Al2O3-TiC陶瓷材料在干摩擦条件下通常具有较高的摩擦系数和磨损率，工程应用受到限制。微织构和固体润滑剂的引入使Al2O3-TiC材料的摩擦系数有降低的变化，磨损表面质量也能得到改善。本小节将上述摩擦磨损试验中特定条件下的磨损表面进行磨损形貌分析，并对其中一个磨损试样进行磨损区域EDS分析和未磨损区域EDS分析，研究原位成型微织构试样的减摩机理。

5.2.3.1　间距不同时的磨损情况分析

如图5-12所示为试验施加载荷30N，转速100r/min条件下，微织构间距值不同的Al2O3-TiC陶瓷试样磨损形貌SEM图。

图5-12　微织构间距不同的Al2O3-TiC陶瓷试样磨损形貌SEM图（30N，100r/min条件下）

由图5-12可知，无织构Al2O3-TiC陶瓷试样表面有大片黏结现象，其磨损形式主要是黏结磨损。分析其原因可能有以下两个方面：一是摩擦过程中的高温作用使得材料局部发生塑性变形，摩擦副之间产生了黏着点，黏着点作用随温度升高而增强；二是局部高温使得材料发生塑性变形，随摩擦环的作用产生材料的转移和堆积，形成大片黏结。微织构Al2O3-TiC陶瓷试样表面出现晶粒剥落的现象，伴有部分黏结状态，其磨损形式主要是磨粒磨损和黏结磨损。分析其原因可能是：微织构的存在使得材料表面不再光滑，由于加工产生的沟槽边缘处有凸起，摩擦环首先与沟槽边缘的凸起接触，随着凸起被磨平，在摩擦表面产生磨屑，这期间对织构间材料产生一定的保护作用。大量的磨屑部分嵌入石墨微织构中，将石墨挤出到摩擦表面起到一定的润滑作用，另一部分继续留在摩擦表面，摩擦运动被阻挡，同时在摩擦环表面产生划痕。微织构边缘处由摩擦作用产生的局部高温，使材料发生偏移，部分磨屑填充在石墨微织构中，从而形成了黏结的现象。

5.2.3.2　宽度不同时磨损情况分析

图5-13为试验施加载荷110N，转速80r/min条件下，微织构宽度值变化的Al 2O 3-TiC陶瓷试样磨损形貌SEM图。由图5-13（a）～（e）可知，无织构Al2O3-TiC陶瓷试样磨损表面有大片材料的黏结和剥落现象，其磨损形式为黏结磨损。分析其原因可能是：随载荷的增加，摩擦表面产生一些微裂纹，在摩擦过程不断地进行中，微裂纹逐渐扩展，多条裂纹扩展到一块，使得材料片状剥落；材料在局部的高温作用下发生塑性变形，而材料的转移和堆积形成了摩擦表面的黏结。微织构Al2O3-TiC陶瓷试样磨损表面主要是晶粒的剥落，且微织构宽度值越大，磨损现象越严重，其磨损形式主要表现为磨粒磨损和脆性断裂。分析原因可能是：两石墨沟槽间Al2O3-TiC陶瓷材料宽度不变，随微织构宽度的增加，复合材料的硬度、断裂韧性等机械性能有所下降，在高载荷条件下微织构很容易被破坏，形成磨屑落到摩擦接触表面，而这些磨屑一时难以清除，这也是造成摩擦系数数值在微织构宽度值变化试验中比微织构间距值变化试验中普遍提高的原因。同时磨粒的增加和高负载条件也造成了摩擦环表面产生较严重的沟壑及划痕。

图5-13　微织构宽度不同的Al2O3-TiC陶瓷试样磨损形貌SEM图

图5-14为微织构间距0.25mm的Al2O3-TiC陶瓷材料磨损区和未磨损区EDS元素分析。由图5-14可知，磨损区C元素较未磨损区多，说明石墨微织构在一定程度上起到了润滑作用，在摩擦表面的磨粒嵌入石墨微织构中，将石墨挤出到摩擦表面，微织构同时起到了容纳磨屑和减磨润滑的作用。

