在摩擦載荷作用下，位錯介導的塑性變形決定性地影響許多金屬滑動界面處的摩擦係數和微觀結構變化。近日，來自德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究者探索了在銅孿晶界附近由摩擦引起的微觀結構變化。相關論文2月12日發表在《Nature Communications》。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14640-2
摩擦學研究相對運動相互作用的表面的摩擦，磨損和潤滑。最近的研究證實，摩擦和磨損在交通運輸等領域全球能源消耗具有重大影響。這說明了材料摩擦學領域基礎研究和應用研究的重要性。摩擦載荷通常會在構成滑動界面的一個或兩個物體的次表面區域引起塑性變形和微觀結構變化。這種改變導致材料在結構上和化學性質上都可能不同。這些微觀結構的變化改變了材料在次表面以內區域的特性，進而影響了摩擦和磨損。
但是，潛在的基本變形機制還不夠清楚，無法進行系統的修改，甚至無法進行預測性模擬。納米晶體結構的原子模擬表明，不同晶粒中塑性變形和晶粒旋轉的不均勻性在摩擦引起的變形和磨損中起著重要作用。在實驗上，對控制摩擦載荷早期階段的基本機理研究較少，儘管它們在決定摩擦接觸的發展方面似乎很重要。
本文作者曾報道過一種獨特的水平線特徵，它存在於銅樣品與藍寶石球乾燥滑動摩擦條件時表面下方約150 nm均勻深度處。由於發現這些線由位錯組成，因此將其命名為水平位錯跡線（dislocation traces lines ，DTL）。DTL是微觀結構中的第一個不連續點，因此對於進一步的微觀結構演變起決定性作用。
圖1：在雙邊界（TB）附近進行單次滑動通過後，摩擦變形微觀結構的STEM明場圖像。
在本研究中，作者研究了高純銅單次滑動通過後DTL與相干∑3孿晶界（TB）的相互作用。在與滑動界面下方的孿晶界相互作用時，觀察到兩條不同的水平位錯跡線（dislocation traces lines ，DTL）。DTL的形成似乎不受孿晶界的影響，但孿晶界可作為發生變形的指標。詳細的（掃描）透射電子顯微鏡研究包括自動晶體取向映射（ACOM），揭示了這種水平微結構不連續性的特徵。這些方法可以研究早期滑動期間在滑動界面下方發生的塑性變形的特徵。
圖2：在TB附近滑行一次後，摩擦變形的微觀結構的晶體學取向數據（ACOM）。
圖3：在摩擦載荷過程中，孿晶界（TB）附近產生的關鍵特徵和相關基本過程的模型概念。
總的來說，可以確認有三個同時發生的基本過程：在滑動方向上對次表面區域的簡單剪切，在主要DTL處的局部剪切，在DTL上方和之間圍繞平行於橫向軸的晶體旋轉。晶體取向分析證明了這些過程具有很強的兼容性。定量分離這些不同的變形機制對於未來摩擦接觸的預測建模至關重要。
圖4：TB反映的剪切和晶體旋轉過程的兼容性分析。
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