工艺参数对AISI 304不锈钢带材摩擦性能的影响：润滑条件下摩擦系数降低机制与表面变形行为研究

本研究通过条带拉伸试验（SDT）系统探讨了AISI 304奥氏体不锈钢在润滑条件下的摩擦特性，重点分析了法向力、滑动速度和工具粗糙度对平均摩擦系数（COF）的影响。结果表明，增加法向力可使COF降低6–21%，低载荷下以黏着和磨擦机制为主，高载荷下表面微凸体塑性变形占主导。研究结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、硬度测试与粗糙度分析，揭示了摩擦磨损微观机制及TRIP效应（相变诱导塑性）对表面性能的调控作用，为板料成形工艺优化提供了重要理论依据与实验支撑。

　　

1 引言

板料成形（SMF）作为现代工业中最广泛应用的制造工艺之一，在汽车、家电及医疗设备等领域具有重要地位。深拉深等工艺常用于制造杯形件、水槽和储罐等空心零件，其成功实施依赖于材料性能、工艺参数及工具与板料间接触条件的复杂组合。其中，摩擦作为关键因素，直接影响最终零件质量、工具磨损和工艺效率。摩擦现象表现为接触表面间相对运动的阻力，据估算全球约23%的能源消耗与摩擦学接触有关，其中20%用于克服摩擦，3%用于维护和更换磨损部件。因此，理解SMF过程中的摩擦机制对发展高效、可持续制造技术具有重要意义。

不锈钢因其优异的机械强度、成形性和耐腐蚀性而被广泛应用，尤其在储罐、家电、排气系统及汽车结构件制造中表现突出。摩擦系数（COF）受多种参数影响，包括变形量、滑动速度、工具半径、表面粗糙度、润滑剂类型、表面涂层和接触压力等。为研究这些影响，条带拉伸试验（SDT）被广泛采用，其可模拟真实接触条件并在可控环境下分析摩擦行为。本研究旨在探讨滑动速度、工具粗糙度和法向力对AISI 304奥氏体不锈钢摩擦行为的系统性影响，并通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、硬度测试和表面粗糙度评估，阐明主要摩擦和磨损机制。

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2 实验部分

2.1 材料

实验采用AISI 304不锈钢板（厚度0.8 mm），表面光洁度符合ASTM A480/A480M-25标准的2B类型，表明材料经过冷轧、退火、酸洗和光整轧制（Skin Pass），具有光滑且略反光的表面。其化学成分如表1所示，氮元素的添加提高了拉伸和蠕变强度而不损害耐腐蚀性。力学性能通过单轴拉伸试验测定，样品沿轧制方向（0°、45°和90°）提取，结果如表2所示。硬化系数、法向各向异性系数、平均法向各向异性系数和平面各向异性系数依据Banabic等提出的指南确定。

对磨件采用VND钢（DIN: 1.2510）制造，并经过热处理（800°C淬火+油冷+260°C两次回火）以提高耐磨性。VND钢通常用于制造切削工具和模具。板料和对磨件的平均维氏硬度分别为158±5 HV和746±11 HV。表面平均粗糙度（R_a）使用便携式粗糙度仪测定，板料为0.0517 μm，对磨件为0.45 μm和1.83 μm（两种不同粗糙度对磨件用于评估参数影响）。使用光学轮廓仪和SEM分析板料表面的纹理/粗糙度轮廓和形貌。

2.2 实验流程

摩擦试验通过条带拉伸试验（SDT）进行，模拟深拉深过程中压边区域的接触力学（图2a、b）。该方法涉及在两个平面对磨件之间牵引金属条带，从而评估接触压力、条带滑动速度和对磨件表面粗糙度等参数的影响。试验使用专门设计并制造的装置（图3a、c）安装在板料摩擦模拟器上（图3b）。实验流程和操作参数如图4和表3所示，每组实验重复三次以确保结果可靠性。

样品切割毛刺使用600 grit湿砂纸去除，摩擦副表面在每次试验前用丙酮彻底清洁并润滑。润滑剂为典型冷成形矿物油，其运动粘度为120 mPa，密度为0.894 g/cm3。摩擦系数（COF）根据法向力（F_N）和切向力（F_T）计算，公式为：

μ = F_T / F_N

最终COF值为三次实验的算术平均值。

试验后，使用X射线衍射仪（XRD）分析磨损表面的微观结构变化，检测条件为CuKα辐射，2θ范围10°–90°，步长0.02°/s，电压50 kV，电流35 mA。

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3 结果与讨论

图5展示了典型试验曲线（法向力F_N、切向力F_T和COF随时间变化），试验参数为法向力350 N、滑动速度1.0 mm/s、对磨件粗糙度R_a=0.45 μm。0–5 s为启动阶段，随后力值上升归因于材料硬化。摩擦试验中观察到两个不同阶段：跑合期和稳态期。跑合期指表面间相互适应阶段，表现为COF值的快速上升和下降；随后系统进入更稳定的状态，摩擦变化较小，磨损可预测，称为稳态期。稳态期摩擦曲线的随机行为是由于粘滑现象（stick-slip）所致，该现象需满足两个条件：静摩擦系数（μ_s）大于动摩擦系数（μ_k），且系统具有足够的柔性允许滑动体速度变化。多数研究者认为，COF随速度增加而降低是产生粘滑行为的关键。高法向载荷下，粘滑幅度减小，源于塑性变形导致的加工硬化。

