、Vvc較大，由于空體體積決定表面的儲(chǔ)油能力，適當(dāng)?shù)目阵w體積可以產(chǎn)生較好的潤(rùn)滑效果，故Vvv、Vvc較大的垂直紋理表面摩擦因數(shù)較小。
(a)Vvv與接觸壓力的關(guān)系
(b)Vvc與接觸壓力的關(guān)系圖16 Vvv、Vvc與接觸壓力的關(guān)系Fig.16 Relationship between Vvv、Vvcand contact pressure
3 結(jié)論
(1)接觸壓力一定時(shí)，若試樣表面的紋理方向與試樣滑動(dòng)方向夾角不同，試驗(yàn)所測(cè)得的摩擦因數(shù)不同，且在一定接觸壓力范圍內(nèi)，當(dāng)試樣表面的紋理方向與試樣滑動(dòng)方向平行時(shí)，摩擦因數(shù)最大；當(dāng)表面紋理方向與試樣滑動(dòng)方向垂直時(shí)，摩擦因數(shù)最小。由此可得，表面紋理方向?qū)瑒?dòng)接觸界面的摩擦性能有一定影響。
(2)在不同紋理的鋁合金表面加工不同面積占有率的微凹坑，可以減弱表面紋理方向性對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦的影響。且對(duì)于接觸壓力40.8 MPa和81.6 MPa ，當(dāng)面積占有率為18%時(shí)，表面紋理方向性的影響降到最低。
(3)在一定的接觸壓力范圍內(nèi)，不同表面形貌的鋁合金的摩擦因數(shù)均隨接觸壓力的增大而減小。
(4)試驗(yàn)前后不同紋理鋁合金的未微織構(gòu)表面三維形貌表征參數(shù)發(fā)生規(guī)律性變化，可知界面摩擦對(duì)表面形貌的變化有一定影響。且三維形貌表征參數(shù)Str、Vvv、Vvc較大的表面摩擦因數(shù)較小，反映出界面摩擦和表面形貌的相互影響。
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(編輯 陳 勇)
Coupling Effects of Surface Micro-cavity and Textural Directionality on Interface Frictions
HOU Lixia LIU Xiaojun ZHANG Tong LIU Kun
School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology,Hefei,230009
The effects of texture direction and surface micro-cavity of aluminum alloy on frictional properties at the sliding contact interface was investigated. Three different surface textures were obtained by cutting, then manufactured micro-cavity with different area densities on the surface. A series of frictional experiments were carried out with different contact pressures under oil lubrication on a tailored friction tester, the angels between the sliding and surface texture directions were as 0°, 45°,90° respectively during the experiments. The three dimensional surface topography of samples before and after friction tests were measured with non-contact optical profilometer, and the variations of surface topography at the sliding contact interface were analyzed by choosing such parameters asSa,Str,VvvandVvc. The experimental results show that the aluminum alloy exhibits anisotropy in the processes of sliding contact friction due to different surface texture directions. And the micro-cavity with different area densities on the surface may weaken the effects of texture direction on the contact interface friction, which reflects the coupling effects of surface micro-cavity and texture on the interface friction. The effects of interface friction on surface topography lead to regular changes of the three dimensional surface parameters ofStr,Vvv,Vvc.
anisotropy; surface texture; surface micro-cavity; three dimensional topography parameter; friction coefficient
2016-06-21
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375132)
TH117
10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.005
候麗霞，女，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)楸砻婺Σ僚c潤(rùn)滑。劉小君，女，1965年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張 彤，女，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。劉 焜(通信作者)，男，1963年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：liukunhf@163.com。
