法向載荷和速度對(duì)β-HMX晶體納米劃痕性能的影響

曹之鴻，何洪途，李洪濤，李炳宏，銀穎，余家欣

法向載荷和速度對(duì)β-HMX晶體納米劃痕性能的影響

曹之鴻1，何洪途1，李洪濤2，李炳宏1，銀穎2，余家欣1

（1.西南科技大學(xué) 制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

揭示β-HMX晶體在微觀尺度下的摩擦和磨損特性。對(duì)β-HMX晶體進(jìn)行鑲樣拋光，并使用圓錐形金剛石探針在納米劃痕儀上進(jìn)行定載劃痕試驗(yàn)，獲得β-HMX晶體在不同法向載荷和滑動(dòng)速度下的劃入深度、殘余深度和摩擦因數(shù)，再通過(guò)光學(xué)顯微鏡表征晶體的表面損傷形貌。當(dāng)法向載荷從0.5 mN增加到3.5 mN，β-HMX晶體表面摩擦因數(shù)約增大2倍，劃入深度和殘余深度也明顯增加，晶體表面發(fā)生從彈性變形到塑性變形再到脆性去除3個(gè)階段。當(dāng)滑動(dòng)速度從5 μm/s逐漸增加到100 μm/s時(shí)，β-HMX晶體表面的摩擦因數(shù)減小約17%，劃入深度和殘余深度緩慢降低，晶體表面損傷形貌無(wú)明顯區(qū)別。β-HMX晶體的摩擦因數(shù)隨法向載荷的增加而增大，隨滑動(dòng)速度的增加而減小，且黏著摩擦因數(shù)大于犁溝摩擦因數(shù)。隨著法向載荷的增加，劃痕的劃入深度和殘余深度增加，彈性恢復(fù)率減小。隨著滑動(dòng)速度的增加，劃痕的劃入深度和殘余深度減小，彈性恢復(fù)率增加。另外，隨著法向載荷的增加，晶體的損傷形式經(jīng)歷從彈塑性變形到脆性破壞的轉(zhuǎn)變，而隨著滑動(dòng)速度的增加，損傷情況變化不明顯，表面損傷機(jī)制表現(xiàn)為機(jī)械性損傷與去除。

β-HMX晶體；納米劃痕；法向載荷；滑動(dòng)速度；劃痕深度；彈性回復(fù)；摩擦因數(shù)

作為現(xiàn)今軍事上綜合使用性能好的炸藥之一，奧克托今（HMX），也稱奧克托金、奧托金，因其優(yōu)異的能量和熱穩(wěn)定性被廣泛用于高威力導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部、傳爆藥和高能推進(jìn)劑等諸多航天和軍事領(lǐng)域[]。然而，以HMX為代表的含能晶體在異常刺激作用下可能會(huì)出現(xiàn)意外點(diǎn)火，從而嚴(yán)重影響炸藥整體的安全性[2-3]。例如，在炸藥跌落、撞擊等意外事故中，由于存在低幅值（數(shù)百M(fèi)Pa）、長(zhǎng)脈沖（幾百μs至ms級(jí)）的非沖擊載荷作用[4-5]，使得含能晶體之間或與其他接觸面產(chǎn)生摩擦，從而可能誘發(fā)摩擦熱點(diǎn)并導(dǎo)致炸藥發(fā)生異常點(diǎn)火甚至爆炸[6]。此外，這種含能晶體表界面的摩擦作用還普遍存在于炸藥的造粒、壓制和加工等工藝過(guò)程中[7]，因此，研究含能材料的表面摩擦學(xué)及其損傷行為，對(duì)保證炸藥的使用安全性具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者開始關(guān)注炸藥材料的摩擦學(xué)行為。美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Perry等[8]采用紅外相機(jī)記錄了澆注高聚物黏結(jié)炸藥（PBX）9501試樣與砧骨界面的溫度場(chǎng)，并指出炸藥的徑向快速流動(dòng)導(dǎo)致剪切摩擦是引發(fā)炸藥發(fā)生點(diǎn)火的主要原因。中國(guó)工程物理研究院趙繼波等[9]基于分離式霍普金森壓剪桿（SHPSB）裝置，考察了某PBX炸藥與金屬、非金屬材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)炸藥與不同材料界面間的動(dòng)摩擦因數(shù)及其變化規(guī)律各不相同，動(dòng)摩擦因數(shù)峰值的大小與沖擊加載速率、炸藥本身的結(jié)構(gòu)、組分和損傷形式密切相關(guān)。值得注意的是，上述對(duì)β-HMX晶體摩擦學(xué)的研究主要是基于宏觀尺度試驗(yàn)[8-9]，如分離式霍普金森壓剪桿裝置，同時(shí)，研究對(duì)象以PBX炸藥體系為主，其體現(xiàn)出的動(dòng)摩擦特性來(lái)源于黏結(jié)劑和含能晶體的共同作用，而無(wú)法區(qū)分黏結(jié)劑和含能晶體[9]。另外，前期研究表明含能材料的摩擦熱點(diǎn)機(jī)制發(fā)生在材料微納尺度。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)覃金貴等[10]利用裂紋摩擦熱點(diǎn)模型對(duì)無(wú)套筒SHPSB的摩擦點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，裂紋面的正壓力、裂紋相對(duì)滑動(dòng)速度及裂紋寬度的增大均能夠明顯促進(jìn)熱點(diǎn)形成，由此指出摩擦熱點(diǎn)集中出現(xiàn)在裂紋附近的微納米尺度，摩擦行為具有明顯的局域性特征。阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室Bennett等[11]通過(guò)考慮細(xì)觀裂紋周圍的熱傳導(dǎo)及炸藥化學(xué)反應(yīng)對(duì)熱點(diǎn)形成的影響，建立了閉合裂紋在剪切作用下滑動(dòng)摩擦生熱的細(xì)觀模型，同時(shí)發(fā)現(xiàn)摩擦熱點(diǎn)發(fā)生在裂紋作用面的微納尺度范圍。然而，目前從試驗(yàn)上開展β-HMX晶體微觀摩擦行為及其機(jī)制的研究仍然缺失。

為此，本研究主要借助納米劃痕技術(shù)，利用圓錐形金剛石探針從微觀尺度上獲得了β-HMX晶體在不同法向載荷和滑動(dòng)速度下的摩擦因數(shù)、劃入深度和殘余深度，并討論了法向荷載和滑動(dòng)速度對(duì)摩擦特性和殘余深度、彈性回復(fù)率等去除行為的影響。研究結(jié)果有助于揭示劃痕參數(shù)對(duì)β-HMX晶體表面變形和摩擦特性的影響，為β-HMX晶體在微觀尺度下的變形行為、摩擦特性和摩擦閃溫變化提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品

本試驗(yàn)所用的 β-HMX晶體為中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所提供。為了保證樣品光滑平整，首先使用冷鑲嵌料對(duì)單晶β-HMX進(jìn)行鑲樣處理，然后使用研磨拋光機(jī)（ZYP230，麥科材料加工設(shè)備公司，沈陽(yáng)）對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光。拋光處理后，使用三維輪廓白光干涉儀（MFT3000，Rtec，美國(guó)）對(duì)拋光后的晶體進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，得到樣品的面粗糙度a為(26.2±0.8) nm。通過(guò)納米壓痕測(cè)試，獲得β-HMX晶體的納米硬度為0.75 GPa、彈性模量s為 18.56 GPa。在進(jìn)行微觀劃痕試驗(yàn)之前，使用去離子水清洗β-HMX晶體，然后使用干燥空氣吹干待用。

1.2 納米劃痕試驗(yàn)

所有的納米劃痕試驗(yàn)均在納米劃痕儀（G200，Keysight，美國(guó)）進(jìn)行。劃痕探針采用曲率半徑為2 μm和錐角為54°的金剛石圓錐探針。在納米劃痕試驗(yàn)中，采用定載劃痕模式。為了表征法向載荷N對(duì)納米劃痕性能的影響，N設(shè)置范圍為0.5～3.5 mN，滑動(dòng)速度為5 μm/s。為了表征滑動(dòng)速度對(duì)納米劃痕性能的影響，設(shè)置范圍為5～100 μm/s，此時(shí)的法向載荷為2.5 mN。所有的納米劃痕長(zhǎng)度為150 μm。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性，單個(gè)參數(shù)條件下的納米劃痕試驗(yàn)至少重復(fù)3次。所有試驗(yàn)均在25 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行。在定載劃痕試驗(yàn)中，金剛石探針首先沿著劃痕的方向進(jìn)行表面形貌的預(yù)掃描，然后再在給定參數(shù)條件下以恒定載荷進(jìn)行納米劃痕試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)記錄金剛石探針劃入樣品的劃入深度和摩擦因數(shù)（圖1a），最后金剛石探針再沿著納米劃痕的方向進(jìn)行后掃描，得到經(jīng)部分彈性回復(fù)后的劃痕殘余深度信息。使用三維輪廓白光干涉儀（MFT3000，Rtec，美國(guó)）對(duì)劃痕殘余深度進(jìn)行表征（圖1b）。為了清楚表征材料的去除行為和斷裂模式，使用光學(xué)顯微鏡（BX51-P，Olympus，日本）表征納米劃痕試驗(yàn)后樣品的表面損傷形貌。另外，使用拉曼光譜儀（InVia，Renishaw，英國(guó)）對(duì)β-HMX晶體納米劃痕損傷機(jī)制進(jìn)行分析。

圖1 圓錐探針定載劃痕示意圖和在3.5 mN法向載荷下的三維形貌

2 結(jié)果及分析

2.1 法向載荷和滑動(dòng)速度對(duì)β-HMX晶體摩擦特性的影響

圖2a和圖2b分別對(duì)比了β-HMX晶體在不同法向載荷和滑動(dòng)速度下摩擦因數(shù)（COF）的變化?；瑒?dòng)速度為5 μm/s時(shí)，當(dāng)法向載荷從0.5 mN增加至3.5 mN，摩擦因數(shù)從0.38逐漸增大到0.82。此外，摩擦因數(shù)在較高法向載荷條件下的誤差帶增加，表明摩擦因數(shù)波動(dòng)變得劇烈（圖2a）。而法向載荷為2.5 mN時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)速度從5 μm/s逐漸增加為100 μm/s，摩擦因數(shù)從0.73逐漸降低為0.61（圖2b），同時(shí)，摩擦因數(shù)在速度較低時(shí)的降低趨勢(shì)更明顯，而當(dāng)滑動(dòng)速度高于60 μm/s時(shí)，摩擦因數(shù)下降減緩，開始趨于穩(wěn)定。

圖2 不同條件下的摩擦因數(shù)

通常情況下，材料表面的總摩擦因數(shù)可以表示為黏著摩擦因數(shù)a和犁溝摩擦因數(shù)p之和[12]：

=a+p(1)

在法向載荷較小時(shí)，材料只有彈性變形而沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形，此時(shí)材料表面與金剛石探針的接觸可以近似為赫茲彈性接觸，而材料表面的摩擦力主要來(lái)源于β-HMX晶體和金剛石探針的黏著，此時(shí)界面的黏著摩擦力可通過(guò)公式（2）計(jì)算[13]。

a=s·c(2)

式中：s為界面剪切強(qiáng)度，GPa；c為探針和樣品之間的彈性接觸面積，nm2。將接觸面積c=π′2和彈性變形的接觸半徑′=[3n/(4r)]1/3代入公式（2）并除以法向載荷N可以得到黏著摩擦因數(shù)a：

當(dāng)法向載荷超過(guò)彈塑性轉(zhuǎn)變臨界載荷，塑性變形逐漸對(duì)摩擦產(chǎn)生貢獻(xiàn)，此時(shí)材料將遭受明顯的犁溝摩擦作用。在本試驗(yàn)中，金剛石探針的曲率半徑= 2 000 nm，錐角=54°，因此，金剛石探針從尖端球形到根部錐形的臨界轉(zhuǎn)變深度為cr=(1?sin)= 1 090 nm（圖3a）。在給定的試驗(yàn)條件下，金剛石探針劃入β-HMX晶體的最大劃入深度為760 nm，遠(yuǎn)小于金剛石探針從球形到錐形的臨界轉(zhuǎn)變深度（1 090 nm），表明金剛石探針與β-HMX晶體的劃痕過(guò)程可以簡(jiǎn)化為球形探針與晶體表面的劃痕過(guò)程，如圖3b所示。由于材料在摩擦過(guò)程中的彈性回復(fù)會(huì)影響犁溝摩擦因數(shù)（圖3b球形探針紅線部分）[15-16]，因此，為了準(zhǔn)確計(jì)算β-HMX晶體和金剛石探針的犁溝摩擦因數(shù)p，在對(duì)犁溝摩擦因數(shù)的計(jì)算推導(dǎo)中必須考慮材料彈性回復(fù)的影響。犁溝摩擦因數(shù)p可表示為劃痕方向的投影面積L與探針接觸區(qū)域法向方向的投影面積N之比，其中L、N和p分別表示為[17]：

另外，值得注意的是，赫茲接觸模型只適用于彈性范圍內(nèi)，當(dāng)材料進(jìn)入塑性變形后，赫茲接觸模型對(duì)于黏著摩擦因數(shù)的計(jì)算不再適用。因此，在塑性變形范圍內(nèi)，黏著摩擦因數(shù)根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。圖4a和圖4b分別對(duì)比了不同載荷和速度條件下黏著摩擦因數(shù)a和犁溝摩擦因數(shù)p在β-HMX晶體表面總摩擦因數(shù)中的貢獻(xiàn)。當(dāng)法向載荷從0.5 mN逐漸增加到3.5 mN時(shí)，β-HMX晶體表面的黏著摩擦因數(shù)a從0.35增加到0.5，而對(duì)應(yīng)的犁溝摩擦因數(shù)p從0.036增加到0.32（圖4a）。當(dāng)滑動(dòng)速度從5 μm/s逐漸增加為100 μm/s時(shí)，β-HMX晶體表面的黏著摩擦因數(shù)a從0.5減小到0.42，而對(duì)應(yīng)的犁溝摩擦因數(shù)p從0.23降低到0.19（圖4b）?？梢钥闯觯谒械脑囼?yàn)參數(shù)條件下，黏著摩擦因數(shù)均大于犁溝摩擦因數(shù)，表明β-HMX晶體進(jìn)入塑性變形后，黏著摩擦仍占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)總摩擦因數(shù)的貢獻(xiàn)較大，這可能是β-HMX晶體具有較高的表面能[18]，從而增大了黏著力，使得黏著摩擦因數(shù)增大。

圖3 圓錐探針在樣品表面的滑動(dòng)模型

圖4 不同條件下的犁溝摩擦因數(shù)和黏著摩擦因數(shù)

2.2 法向載荷和滑動(dòng)速度對(duì)β-HMX晶體劃痕變形的影響

圖5對(duì)比了β-HMX晶體在不同法向載荷條件下的劃痕深度和彈性回復(fù)。隨著法向載荷從0.5 mN逐漸增加到3.5 mN，β-HMX晶體的劃入深度從84 nm逐漸增加到762 nm，而對(duì)應(yīng)的殘余深度從48 nm逐漸增加到594 nm（圖5a）。除了劃入深度和殘余深度，彈性回復(fù)率，即在給定工況條件下回彈深度（劃入深度和殘余深度的差值）和劃入深度的比值，也可以作為納米劃痕性能的指標(biāo)[19]。從圖5b中的彈性回復(fù)率與法向載荷的關(guān)系可以看出，隨著法向載荷的增加，β-HMX晶體納米劃痕的彈性回復(fù)率逐漸減小，同時(shí)數(shù)據(jù)的離散在增加。這些現(xiàn)象表明隨著法向載荷的增加，β-HMX晶體納米劃痕的塑性變形程度增加，同時(shí)納米劃痕表面的變形模式也發(fā)生了由彈塑性變形到脆性破壞的轉(zhuǎn)變。

圖6對(duì)比了β-HMX晶體在不同滑動(dòng)速度條件下的劃痕深度和彈性回復(fù)，此時(shí)的法向載荷為2.5 mN。從圖6a可以看出，隨著滑動(dòng)速度從5 μm/s逐漸增加至100 μm/s，β-HMX晶體納米劃痕的劃入深度從528 nm逐漸降低至435 nm，而對(duì)應(yīng)的殘余深度從412 nm逐漸降低至332 nm。但是，彈性回復(fù)率隨著滑動(dòng)速度的增加從21%僅增加至23%（圖6b）。因此，在整個(gè)納米劃痕過(guò)程中，隨著滑動(dòng)速度的增加，探針與β-HMX晶體的接觸時(shí)間減小，導(dǎo)致β-HMX晶體納米劃痕的塑性變形的響應(yīng)時(shí)間減小，進(jìn)而導(dǎo)致劃入深度和殘余深度降低。在單晶硅、玻璃和氮化硅等材料表面也發(fā)現(xiàn)了材料的殘余深度隨著滑動(dòng)速度增加而減小的現(xiàn)象[20-22]。

通常條件下，材料的納米劃痕性能與其劃痕硬度密切相關(guān)[23-24]，這里劃痕硬度s為樣品產(chǎn)生單位體積損傷量時(shí)所做的功，其中總功、總損傷體積和劃痕硬度s分別表示為[25]：

圖5 不同法向載荷下的劃痕深度和彈性回復(fù)率

圖6 不同滑動(dòng)速度下的劃痕深度和彈性回復(fù)率

式中：L為納米劃痕過(guò)程中的摩擦力，為劃痕長(zhǎng)度，L為在給定的參數(shù)條件下探針在材料表面滑動(dòng)時(shí)的切向投影面積，如圖3b所示。圖7a和圖7b分別對(duì)比了β-HMX晶體在不同法向載荷和不同滑動(dòng)速度下的劃痕硬度?？梢钥闯?，隨著法向載荷從0.5 mN逐漸增加到3.5 mN，β-HMX晶體的納米劃痕硬度從1.1 GPa降低至0.8 GPa（圖7a）。隨著滑動(dòng)速度從5 μm/s逐漸增加至100 μm/s，β-HMX晶體的納米劃痕硬度從0.8 GPa增加至1.0 GPa（圖7b）。這些結(jié)果表明，β-HMX晶體的納米劃痕性能與其納米劃痕硬度密切相關(guān)。從圖5a和圖7a可以看出，在相同滑動(dòng)速度下，隨著法向載荷的增大，納米劃痕硬度減小，其對(duì)應(yīng)納米劃痕的劃入深度和殘余深度增大。同樣地，對(duì)比圖6a和圖7b，在相同法向載荷下，隨著滑動(dòng)速度的增大，納米劃痕硬度增大，其對(duì)應(yīng)納米劃痕的劃入深度和殘余深度減小。這里可以看出，對(duì)于β-HMX晶體，劃痕硬度和劃痕深度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。

