王艷，周向葵，吳深

鄭州輕工業(yè)大學 機電工程學院,河南 鄭州 450002

0 引言

塊體非晶合金是一類原子排列呈短程有序、長程無序，并處于熱力學亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)的材料[1-2].近年來，隨著對塊體非晶合金成分、結(jié)構(gòu)與性能研究的不斷深入，人們越來越認識到塊體非晶合金具有優(yōu)異的理化性能、力學性能及精密成型性等特點，未來將會成為支撐精密機械、航空航天器件、國防工業(yè)等高新技術(shù)的關(guān)鍵材料[3-5].特別是1990年代以來，研究者們成功制備了大量的塊體非晶合金，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異的性能與獨特的結(jié)構(gòu)使其在航空航天器件、精密機械、醫(yī)療與體育器材等領(lǐng)域可以部分取代傳統(tǒng)合金，這開啟了其應(yīng)用領(lǐng)域的大門.然而，當非晶合金用作相對運動的部件時，會出現(xiàn)摩擦與磨損問題，這掀起了研究其摩擦學行為的熱潮.但是，在對非晶合金性能進行差異研究時，所采用的摩擦條件與環(huán)境存在差異，即不同摩擦體系呈現(xiàn)不同的摩擦學行為，因此，對其摩擦學行為的研究并未獲得突破性進展，仍處于基礎(chǔ)階段[7].造成這一困境的原因是目前缺乏全新的、更為科學的理論指導體系.非晶合金材料與傳統(tǒng)合金材料不同，其摩擦過程同時發(fā)生基礎(chǔ)摩擦與晶化兩種行為，這使得關(guān)于其摩擦磨損性能的研究更為復雜.鑒于此，本文擬在分析塊體非晶合金摩擦磨損性能主要影響因素的基礎(chǔ)上，對塊體非晶合金摩擦磨損性能的研究現(xiàn)狀進行綜述，以期為探索減少塊體非晶合金材料部件磨損的途徑與方法，進而提升塊體非晶合金的性能，拓寬其潛在應(yīng)用領(lǐng)域提供參考.

1 塊體非晶合金摩擦磨損性能的主要影響因素

通常，塊體非晶合金具有較高的強度與硬度[6-9]，推測其在摩擦過程中應(yīng)該呈現(xiàn)優(yōu)越的耐磨性能，但近年來關(guān)于其耐磨性能的報道結(jié)論并不統(tǒng)一.由于摩擦性能與摩擦系統(tǒng)及摩擦實驗進行時的環(huán)境和參數(shù)緊密相關(guān)，因此，影響塊體非晶合金摩擦磨損性能的因素很多，主要分為傳熱因素、配副材料和摩擦條件3個方面.

1.1 傳熱因素

當兩個物體發(fā)生相對運動時，界面上的摩擦力會對摩擦界面做功，該摩擦功一部分消耗于磨損表面的塑性變形，另一部分則轉(zhuǎn)化成熱能，促使摩擦界面溫度升高，且用于該部分的摩擦功在總功中占有較大的比例，導致摩擦過程中產(chǎn)生摩擦熱[10-12]，并發(fā)生熱量的消耗與傳遞.一般來說，摩擦表面產(chǎn)生的熱量最多，如果該熱量不能被及時有效地擴散和消耗，將會在摩擦表面形成熱積累，促使其表面溫度升高，使材料發(fā)生相變或熔化,最終影響其摩擦磨損性能.當接觸表面溫度升高時，摩擦熱向溫度較低的配副材料傳導，熱傳導速率很大程度上影響接觸表面溫度.在該熱傳導過程中，配副材料內(nèi)部會形成溫度梯度，因此熱傳導速率主要取決于配副材料的熱物理性能，如導熱率、熱擴散系數(shù)等.另外，磨屑脫離摩擦表面時會帶走大量的摩擦熱.對于特定的摩擦系統(tǒng)，其傳熱因素通過影響摩擦表面溫度對摩擦過程產(chǎn)生影響.