图5-14　微织构间距0.25mm的Al2O3-TiC陶瓷材料磨损区和未磨损区EDS元素分析

通过研究发现，通过微织构中的石墨润滑剂，和其他的自润滑复合材料一样，微织构沟槽内的固体润滑剂受到摩擦热和挤压力的作用析出表面，在摩擦表面拖覆形成一层固体润滑膜，并且不断地得到补充，从而达到减摩作用。

滑动摩擦系数主要由以下三项组成：

μ=μn+μp+μr

（5-4）(www.daowen.com)

式中，μn、μp、μr分别是由粗糙度、沟槽和黏着引起的摩擦系数分量，其中，μn与表面摩擦状态有关，可视为常数；μp与微凸体形状和压入配偶件表面的深度有关；μr是由摩擦副表面之间产生的黏着力而引起的较强摩擦，是润滑剂减摩作用分析的关键对象。

分析摩擦运动过程中表面膜的减摩作用，设表面膜的剪切强度极限为τf，有τf=cτb，系数c＜1，τb是基体的剪切强度极限。摩擦副开始滑动的条件是：

σ2+ατ2f=σ2s

（5-5）

式中，α是常数，且α＞1，一般取α=9；σ为法向载荷产生的压应力；σs为基体受压屈服极限。

由黏着摩擦理论可知：

由式（5-5）和式（5-6）可求得摩擦系数：

由上述可知，当摩擦表面产生一层表面膜时，摩擦黏着点的剪切作用发生在表面膜内，使摩擦副之间的原子结合力或离子结合力被较弱的范德瓦耳斯力所代替，降低了表面结合力作用。同时，由于石墨润滑膜的剪切强度较低，摩擦副相对滑动时的剪切阻力较小。

将原位成型微织构陶瓷试样和无织构陶瓷试样进行了对比，利用正交设计试验研究了载荷、转速、微织构的间距和宽度对Al2O3-TiC陶瓷试样摩擦系数的影响，并观察磨损表面，研究了微织构Al2O3-TiC陶瓷试样的减摩机理。得出以下结论：

（1）在不同间距的微织构Al2O3-TiC陶瓷材料摩擦磨损试验中，随着施加载荷的增加，试样表面的摩擦系数呈现先上升后下降的趋势；随转速的增大，试样表面的摩擦系数呈现出先减小后增大的变化；随微织构间距值的增加，摩擦系数值呈现出逐渐增高的变化。当施加载荷设定为30N，转速为100r/min时，各微织构Al2O3-TiC陶瓷试样更容易获得较小的摩擦系数，且当微织构间距值为0.2mm时，摩擦系数最低，为0.37。

（2）在不同宽度的微织构Al2O3-TiC陶瓷试样摩擦磨损试验中，随施加载荷的增加，材料表面的摩擦系数呈现出先增大后减小的变化；随转速值的增大，试样表面摩擦系数值呈现出先减小后增大的变化；随微织构宽度值的加大，试样的摩擦系数值呈现出先增大后减小再增加的变化。当施加载荷为110N，转速为80r/min时，各微织构Al2O3-TiC陶瓷试样更容易获得较低的摩擦系数，且当微织构宽度为0.15mm时，摩擦系数最低，为0.4457。

（3）整体来看，微织构宽度变化的Al2O3-TiC陶瓷试样，摩擦系数普遍高于微织构间距变化的Al2O3-TiC陶瓷试样，即微织构越宽，间距越小，Al2O3-TiC陶瓷试样的摩擦系数越大。

（4）在施加载荷30N、转速100r/min条件下，无织构Al2O3-TiC陶瓷试样的磨损形式为黏结磨损，微织构Al2O3-TiC陶瓷试样的磨损形式主要呈现磨粒磨损和黏结磨损。在施加载荷110N、转速80r/min条件下，无织构Al2O3-TiC陶瓷试样的磨损形式为黏结磨损，微织构Al2O3-TiC陶瓷试样的磨损形式主要呈现磨粒磨损及脆性断裂，且在间距不变的情况下，微织构宽度值越大，磨损情况越严重。