孟 響, 解 挺, 陳 堃, 張龍肖, 徐 建, 李文博

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

銅基石墨復合材料具有良好的機械性能、導熱性、耐磨性和耐腐蝕性等綜合性能,在機械、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。長期以來,石墨對銅基石墨復合材料摩擦磨損性能的影響受到廣泛關(guān)注[5-8]。學者關(guān)于石墨粒徑和含量對銅基石墨復合材料的影響進行了較多研究。文獻[9]研究石墨含量及粒度對銅-鍍銅復合材料摩擦性能的影響,結(jié)果表明隨著石墨含量的增多,材料密度減小,石墨粒度小的復合材料的致密度較高,而粒度大的復合材料具有更好的摩擦性能;文獻[10]研究表明,材料的性能隨石墨粒徑的增大存在一個最佳狀態(tài),石墨粒徑為30 μm時,材料的磨損量最少,硬度和密度達到最大值;文獻[11]研究發(fā)現(xiàn),隨著石墨粒徑由4 μm增大到19 μm,銅-石墨復合材料摩擦系數(shù)、硬度和致密度均逐漸升高,磨損量逐漸減少;文獻[12]研究結(jié)果表明,石墨含量增加,銅基體的連續(xù)性有所降低,磨損量和動摩擦系數(shù)均先增加后減小,石墨質(zhì)量分數(shù)為16%時,具有最好的摩擦性能;文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)適當含量石墨的加入可以提高摩擦系數(shù)的大小和穩(wěn)定性,然而過量顆粒石墨的加入可使摩擦系數(shù)顯著下降;文獻[14]研究表明,石墨含量增加,磨損率表現(xiàn)為先降低再升高的趨勢,摩擦系數(shù)逐漸下降,石墨含量為6%時,磨損率最小。

上述研究結(jié)果表明,石墨粒徑及含量均存在一個最佳值,合理選擇石墨粒徑和含量可使材料具有良好的摩擦學特性。以上學者研究石墨對復合材料的影響采用摩擦磨損實驗的方式進行探究,主要研究的是復合材料宏觀的摩擦性能,關(guān)于其重要的自潤滑機理的分析只是根據(jù)最終結(jié)果進行推測,而其自潤滑膜的動態(tài)形成過程無法了解。鑒于實驗研究方法在這方面的不足,利用數(shù)值模擬可以很好地分析其動態(tài)過程,這對于優(yōu)化材料性能至關(guān)重要。常見的數(shù)值模擬研究方法主要包括有限單元法、離散單元法、分子動力學方法等[15-17]。利用粉末冶金制備的銅基石墨復合材料由顆粒體系組成,比較適合選用離散元方法[18]。文獻[19]利用離散元方法在這方面開展初步研究,其基于往復式滑動摩擦形式研究石墨含量對銅基滑動軸承材料摩擦學性能的影響。

鑒于銅基石墨復合材料多用作滑動軸承材料時的接觸形式為環(huán)-塊滑動接觸,為了更貼合實際,本文采用環(huán)-塊式滑動接觸模型。此外,本文采用石墨顆粒團聚體大小來模擬石墨的尺寸大小,至今相關(guān)報道不多。因此,本文采用離散元方法建立銅基石墨復合材料/45#鋼環(huán)-塊滑動接觸數(shù)值模型,探究摩擦過程中摩擦表面石墨潤滑層的動態(tài)演變規(guī)律以及石墨粒徑和體積分數(shù)對銅基石墨復合材料摩擦磨損性能的影響,對優(yōu)化復合材料的設(shè)計和提高其摩擦學性能具有重要意義。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 銅基石墨復合材料模型的建立

為了更加貼合實際,用石墨的團聚體大小來模擬試樣中石墨的尺寸大小,石墨團聚體由若干個粒徑為6 μm石墨顆粒組成,本文提及的石墨粒徑即為該石墨團聚體。

在模型建立中,選擇石墨粒徑R分別為6、18、30、42、54 μm,石墨體積分數(shù)φ分別為6%、8%、10%、12%、14%對銅基體進行填充,銅顆粒是粒徑為30 μm的剛性顆粒體,石墨顆粒在銅基體中隨機均勻分布,接觸模型采用平行黏結(jié)模型,復合材料模型生成采用半徑放大法,如圖1所示。