1.2 配副材料

摩擦學行為對摩擦系統(tǒng)具有很強的依賴性，其中，配副材料的力學性能和熱性能是影響摩擦過程的主要因素[13-14].配副材料的力學性能在很大程度上決定了摩擦配副的基本配副關(guān)系，而配副材料的熱性能決定了摩擦表面產(chǎn)生摩擦熱的導出速率，通過影響摩擦表面材料所處溫度狀態(tài)對摩擦過程產(chǎn)生影響.例如，以陶瓷材料為配副材料時，由于其熱傳導系數(shù)較低，大量的摩擦熱未能經(jīng)配副耗散，導致材料摩擦表面溫度升高，從而影響其摩擦磨損性能，尤其是對處于亞穩(wěn)相的非晶合金，大量摩擦熱保留在非晶試樣表面及次表面，很大程度上導致非晶合金的晶化，表現(xiàn)出不同的摩擦磨損行為.P.Y.Tian等[14]采用金屬陶瓷和聚合物3種不同材料分別與Zr基非晶合金進行摩擦實驗，發(fā)現(xiàn)Zr基非晶試樣的摩擦系數(shù)強烈依賴于摩擦配副材料，其中與聚合物摩擦時的摩擦系數(shù)最小，且隨著載荷與速度的增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢.E.Fleury等[15]指出，材料磨損表面的形貌依賴于摩擦配副材料，不同的摩擦配副導致非晶合金材料的摩擦學行為明顯不同，即摩擦配副是影響摩擦磨損性能的主要因素.相反地，X.Y.Fu等[16]分別采用52100鋼和Zr基非晶態(tài)合金為摩擦配副，研究了該非晶合金的摩擦學行為，其結(jié)果表明,改變摩擦配副，該非晶合金的摩擦學性能變化不明顯.這種矛盾性的結(jié)論，引發(fā)研究者們不斷引入不同的摩擦配副材料，探索塊體非晶合金的摩擦磨損性能與機理.

1.3 摩擦條件

摩擦條件主要包括摩擦接觸方式、載荷與速度、摩擦環(huán)境等.從摩擦接觸方式來看，環(huán)/環(huán)端面接觸方式與銷/盤接觸方式是不同的，前者的接觸表面保持連續(xù)接觸，而后者的接觸表面雖保持連續(xù)接觸，但是盤與待測試樣之間為間歇式接觸，所以相同材料在不同接觸方式下其摩擦性能的可比性較差.載荷與速度是摩擦實驗中的重要參數(shù)，不同體系對載荷與速度的依賴性不同.此外，材料的摩擦特性與摩擦系統(tǒng)的工作環(huán)境有密切關(guān)系.因此，本文主要從摩擦載荷與速度、摩擦環(huán)境兩方面進行介紹.

1.3.1 摩擦載荷與速度

摩擦過程中，動態(tài)界面膜的形成與破壞均取決于載荷與速度，當載荷與速度均超過某臨界值時，磨損量急劇增加或減小，磨損機制發(fā)生轉(zhuǎn)變.對處于熱力學亞穩(wěn)相的非晶合金而言，載荷與速度直接影響摩擦接觸界面的溫度升高，從而對體系摩擦學行為產(chǎn)生影響.H.Zhong等[17]將Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金在 100 N，125 N和150 N 3種不同摩擦載荷下進行摩擦實驗，發(fā)現(xiàn)摩擦速度為0.09 m/s時，隨著載荷的增加，Zr基非晶試樣的摩擦系數(shù)與磨損率均增加；此外，固定載荷為125 N，研究 0.06 m/s，0.09 m/s和0.13 m/s 3種不同摩擦速度時該非晶合金的摩擦磨損性能，結(jié)果表明,隨著摩擦速度的增加其摩擦系數(shù)與磨損率均增大.P.J.Tao等[18]研究了不同摩擦速度下Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的摩擦學行為，發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加摩擦系數(shù)與磨損率均變大，且摩擦后非晶材料仍保持非晶結(jié)構(gòu).M.L.Rahaman等[19]研究了Ti基非晶合金在0.13 m/s，0.52 m/s和0.90 m/s 3種不同摩擦速度下的摩擦學行為，發(fā)現(xiàn)不同速度時的摩擦系數(shù)變化不大，呈現(xiàn)先增加后下降趨勢.可以看出，載荷與速度是摩擦測試中的重要參數(shù)，它們的改變顯著影響體系的摩擦磨損性能.

