【摘 要】
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奥氏体不锈钢（主要成分为γ-Fe）由于其良好的机械性能和抗腐蚀性能,成为核电、海洋、石化工程设备的重要结构材料之一,用量约占不锈钢总量的70%。同时,类金刚石（DLC）因其具有优异的耐磨性和自润滑性,作为保护涂层广泛地应用于机械加工领域。然而,使用DLC涂层刀具机械加工奥氏体不锈钢部件时,易发生剧烈的摩擦磨损,导致涂层早期失效。因此,研究γ-Fe/DLC（简写为Fe/C）异质界面的吸附和摩擦行为以
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奥氏体不锈钢（主要成分为γ-Fe）由于其良好的机械性能和抗腐蚀性能,成为核电、海洋、石化工程设备的重要结构材料之一,用量约占不锈钢总量的70%。同时,类金刚石（DLC）因其具有优异的耐磨性和自润滑性,作为保护涂层广泛地应用于机械加工领域。然而,使用DLC涂层刀具机械加工奥氏体不锈钢部件时,易发生剧烈的摩擦磨损,导致涂层早期失效。因此,研究γ-Fe/DLC（简写为Fe/C）异质界面的吸附和摩擦行为以及影响因素对改善机械加工奥氏体不锈钢部件时DLC涂层的使用寿命问题具有重要意义。本文采用分子模拟的方法研究Fe/C异质界面的吸附和摩擦行为,同时,分析钝化原子（H、F、P、S）、典型非金属掺杂原子（B、N、Si）和摩擦条件（不同摩擦载荷和速度）对Fe/C异质界面的吸附与摩擦行为的影响。另外,采用磁控溅射的方法制备DLC薄膜,对其基本的力学性质和摩擦学性质进行研究。结果表明,当Fe/C异质界面的相互作用能小于γ-Fe表面顶层原子的迁移能时,拉伸模拟过程中Fe原子转移到C表面层上。Fe/C（100）、（110）和（111）异质界面沿着能量最小化路径（MEP）的滑动势垒分别为1.45、0.48和0.42 J/m~2,相应的理想剪切强度(τMEP)分别为17.97、8.36和6.06 GPa,表明Fe/C（111）异质界面最容易发生滑动。此外,Fe/C异质界面随着施加的正向载荷（1-5 n N）增加,势能曲线的起伏也不断增大。制备的DLC薄膜的表面形貌为大小各异的凸起组成,具有良好的疏水性。在1、3和5 N的摩擦载荷下,DLC薄膜的摩擦系数分别稳定在0.15、0.10和0.20左右,呈现先减小再增大的趋势。钝化原子（H、F、P、S）能够抑制Fe/C异质界面的材料转移和弱化势能面的摩擦势垒。当沿着MEP滑动时,H、F、P、S钝化Fe/C异质界面的势垒分别为0.06、0.03、0.15和0.12 J/m~2,相应的τMEP分别为0.5、0.3、1.5和1.2 GPa,低于Fe/C异质界面相应的势垒和τMEP（0.42 J/cm~2和6.06 GPa）。因此,H、F、P、S原子降低了Fe/C异质滑动的阻力。其中,H、F原子的弱化作用强于P、S原子。此外,随着施加的正向载荷（1-5 n N）的增大,具有钝化原子的Fe/C异质界面的势能曲线起伏变大,然而,异质界面的摩擦系数变动不大。典型非金属原子（B、N、Si）对Fe/C异质界面的材料转移仅起到微弱的抑制作用。B、N、Si原子掺杂势能曲面的最低摩擦势垒分别为1.15、2.84和1.75 J/m~2,低于其未掺杂的势垒（3.07 J/m~2）,表明非金属原子掺杂可以改善Fe/C异质界面摩擦学性能。此外,当沿着MEP滑动时,B、N、Si原子掺杂的Fe/C异质界面的摩擦势垒都低于1 J/m~2,低于未掺杂的相应数值（1.45 J/m~2）。载荷（1-5 n N）的增加使B、N、Si原子掺杂Fe/C异质界面的势能曲线越来越尖锐,而其相应的平均摩擦系数仅有微弱的波动。非晶碳结构密度和sp~3/sp~2分布的不均匀性,使其具有微弱的各向异性。同时,也使压入过程中的压痕附近剪切应变发生不均匀扩展。在极端摩擦条件下（高频高载）,载荷增加提高了γ-Fe/DLC异质界面的平均摩擦系数,而滑动速度对其平均摩擦系数基本没有影响。通过分析摩擦界面附近sp~2杂化键含量,发现载荷的增加能提高摩擦界面处sp~2的比例,而滑动速度对其基本没有影响。Fe/C（110）、（110）和（111）异质界面在不同摩擦条件下平均摩擦系数的变化范围分别为0.18～0.44,0.18～0.39和0.20～0.11。因此,调控载荷和Fe结构的择优取向能够改善Fe/C异质界面的摩擦性能。
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