圖1 銅基石墨復合材料模型

圖1中:黑色顆粒為石墨顆粒;黃色顆粒為銅顆粒。從圖1a、圖1b可以看出,石墨粒徑越大,石墨聚集現(xiàn)象越明顯。從圖1b、圖1c可以看出,石墨體積分數(shù)越多,石墨分布越密集。銅基石墨復合材料模型建立后進行粉末冶金數(shù)值模擬,以獲得更貼近真實的數(shù)值模型。

1.2 滑動摩擦副模型的建立

基于環(huán)-塊滑動接觸特征,選取摩擦接觸表面區(qū)域最小單元作為研究對象建立模型。建立銅基石墨復合材料與45#鋼的滑動摩擦副模型,如圖2所示。上試樣為45#鋼。由于模型中45#鋼粒徑過大時,計算時間長;45#鋼粒徑過小時,不能充分反映摩擦界面動態(tài)變化。為了體現(xiàn)材料本身粗糙度[20],經(jīng)過多次模擬嘗試,最終選擇130個粒徑為1 mm的灰色顆粒在直徑10 mm的圓上環(huán)形等距排列所組成,粗糙度Rz為14.6 μm。在模擬中,上試樣被施加恒定的速度v和載荷F,作逆時針旋轉(zhuǎn)運動。在模擬中不考慮45#鋼的磨損。

圖2 摩擦副模型

下試樣為銅基石墨復合材料,尺寸大小為2.5 mm×1.2 mm,下試樣位置保持不動。因此建立滑動摩擦副模型的運動系統(tǒng),即45#鋼被施加恒定載荷和速度,相對于銅基石墨復合材料作逆時針轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)摩擦副間的滑動。

1.3 細觀參數(shù)的確定

二維顆粒流程序(PFC2D)中模型細觀參數(shù)式通過雙軸壓縮試驗來完成[21-22]。當模擬所建模型通過雙軸壓縮試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠很好地反映真實試驗條件下樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線時,可將該微觀參數(shù)建立的模型來模擬材料真實的力學行為[23]。銅、石墨和45#鋼的細觀力學參數(shù)見表1所列。

表1 銅、石墨和45#鋼細觀力學參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 摩擦磨損的動態(tài)演變過程

不同時步條件下,45#鋼/銅基石墨復合材料相對滑動摩擦磨損動態(tài)演變過程如圖3所示。該模擬條件選擇45#鋼滑動速度0.2 m/s、施加載荷10 N、石墨粒徑30 μm以及石墨體積分數(shù)10%。

