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当金属材料干摩擦滑动时，最初几百个周次摩擦系数较低（0.2–0.4），随后很快上升至较高的稳态值（0.6–1.2）。通常金属滑动过程中很难保持或延长这种低摩擦状态，而高摩擦会不可避免地降低能源效率以及无法在摩擦学领域应用。这种低–高摩擦转变的主要原因是滑动接触产生的不均匀塑性变形引起滑动初期表面粗糙化，亚表层微观结构与基体材料的不连续性，以及随后的开裂和剥落。最近，通过减小接触应力和滑动速度以减缓滑动导致的应变局域化，在粗晶或纳米晶金属中可以延迟低–高摩擦转变的时间。研究者认为，低–高摩擦转变对应的变形机制是由位错主导向晶界滑动主导的转变，其完全由接触应力控制。在工程应用中类似的方法是在金属表面添加润滑剂，降低剪切应力以实现低摩擦。研究表明，低–高摩擦转变强烈依赖于滑动条件（接触应力、滑动速度等）或润滑剂特性。目前对金属材料低–高摩擦转变过程中磨痕亚表层微观结构演化的研究很少，从材料学角度仍然缺乏对转变过程的深入理解。
我们前期的工作提供了一种新的思路，在Cu–5Ag合金表面引入梯度纳米结构，晶粒尺寸由最表面约30 nm梯度过渡至内部的微米量级。该梯度纳米结构表层有效抑制了滑动导致的应变局域化，使Cu–5Ag合金摩擦系数显著降低。以载荷50 N为例，摩擦系数由粗晶样品0.64降低至0.29，同时磨损速率呈量级下降。实现低摩擦的根本原因是有效抑制了表面粗糙化以及脆性摩擦层的形成。
低摩擦状态是摩擦学应用中的重要影响因素，稳定的梯度纳米结构能够使 Cu–5Ag合金在低摩擦状态下保持30,000滑动周次以上。值得关注的问题是梯度纳米结构金属滑动过程中是否存在低–高摩擦转变，如何使低摩擦状态持续较长时间，如何理解相应的摩擦磨损机制。本工作在前期工作的基础上，通过延长滑动周次，以及改变滑动条件等，系统地研究了梯度纳米结构Cu和Cu–5Ag合金的摩擦学行为，其目的在于探索动态的摩擦磨损行为与磨痕亚表层微观结构演化之间的相关性。
在无润滑条件下，梯度纳米结构Cu及Cu–5Ag合金中存在一种低摩擦向高摩擦转变的现象。摩擦系数在0.2–0.4范围保持10,000–30,000循环周次以后，开始升高，逐渐达到较高水平0.6–0.8。通过研究磨损表面形貌变化，磨痕亚表层结构演化，以及磨损导致的材料损伤累积，理解低–高摩擦转变的本质。结果表明，低–高摩擦转变与涡流状塑性变形导致的结构不稳定性和亚表层稳定的纳米晶层磨损消耗密切相关。与粗晶态样品相比，梯度纳米结构Cu及Cu–5Ag合金磨损量显著降低，在低摩擦阶段，磨损量降低近一个数量级。因此，提出通过提高梯度纳米结构剪切稳定性，抑制高载荷条件下晶粒粗化，延迟低摩擦向高摩擦的转变，以提高梯度纳米结构金属材料耐磨性。
通过研究梯度纳米结构金属材料低–高摩擦转变过程的微观机制，深入理解微观结构调控对低–高摩擦转变的影响，指导设计特定的微观结构，以保持、延长低摩擦阶段，从而实现金属材料的超低摩擦磨损，以期提高工程材料在摩擦条件下的使用寿命。
陈翔，南京理工大学教授。2016年获得中国科学院金属研究所博士学位，2016–2019年德国卡尔斯鲁厄理工学院和德国亚琛工业大学博士后。研究方向包括纳米材料摩擦学、球差矫正透射电子显微学及摩擦分子动力学模拟。
韩忠，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员。1997年6月获得中国科学院金属研究所博士学位。研究领域包括纳米结构金属材料的摩擦磨损机制以及利用微观结构调控实现金属材料超低摩擦磨损。
期刊简介
Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域的国际性学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2020年度影响因子为6.167，在国际摩擦学领域十余种SCIE数据库收录期刊中排名第一，成为我国乃至亚洲首个进入全球机械工程领域前8名的国际学术期刊（大类学科排名前6%），2020年在线发文量超过160篇。
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