摩擦是如何诱发材料结构发生演变的？
How Is Microstructure Evolution of Materials Induced
by Sliding Friction?
虽然材料家族日益丰富，但当今乃至未来的摩擦学材料仍将以结构材料和表面涂层为首选。人们发现在实际的摩擦磨损过程中摩擦副因热力耦合作用会诱发表层材料发生结构演变，使其物理性质、力学性能和对环境的响应特性均有别于基体。典型的例子如具有亚稳结构的奥氏体不锈钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、形状记忆合金、高嫡合金等。但前人的研究重点关注宏观的摩擦磨损行为，对微观乃至纳观的因摩擦应力或应变诱发的结构演变行为与摩擦学性能的关系并未予以足够重视。例如，虽然有大量的关于涂层的摩擦化学效应及其对摩擦学特性影响的研究并取得了一定的成果，但尚未建立接触表面化学特性如何控制摩擦学行为的理论，界面化学键的形成和断裂如何控制摩擦磨损行为的机理也不明确。因此，研究摩擦如何诱发材料结构发生演变及其与摩擦学行为间的关系，进而构建考虑摩擦诱发表层材料结构转变效应的摩擦学理论是值得重点关注的科学问题。
在摩擦磨损过程中，表层材料的结构演变是一种对外在环境的自响应或自适应行为[1]，如FCC（面心立方）结构的奥氏体是一种在一定外在条件（压力、温度等）下处于热力学非平衡态的材料微观结构，当能量条件有利时会转变为稳态结构且性能强化的物相[2]，即摩擦应力/应变诱发的相变增韧或原生第二相强化会改变材料的摩擦学性能。当摩擦应力未达到触发结构转变的临界点时，材料的磨损与稳态材料（如陶瓷材料）的类似；当发生结构转变时，因消耗摩擦功和松弛内聚微观应力，材料的摩擦学行为将发生改变；当外力过大，超过基体塑性变形的临界应力时，材料会在摩擦诱发结构转变前发生严重变形，导致表层材料中微观缺陷的产生、堆积和缠结，微裂纹形成、扩展和破坏甚至焊合，如 Fe-Mn-Si形状记忆合金因摩擦诱发的结构转变所呈现的磨损规律就符合Cheng等[3,4]提出的FCC金属从弱黏着抗力的材料向强黏着抗力的BCC（体心立方）材料转移的观点。此外，环境介质与基体表面在摩擦过程中发生摩擦化学反应生成异于基体结构和性能的产物，例如，摩擦表面氧化物以及涂层材料摩擦诱发的结构异化，如DLC膜（类金刚石膜）的石墨化等，也会影响材料的摩擦磨损行为。基于严重塑性变形的表面纳米化技术[5]赋予材料优良摩擦学性能的核心在于晶粒的纳米化和表层碳化物/化合物的碎化和溶解所致的基体硬化或软化，其原理与摩擦磨损过程中摩擦诱发表层材料的结构演变如出一辙。
总之，摩擦诱发材料的结构演变是一种吸收机械能、降低相界面应力集中和延缓微观缺陷形成和累积、减少变形和抑制缺陷形成以及裂纹扩展的自调适行为，从而有利于减轻磨损[6]。显然，结构演变行为与摩擦诱发的表层材料的应力应变状态、加工硬化/软化行为、温度、环境介质以及材料成分和结构密切相关[7,8]，但由于摩擦磨损过程的黑箱属性，摩擦诱发的材料结构转变与摩擦学性能间的关系至今尚未建立，导致其对摩擦学行为的正负影响未见厘清。为此，应进一步加强如下科学问题的研究：
(1)摩擦诱发材料的表层结构演变如何影响摩擦学性能；
(2)摩擦诱发材料的结构演变对表层中裂纹和磨屑形成的阻抑机制；
(3)摩擦诱发材料的结构演变所致的原生强化/硬化对摩擦副寿命的贡献；
(4)摩擦诱发材料的结构演变的形核机制及其动力学行为以及与热诱发的结构转变的关联；
(5)结合计算机技术和实验技术，揭示摩擦磨损过程中与摩擦磨损的瞬态机理相关的黑箱行为；
(6)通过揭示摩擦诱发材料的结构演变行为，指导设计或制备原生强化型复合材料或具有能量耗散功能和自适应能力的智能结构涂层。
参考文献
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[8] Rigney D A. Large strains associated with sliding contact of metals. Materials Research Innovations, 1998, 1:231.
撰稿人：韦习成1、李 健2、 Hua Meng3、周 峰4、王海斗5
1上海大学、2武汉材料保护研究所、3香港城市大学、
4中国科学院兰州化学物理研究所、5陆军装甲兵学院