圖3 不同時步下摩擦磨損動態(tài)演變過程

從圖3a可以看出,石墨顆粒隨機均勻地分布于復合材料內(nèi)部,顆粒與顆粒間的黏結(jié)鍵未發(fā)生斷裂,摩擦副的接觸主要是金屬與金屬的接觸。從圖3b可以看出:摩擦界面處復合材料顆粒間的黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂,材料內(nèi)部石墨顆粒逐漸向摩擦表面運動,摩擦表面磨損顆粒數(shù)與石墨顆粒數(shù)逐漸增多;由于摩擦副力的作用,石墨在摩擦表面形成新的接觸;由于石墨本身具有潤滑特性,該紅色石墨顆粒層具有減摩潤滑性能;一旦石墨顆粒與材料表面形成黏結(jié)力(圖3d),即為石墨潤滑層,石墨顆粒便會變成紅色顆粒,該紅色顆粒能夠明顯地與基體內(nèi)石墨本身的顏色進行區(qū)分,以便研究石墨潤滑層的狀態(tài),最終在摩擦界面形成不完整的石墨潤滑層。由圖3a、圖3b可知,摩擦副的接觸由金屬與金屬接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槭w粒與金屬接觸,但仍存在部分銅顆粒與45#鋼接觸。從圖3c可以看出,材料內(nèi)顆粒間的黏結(jié)鍵進一步斷裂,摩擦表面的磨損顆粒數(shù)和石墨顆粒數(shù)逐漸增多,最終在摩擦表面形成完整的石墨潤滑層。與圖3b相比,紅色石墨顆粒增多,摩擦界面處石墨顆粒層幾乎將材料與45#鋼隔開,摩擦副的接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槭w粒與金屬接觸。從圖3d可以看出,黃色顆粒為銅顆粒,黑色顆粒為未與復合材料表面形成黏結(jié)鍵的石墨顆粒,成為磨屑顆粒。對于以上演變過程分析認為,由于摩擦力與外力的作用,顆粒間的黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂,具有黏結(jié)鍵較弱的石墨顆粒在內(nèi)部顆粒間的相互擠壓作用逐漸向摩擦表面運動,最終部分石墨顆粒與材料表面形成黏結(jié)力,石墨顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色顆粒,形成石墨潤滑層。事實上,由于摩擦物理、摩擦機械以及摩擦化學等的綜合作用,使得石墨在材料摩擦表面附著并擴散,最終在材料摩擦表面形成較均勻完整石墨潤滑層,上述的綜合作用采用顆粒間的黏結(jié)力來表征[24]。實驗研究表明,銅基石墨復合材料在摩擦過程中,石墨在摩擦接觸面聚集并形成一層石墨潤滑層,該石墨潤滑層具有潤滑減摩性能[25-27]。

2.2 石墨粒徑對材料摩擦學性能的影響

不同石墨粒徑下銅基石墨復合材料的摩擦學性能如圖4所示。該模擬條件選擇石墨粒徑為6、18、30、42、54 μm,石墨體積分數(shù)為10%,施加載荷為10 N,45#鋼滑動速度為0.2 m/s,模擬時步為10 000 000。

圖4 不同石墨粒徑下復合材料的摩擦學性能

從圖4a可以看出,隨著時步數(shù)的增加,復合材料的摩擦系數(shù)整體降低并趨于穩(wěn)定,其中石墨粒徑為54 μm時,摩擦系數(shù)在很長時步內(nèi)保持較高的數(shù)值。隨著摩擦進行,摩擦副的接觸由金屬與金屬接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭w粒與金屬接觸,由于石墨的潤滑減摩特性,摩擦系數(shù)表現(xiàn)為下降的趨勢。時步數(shù)為6 000 000時,完整的石墨潤滑層形成,摩擦系數(shù)維持在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動。從圖4b可以看出,隨著石墨粒徑的增加,復合材料的摩擦系數(shù)逐漸增大。由于石墨顆粒與相鄰接觸顆粒的黏結(jié)強度弱,在摩擦力以及外力作用下,石墨顆粒黏結(jié)易斷裂。在顆粒間擠壓作用下,基體內(nèi)部石墨顆粒運動至摩擦表面。填充相同體積分數(shù)的石墨,石墨粒徑越小,石墨團聚體數(shù)量越多,從而割裂了基體的連續(xù)性,使復合材料內(nèi)顆粒的黏結(jié)強度降低,更便于石墨顆粒從材料內(nèi)部向摩擦表面運動,摩擦表面的石墨顆粒數(shù)逐漸增多,有利于形成石墨潤滑層,使材料減摩性能越好,摩擦系數(shù)較低。從圖4c可以看出,當石墨粒徑逐漸增大時,磨損量呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢。當石墨粒徑較小時,分布在銅基體中的石墨團聚體數(shù)量越多,割裂銅基體的連續(xù)性較強,復合材料的顆粒黏結(jié)力較弱,使顆粒間的黏結(jié)鍵更容易斷裂,磨損量較多。當石墨粒徑較大時,石墨在材料內(nèi)部有團聚,割裂銅基體的連續(xù)性較弱,顆粒間的黏結(jié)力較強,不易發(fā)生斷裂,從而不利于材料內(nèi)部石墨顆粒向摩擦表面運動,摩擦力增大,磨損量較多。數(shù)值模擬中石墨粒徑為18 μm時,磨損量最少為1.65×10-8m3。