1.3.2 摩擦環(huán)境

目前，在非晶合金摩擦學的研究領(lǐng)域中，涉及的環(huán)境因素主要包括溫度、氣氛與腐蝕性溶液等.M.L.Rahaman等[19]研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20塊體非晶合金在不同溫度下的摩擦學行為，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度越高，其耐磨性越好.H.Wu等[20]在氧氣、空氣和氬氣3種不同氣氛中對Zr52.5Cu17.9Nil4.6All0Ti5塊體非晶合金進行了銷盤式滑動摩擦實驗，結(jié)果表明，非晶試樣的磨損率隨環(huán)境中氧含量的增加迅速增大.此外，研究者們還研究了非晶合金在不同腐蝕溶液中的耐磨損性能，例如，H.T.Duan等[21]研究了Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5塊體非晶合金在不同溶液中的摩擦學行為，結(jié)果表明，干摩擦時體系的摩擦系數(shù)最小，在質(zhì)量分數(shù)為60%的H2O2溶液中摩擦系數(shù)最大;其耐磨損性在干摩擦時較好，而在質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2溶液中的磨損最大.這一結(jié)論與2011年該課題組對 Ti40Zr25Ni8Cu9Be18塊體非晶合金的研究結(jié)果一致，即干摩擦時材料表現(xiàn)出較好的耐磨減摩特性，在質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2溶液中磨損最大[22].綜上可知，摩擦副總是處于特定的環(huán)境中，所處環(huán)境的溫度、氣氛、濕度，以及非晶材料所含的化學元素等因素均影響其磨損機理，從而對材料的摩擦性能產(chǎn)生顯著的影響.

2 塊體非晶合金摩擦磨損性能研究現(xiàn)狀

當非晶合金處于熱力學亞穩(wěn)狀態(tài)時，會自發(fā)或在加熱條件下向能量較低的亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變.當溫度較低時，這種轉(zhuǎn)變很慢，而在較高的溫度下，原子能克服位壘進行重新排列，即發(fā)生晶化行為[23-25].非晶合金發(fā)生晶化后，其微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，導致其硬度、強度、塑性等性能隨之變化.非晶合金在摩擦磨損實驗過程中，會釋放大量的摩擦熱，導致接觸表面溫度的升高，這對非晶合金的熱穩(wěn)定性提出了更高要求.正是這一不確定因素的存在，研究者們對非晶合金摩擦學行為主要進行了以下3個方面的研究：1)塊體非晶合金與相應(yīng)晶態(tài)材料摩擦磨損性能的對比研究；2)對塊體非晶合金進行退火處理，研究不同晶化程度對其摩擦磨損性能的影響；3)改變摩擦環(huán)境與條件，研究非晶合金摩擦層是否晶化及對摩擦磨損性能的影響.

2.1 塊體非晶合金與晶態(tài)材料摩擦磨損性能的對比研究

塊體非晶合金摩擦學行為的報道存在相互矛盾的結(jié)論，部分報道稱塊體非晶合金的耐磨性能遠高于相同成分的晶態(tài)材料與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料[26-27].例如，肖華星等[28]對Fe基塊體非晶合金的摩擦磨損性能進行研究，結(jié)果表明，F(xiàn)e基塊體非晶合金的耐磨性能優(yōu)于成分相同的晶態(tài)合金.X.L.Ji等[29]對比研究了Zr55Cu30Ni5Al10塊體非晶合金與AISI 304不銹鋼在質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液中的摩擦學行為，指出，非晶合金磨損量較少，具有良好的耐腐蝕、耐磨性能，同時配副材料的磨損也顯著降低.相反地，也有一些研究[30]表明，塊體非晶合金的耐磨性能比預期明顯差很多，遠遠低于其退火后的合金及傳統(tǒng)的晶體合金.例如，C.Y.Tam等[31]研究了Cu60Zr30Til0塊體非晶合金的摩擦學行為，發(fā)現(xiàn)純非晶合金的耐磨性能優(yōu)于晶化分數(shù)為50%的合金，但劣于晶化分數(shù)為30%的合金.