图6a、b展示了法向力对COF的影响。总体趋势表明，随法向力增加，COF明显降低。这一行为可能与超过一定载荷极限后摩擦力与法向力间关系不再线性相关有关，即COF随载荷变化。对磨件粗糙度R_a=0.45 μm时，平均COF介于0.170–0.323之间；而R_a=1.83 μm时，COF范围较小（0.160–0.268），表明粗糙度较大的工具使COF降低6–21%。该行为归因于油穴的存在和微凸体塑性变形机制。表面粗糙度较大的谷底作为更有效的润滑剂储库，促进润滑膜均匀分布，改善界面润滑效果。

板料成形过程中，两种摩擦机制主导摩擦行为：黏着和微凸体塑性变形。低夹紧力下，无润滑剂的微凸体最高点接触产生黏着摩擦，这是由于接触表面不规则处形成微观结合（金属键或范德华力）。黏着越强，剪切所需力越大，摩擦阻力增加。滑动开始后，磨擦摩擦逐渐主导，导致犁削机制，即工具硬微凸体在较软板料表面滑动，造成材料切割或侧向位移，形成碎屑、沟槽和剧烈塑性变形。黏着和磨擦机制共同导致粘滑现象。

随法向力增加，软金属板料的微凸体经历更剧烈的塑性变形，导致这些不规则处逐渐扁平化，显著改变表面形貌。润滑条件下，当微凸体扁平化过程触及充满润滑油的深谷时，摩擦阻力趋于降低。表面粗糙度剖面中的谷底作为工具与工件间的润滑剂储库，持续向界面供油，从而促进COF降低。然而，若载荷过高导致油穴体积减少，润滑效果受损，摩擦趋于稳定。从约700 N起，COF在不同试验条件下基本稳定，这一结果有助于定义板料成形工业中的最优载荷 regime。

此外，COF值随滑动速度增加而降低（图6）。高速下，板料与工具间相对运动促进更连续润滑膜形成，减少金属表面直接接触，使润滑 regime 更接近流体动力或半流体动力条件，摩擦显著降低。黏着摩擦需要足够时间形成紧密接触，高速限制了局部接触时间，从而减少黏着和局部塑性变形，降低实际接触面积。同时，界面产生的热量在高速下更易控制，避免润滑剂热降解并保持其粘度。

更粘稠的润滑剂通常能更有效降低板料成形中的摩擦。载荷作用下，润滑剂压力增加，形成流体静压垫，支撑部分载荷，减少表面直接接触，抑制实际接触面积增加，从而降低摩擦阻力。但过高载荷会损害润滑膜厚度，微凸体直接接触，激活黏着和磨擦机制，导致材料表面形貌显著改变。

图7展示了SDT试验后AISI 304钢带磨损表面的SEM图像，可见沟槽、碎屑、塑性变形和分层等多种摩擦磨损微观效应。如图1c所示，板料表面深谷作为界面润滑剂储库。低法向力下（图7a–d），犁削机制主导，与黏着和磨擦摩擦共同作用相关；而高法向力下（图7e、f），主导机制变为表面微凸体的塑性变形或扁平化。该现象通过促进油穴中润滑剂释放至界面，显著降低摩擦。Luiz和Rodrigues在弯曲拉伸（BUT）和条带拉伸（STT）试验中也观察到类似现象，BUT试验因弯曲和拉伸组合促进更严重摩擦 regime，局部塑性变形、沟槽和材料移除更集中；STT试验应力更均匀，磨损更均匀且表面损伤较轻。因此，加载方式显著影响AISI 304钢带在成形过程中磨损演变和摩擦学机制。

摩擦从700 N起趋于稳定，也可能与AISI 304钢带表面发生的微观结构转变相关。剧烈塑性变形（如冷成形或机械磨损）下，该材料可能经历相变诱导塑性（TRIP）效应，部分亚稳态奥氏体（γ）转变为更硬、更耐磨的马氏体（ε或α′），直接影响材料摩擦学行为。图8的XRD图谱显示，在不同试验参数下，材料表面存在三种相：γ-奥氏体、α′-马氏体和ε-马氏体，明确证实SDT试验滑动过程中发生了TRIP效应。

Luiz和Rodrigues在使用BUT和STT模拟拉深特定区域摩擦行为时也观察到这一现象，BUT试验因界面压力更大，马氏体相变更剧烈。图8结果表明，随法向力增加，TRIP效应变得更显著。Faria等指出，AISI 304钢的TRIP效应阻碍粗糙峰扁平化，允许更多润滑剂存储于表面谷底，从而促进更高效润滑膜形成，降低摩擦并改善材料在成形过程中的摩擦学性能，尤其在高速应变条件下。

