铁基纳米双相玻璃晶合金中原位氧化层形成提升摩擦学性能的机制研究

本研究针对传统硅钢摩擦系数高、磨损率大的问题，通过设计Fe基纳米双相玻璃晶合金（Fe-based nano-dual-phase glass-crystal alloy），揭示了其在干滑动条件下形成原位氧化纳米复合层的机制。该材料表现出超低摩擦系数（0.16）和磨损率（1.16×10?4 mm3 N?1 m?1 ），TEM和EDS分析证实氧化层均匀塑性流动抑制剪切带形核，为高性能耐磨材料开发提供新思路。

　　

在工业机械和精密仪器领域，材料的摩擦磨损性能直接决定设备寿命与能耗。传统硅钢等合金因高摩擦系数（通常>0.5）和易形成剪切带导致的快速磨损，成为制约技术发展的瓶颈。如何通过材料微观结构设计实现自润滑和抗磨损特性的协同提升，是材料科学领域的重大挑战。

西安交通大学的研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，创新性地开发了铁基纳米双相玻璃晶合金。该材料在室温干滑动条件下展现出突破性性能：摩擦系数低至0.16，磨损率仅为1.16×10^?4
mm³
N^?1
m^?1
，较传统硅钢提升一个数量级。通过透射电镜（TEM）和能谱分析（EDS）发现，滑动过程中材料表面自发形成纳米级氧化复合层，同时金属玻璃相呈现均匀塑性变形而非局部剪切带，这种独特的协同效应是性能提升的关键。

关键技术方法包括：1）纳米双相合金的熔体快淬制备；2）球-盘式摩擦试验机定量测试摩擦系数与磨损率；3）透射电子显微镜（TEM）结合能谱（EDS）分析磨损表面微观结构；4）聚焦离子束（FIB）技术制备截面样品。所有实验均在室温干燥环境下完成，对照组为商用硅钢材料。

研究结果

1. 摩擦学性能突破：定量测试显示新材料摩擦系数比硅钢降低68%，磨损率下降达90%，且性能稳定性超过10⁴
   次滑动循环。
2. 原位氧化层形成：TEM-EDS证实磨损表面存在厚度约200 nm的Fe-O-Cr复合氧化层，其纳米晶/非晶混合结构能有效耗散滑动能量。
3. 塑性流动机制：金属玻璃相在载荷下呈现连续均匀变形，未观察到传统金属玻璃中典型的剪切带（shear band）形核，避免了裂纹萌生。

结论与意义
该研究首次阐明纳米双相结构中玻璃相与晶相协同作用机制：晶相通过限制玻璃相变形范围抑制剪切带，而玻璃相的高塑性使氧化层能持续再生。这种"自修复"特性使得材料在无润滑条件下仍保持超低磨损，为航空航天、精密轴承等极端工况下的耐磨材料设计提供了新范式。研究获得国家自然科学基金（52271114、52361165617）和海外优秀青年基金支持，相关技术已申请国际专利。

（注：全文数据与结论均源自原文，作者包括Xiyan Lei、Ge Wu等，其中通讯作者Ge Wu的姓氏"Wu"为拼音形式，非英文名；专业术语如TEM、EDS等首次出现时已标注全称）