2.2 熱處理對塊體非晶合金摩擦磨損性能的影響

由于塊體非晶合金存在結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象[32-35]，且在發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫時，非晶材料仍保持非晶結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)弛豫會對其力學性能和物理性能產(chǎn)生影響.此外，非晶合金在部分晶化或者全部晶化后，其相應(yīng)的性能也會發(fā)生改變，進而影響其耐磨性能.因此，有研究者試圖通過對塊體非晶合金進行熱處理來改善其摩擦磨損性能.梁松等[36]研究了熱處理對Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=673 K，晶化溫度Tx=733 K)塊體非晶合金硬度及摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10塊體非晶合金的耐磨性能優(yōu)于部分晶化與完全晶化的合金，且當退火溫度低于并接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，其耐磨性能最好.唐明奇等[37]研究了不同退火溫度下Ti41.5Zr2.5Hf5Cu42.5Ni7.5Si1塊體非晶合金的耐磨性能發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高，該非晶合金的硬度增加，且退火后材料的耐磨性能不同于非晶態(tài)，其中，退火溫度為750 K時其耐磨性能最優(yōu)，退火溫度為705 K時其耐磨性能次之，非晶態(tài)時其耐磨性能最差.

由以上研究可知，塊體非晶合金經(jīng)退火處理后，其硬度及摩擦磨損性能均發(fā)生了改變，退火處理對其摩擦磨損性能的影響出現(xiàn)矛盾的結(jié)果，這主要與塊體非晶合金在退火過程中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變密切相關(guān).為提升塊體非晶合金的耐磨性能，很多研究者開始關(guān)注非晶合金晶化行為與耐磨性能的關(guān)系，嘗試通過調(diào)控退火溫度達到控制晶化相結(jié)構(gòu)、晶粒數(shù)量、尺寸及分布等目的，從而獲得耐磨性能優(yōu)異的非晶合金材料[38-39].

2.3 摩擦誘導晶化結(jié)構(gòu)對塊體非晶合金摩擦磨損性能的影響

目前，有關(guān)摩擦誘導非晶合金晶化行為的文獻尚不多見，在現(xiàn)有的研究中，關(guān)于摩擦誘導晶化行為對其耐磨性能的影響規(guī)律并不統(tǒng)一.例如，H.Wu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，Zr-Cu-Ni-Al-Ti非晶合金摩擦層納米晶的形成提升了其耐磨性能，而H.W.Jin等[40]研究發(fā)現(xiàn)，Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶合金摩擦層晶化相的形成降低了其耐磨性能.Y.Wang等[13]選用導熱性較差的陶瓷作為摩擦配副，在一定載荷與速度下，對Cu-Zr-Al非晶合金摩擦層晶化行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦層晶化相結(jié)構(gòu)與尺寸的差異影響了其耐磨性能.由此可知，非晶合金的耐磨性能與摩擦層晶化行為密切相關(guān)，晶化相結(jié)構(gòu)、尺寸變化復雜，受摩擦參數(shù)影響顯著，限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用.

3 結(jié)語

本文主要分析了影響塊體非晶合金摩擦磨損性能的傳熱因素、配副材料和摩擦條件3個主要因素，發(fā)現(xiàn)，傳熱因素和配副材料通過影響摩擦表面溫度對摩擦過程與性能產(chǎn)生影響，而摩擦條件是通過影響塊體非晶合金的穩(wěn)定性和磨損量影響其摩擦磨損性能.在現(xiàn)有關(guān)于非晶合金與相應(yīng)晶態(tài)材料摩擦磨損性能的對比研究，以及熱處理和摩擦誘導晶化結(jié)構(gòu)對塊體非晶合金材料摩擦性能的影響研究中，均存在相互矛盾的結(jié)論，這與非晶合金的結(jié)構(gòu)特點和摩擦磨損過程的特性有關(guān).因此，深入研究非晶合金的結(jié)構(gòu)與其摩擦磨損行為之間的關(guān)系，探究非晶合金磨損機制與轉(zhuǎn)變規(guī)律，揭示其摩擦磨損機理，探索提升非晶合金耐磨性能的方法與途徑等問題仍是塊體非晶合金摩擦磨損性能的研究熱點與重點.隨著研究方法與理論的不斷深入，關(guān)于非晶合金摩擦磨損性能的研究將會為其在耐磨材料領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐.