本發明涉及降低金屬材料摩擦系數的技術，具體為一種具備極低摩擦系數的金屬或合金材料，以及在大載荷條件下能夠大幅降低金屬或合金摩擦系數的方法，適用于金屬材料銅、鎳、鐵等及其合金。本發明通過施加塑性變形，在金屬及其合金材料表面引入梯度納米結構，自表及里晶粒尺寸由最表層納米尺度梯度過渡為芯部微米尺度的粗晶結構，獲得了一種具備超低摩擦系數的金屬或合金。該金屬或合金具備梯度納米結構，其摩擦系數顯著低于普通粗晶狀態的金屬或合金，在載荷為10～100N范圍內，其摩擦系數由粗晶態的0.6以上降低至0.42以下。

技術領域

本發明涉及一種具備極低摩擦系數的金屬或合金材料，以及在大載荷條件下能夠大幅降低金屬或合金摩擦系數的方法。

背景技術

眾所周知，摩擦將導致大量機械能無效損耗，據不完全統計，能源的30～50％消耗于摩擦與磨損；對材料來說，60％～80％的失效由磨損引起。干摩擦條件下，金屬材料的摩擦系數通常很高，一般范圍在0.6～1.2之間，主要原因是在摩擦過程中接觸表面下方產生塑性變形，導致表面粗糙化以及形成易脫落的摩擦層。降低金屬摩擦系數對于提高工程應用中金屬零件之間接觸的可靠性及效率，以及降低磨損造成的損耗至關重要。由于摩擦系數反映摩擦系統中接觸物體之間的狀態，依賴于材料所處摩擦學系統的條件。因此，摩擦系數對于材料微觀結構(不改變化學成分)的改變并不敏感，干摩擦條件下，降低金屬的摩擦系數在技術上極具挑戰性。

對于金屬材料而言，晶粒細化到納米量級，大多數服從Hall-Petch關系，硬度較普通粗晶材料顯著提高，是否能夠降低摩擦系數，提高耐磨性無疑成為摩擦學工作者極為關注的問題。

對于大多數均勻納米結構金屬材料而言，盡管文獻報道相對于粗晶狀態其硬度提高，耐磨性有不同程度提高，但很少發現其摩擦系數大幅度下降的現象，僅有幾例都是在很小載荷(極低接觸應力)的情況下發生。例如，納米晶Ni在載荷為98mN(最大Hertz接觸應力為511MPa)、滑動速度為1.25mm/s時，摩擦系數為0.3。而當接觸應力或滑動速度增大時，摩擦系數增大為0.6～0.7，與粗晶Ni基本一致(參考文獻1：S.V.Prasad等,Scr.Mater.(材料快報)，2011，64：729)。究其原因，在摩擦過程中，均勻納米結構金屬塑性變形能力極為有限，材料表面容易發生應變局域化，導致摩擦表面粗糙化，形成易剝落的摩擦層，摩擦系數與粗晶材料相比沒有明顯變化，很難真正意義上降低摩擦系數，耐磨性的提高有很大的局限性，這正是利用納米結構降低金屬材料摩擦磨損所面臨的重要難題。

最近，我國材料科學家Lu等人(參考文獻2:K.Lu,Science(科學)2014，345,1455)提出一種金屬的梯度納米結構，其具備高強度和高拉伸塑性，以銅棒為例，表層梯度納米結構屈服強度高達660MPa，約為粗晶銅10倍，其拉伸真應變高達100％時仍未出現裂紋，塑性變形能力相比均勻納米結構銅顯著提高，但是仍未真正觸及并解決降低金屬或合金摩擦系數的問題。

發明內容

本發明的目的在于圍繞金屬或合金材料的摩擦學特性，首次發明了一種具有超低摩擦系數的金屬或合金，并提出了降低金屬或合金摩擦系數的方法。

本發明的技術方案是：

一種具備極低摩擦系數的金屬或合金，該金屬或合金具備梯度納米結構，其摩擦系數顯著低于普通粗晶金屬或合金，在載荷為10～100N范圍內，其摩擦系數由粗晶態的0.6以上降低至0.42以下。

該金屬或合金的梯度納米結構為：表面為納米晶，芯部為粗晶，中間過渡區域為變形結構，自表及里晶粒尺寸由最表層納米尺度梯度過渡為芯部微米尺度的粗晶結構。

上述梯度納米材料的尺寸為：最表層晶粒尺寸為25～40nm，納米晶層(晶粒尺寸<100nm)厚度約為80～100μm，由表及里晶粒尺寸從25～40nm梯度過渡為芯部20～50μm，變形層厚度為700～800μm。

上述金屬或合金的種類為銅、鎳或鐵等金屬材料；或者，銅、鎳或鐵的合金。