2.3 石墨體積分數(shù)對摩擦學性能的影響

不同石墨體積分數(shù)下銅基石墨復合材料的摩擦學性能如圖5所示。該模擬條件選擇石墨體積分數(shù)為6%、8%、10%、12%、14%,石墨粒徑為30 μm,施加載荷為10 N,45#鋼滑動速度為0.2 m/s,模擬時步為10 000 000。

圖5 不同石墨體積分數(shù)下復合材料的摩擦學性能

由圖5a可知,在不同石墨體積分數(shù)下復合材料摩擦系數(shù)整體隨著時步數(shù)的增加逐漸下降并達到穩(wěn)定。由于石墨的自潤滑特性,隨著時步數(shù)的增加,顆粒間的黏結(jié)鍵斷裂,材料內(nèi)石墨顆粒向摩擦表面運動,在摩擦界面處聚集,逐漸形成完整的石墨潤滑層,使材料的摩擦系數(shù)降低并趨于穩(wěn)定波動。由圖5b可知,隨著石墨體積分數(shù)的不斷增多,材料的整體平均摩擦系數(shù)表現(xiàn)為下降的趨勢。石墨作為一種固體潤滑劑,在受到變形擠壓作用時,石墨顆粒會向摩擦表面運動,摩擦表面的石墨顆粒逐漸增多,形成石墨潤滑層。石墨與相鄰顆粒的黏結(jié)力較弱,石墨體積分數(shù)增多,使得材料顆粒間的黏結(jié)鍵更容易斷裂,有助于摩擦表面石墨潤滑層的形成以及提高石墨潤滑層的連續(xù)性與完整性,進而使摩擦副減摩效果較好,摩擦系數(shù)減小。由圖5c可知,磨損量隨著石墨體積分數(shù)的增多表現(xiàn)為先減少后增多的趨勢。復合材料中石墨體積分數(shù)較少時,銅顆粒間的黏結(jié)力強,黏結(jié)鍵不易斷裂,不利于石墨向摩擦界面運動,使得石墨在摩擦表面聚集的顆粒較少,不易形成石墨潤滑層,潤滑減摩效果弱,磨損量較多。石墨體積分數(shù)較多時,石墨隨機均勻地分布于材料內(nèi)部,對材料中銅基體的連續(xù)性造成破壞,顆粒間的黏結(jié)鍵易發(fā)生斷裂,材料承載能力下降,導致磨損量較多。數(shù)值模擬中石墨體積分數(shù)為12%時,磨損量最少為1.61×10-8m3。

3 結(jié) 論

本文基于離散元二維顆粒流程序(PFC2D)數(shù)值模擬方法對銅基石墨復合材料和45#鋼摩擦磨損過程進行建模與模擬,研究了摩擦磨損過程的動態(tài)演變過程以及石墨粒徑和體積分數(shù)對復合材料的摩擦系數(shù)、磨損量的影響,得到以下結(jié)論:

1) 摩擦過程中,顆粒間的黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂,石墨顆粒從材料內(nèi)部向摩擦界面運動,在摩擦表面形成石墨潤滑層,使摩擦副的接觸由金屬與金屬接觸逐漸向石墨與金屬接觸轉(zhuǎn)變。

2) 隨著時步數(shù)的增加,復合材料的摩擦系數(shù)整體降低并趨于穩(wěn)定。石墨粒徑減小,復合材料內(nèi)石墨團聚體數(shù)量增多,材料摩擦系數(shù)逐漸減小。石墨體積分數(shù)增多,摩擦系數(shù)降低。

3) 復合材料內(nèi)石墨粒徑增大或石墨體積分數(shù)增多,磨損量均先減少后增多。石墨粒徑為18 μm時,磨損量最少為1.65×10-8m3。石墨體積分數(shù)為12%時,磨損量最少為1.61×10-8m3。因此,石墨粒徑對材料磨損量的影響較大。