TRIP效应可能显著影响后续成形步骤。若加工后需高机械强度（如汽车结构件或耐磨部件），该效应诱导的硬化有利；但若需进一步成形 ductility，奥氏体向马氏体转变可能成为障碍，降低材料变形能力，增加开裂风险，并需中间热处理恢复SMF过程所需机械性能。此外，高塑性变形可能破裂润滑膜并显著改变表面形貌，导致摩擦和磨损增加，损害后续需要精加工工艺（如精密冲压、抛光或功能/美学涂层应用）的质量。

通过简化Rietveld精修（Savitzky–Golay滤波器）调整图8衍射峰轮廓，可定量估计磨损表面相组成（图9）。马氏体形成分数取决于钢的化学成分、堆垛层错能、温度、冷却速率、应力状态和塑性变形程度等因素。即使室温低变形条件下，也可能发生马氏体相变。图9分析表明，随法向力和塑性变形增加，顺序马氏体相变γ→ε→α′趋于完成。对磨件粗糙度R_a=0.45 μm时，该转变逐渐发生，可能源于油穴中润滑剂吸收部分载荷并衰减微凸体变形效应。

如图10所示，随法向力增加，钢带表面硬度增加但在高载荷下趋于稳定。具体地，对磨件粗糙度R_a=0.45 μm时，板料硬度从≈182 HV增至374 HV，增幅15%–137%（图10a）；R_a=1.83 μm时，硬度从≈166 HV增至399 HV，增幅5%–153%（图10b）。该行为表明，使用更粗糙工具和高法向力时，板料硬度增加更显著，可能源于剧烈塑性变形过程中微凸体的加工硬化，与马氏体相变分析一致。较高速度（2.5和4.0 mm/s）下观察到的更大硬度增加（图10）可能与表面接触时间更短、热消散更低以及更集中剧烈变形有关，这些因素促进加工硬化表面硬化，并增强变形诱导马氏体相变，尤其在相对低温条件下。

图11显示，不同试验参数下，板料粗糙度参数R_a较初始条件增加。但使用更粗糙工具时（图11b），表面形貌较使用较光滑工具时（图11a）更平滑。该效应可能源于油穴的联合作用，改善润滑效率并扁平化板料微凸体，有助于降低微凸体峰高并加剧图6观察到的摩擦和磨损机制。

最后，本研究讨论的不同摩擦机制并非孤立作用，而是通过复杂动态叠加表现，难以量化和控制。通常，黏着和塑性变形机制受实际接触面积增加和表面微凸体硬化的强烈影响。这种叠加以可变且常无法检测的比例发生，使准确估计真实COF和 resulting wear 极具挑战性。

尽管存在这些限制，摩擦模拟试验（如本研究）提供了宝贵实验数据，可用作板料成形过程数值计算模拟的输入参数。此类模拟不仅有潜力降低生产成本，还能推动全球尺度挑战的技术解决方案发展，并显著提高制造零件生产率和质量。

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4 结论

本研究通过条带拉伸试验（SDT）系统探讨了工艺参数对AISI 304钢带摩擦学行为的影响，主要结论如下：

1. 1.

   平均摩擦系数（COF）随法向力增加而降低。低载荷下，黏着和磨擦机制主导；高载荷下，微凸体塑性变形主导。

2. 2.

   增加条带滑动速度降低平均COF，较高速度下结果相似。

3. 3.

   工具粗糙度R_a=0.45 μm时，COF介于0.170–0.323；R_a=1.83 μm时，COF介于0.160–0.268，降幅达6–21%。

4. 4.

   从700 N起，摩擦系数趋于稳定，随法向力增加呈 practically constant 行为。

5. 5.

   钢带磨损表面观察到沟槽、碎屑、塑性变形和分层等多种摩擦磨损微观效应，这些效应随法向力增加而加剧，导致板料粗糙度 progressive increase。

6. 6.

   试验板料表面发生微观结构变化，奥氏体（γ）通过TRIP效应转变为马氏体（ε和α′），随法向力增加，板料表面硬度提高。

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致谢

作者感谢米纳斯吉拉斯联邦技术教育中心（CEFET-MG），特别是材料工程研究生项目（POSMAT）和蒂莫特奥校区冶金与化学系（DMQTM）的技术支持和设备提供。感谢Aperam South America提供本研究所用样品。

本研究出版费用由巴西高等教育人才改进协调委员会（CAPES）资助。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者贡献

Felipe de Souza Leal：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、项目管理、验证、可视化、初稿撰写、审阅编辑。Anderson Júnior dos Santos：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、初稿撰写、审阅编辑。Cláudio Moreira de Alcantara：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、可视化、初稿撰写、审阅编辑。Wilian da Silva Labiapari：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、可视化、初稿撰写、审阅编辑。Valmir Dias Luiz：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、项目管理、资源、监督、验证、可视化、初稿撰写、审阅编辑。Tomasz Trzepieciński：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、验证、可视化、初稿撰写、审阅编辑。Jorge Luis Coleti：概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、项目管理、资源、监督、验证、可视化、初稿撰写、审阅编辑。所有作者对本工作贡献均等。