圖7 不同條件下的劃痕硬度

2.3 法向載荷和滑動(dòng)速度對(duì)β-HMX晶體劃痕損傷的影響

為了進(jìn)一步掌握β-HMX晶體在不同法向載荷和滑動(dòng)速度下的表面損傷情況，圖8對(duì)比了不同法向載荷的劃痕形貌的光鏡圖。從劃痕殘余形貌可以看出，當(dāng)法向載荷為0.5 mN時(shí)，變形為彈塑性變形階段，劃痕表面形貌光滑，無(wú)裂紋產(chǎn)生（圖8a）。隨著法向載荷增加到1.5 mN和2.5 mN時(shí)，材料表面損傷變形程度增加，劃痕邊緣出現(xiàn)微裂紋，并有少量的磨屑產(chǎn)生（圖8b和圖8c）。最后，隨著法向荷載增加到3.5 mN，材料進(jìn)入脆性斷裂階段，劃痕產(chǎn)生連續(xù)裂紋，部分裂紋擴(kuò)展到劃痕兩側(cè)，在劃痕邊緣產(chǎn)生大量磨屑（圖8d），導(dǎo)致通過(guò)宏觀切削去除材料，對(duì)β-HMX晶體起到了很明顯的破壞作用。

圖9顯示了在2.5 mN的法向載荷下，β-HMX晶體在不同滑動(dòng)速度下的劃痕形貌光鏡圖。圖8c的結(jié)果表明，在2.5 mN的法向載荷條件下，β-HMX晶體會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損傷，因此不同滑動(dòng)速度下材料表面均出現(xiàn)較嚴(yán)重的損傷。值得注意的是，不同的滑動(dòng)速度下，材料表面的損傷情況在光鏡圖中并未發(fā)現(xiàn)有太大區(qū)別，均出現(xiàn)一些微裂紋，并伴隨磨屑產(chǎn)生。然而，圖6的結(jié)果表明，滑動(dòng)速度越大，β-HMX晶體的彈性回復(fù)率越高，因此殘余深度隨著滑動(dòng)速度的增大而減小。

圖8 滑動(dòng)速度為5 μm/s時(shí)不同法向載荷的劃痕形貌光鏡圖

圖9 法向載荷為2.5 mN時(shí)不同滑動(dòng)速度的劃痕形貌光鏡圖

為了進(jìn)一步揭示β-HMX晶體表面納米劃痕損傷機(jī)制，圖10對(duì)比了β-HMX晶體表面、納米劃痕內(nèi)部和劃痕產(chǎn)生的磨屑的拉曼光譜?？梢钥闯?，原始β-HMX晶體表面存在4個(gè)主要的拉曼特征峰，分別為834、882、951、1 312 cm?1，這些特征峰分別對(duì)應(yīng)于β-HMX晶體的C—N鍵、N—N鍵、HMX環(huán)和—NO2鍵[26]。從納米劃痕內(nèi)部、劃痕產(chǎn)生的磨屑以及β-HMX晶體表面的拉曼光譜對(duì)比來(lái)看，無(wú)論是納米劃痕內(nèi)部和磨屑的拉曼光譜與原始晶體表面的拉曼光譜基本一致，這表明β-HMX晶體在納米劃痕的刻劃過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生明顯的局部化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。這些現(xiàn)象也進(jìn)一步證明在納米劃痕過(guò)程中，β-HMX晶體表面沒(méi)有產(chǎn)生摩擦誘導(dǎo)的摩擦化學(xué)反應(yīng)，而機(jī)械作用主導(dǎo)了β-HMX晶體表面的納米劃痕性能，這也與圖5至圖9中β-HMX晶體表面出現(xiàn)機(jī)械性損傷與去除的結(jié)果一致。

圖10 β-HMX晶體劃痕的拉曼光譜圖（該劃痕的載荷和速度分別為3.5 mN和5 μm/s）

在經(jīng)典的裂紋摩擦熱點(diǎn)模型的溫度計(jì)算過(guò)程中[10]，由于無(wú)套筒SHPSB測(cè)量摩擦因數(shù)僅為0.1，數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)源于黏結(jié)劑和含能晶體的共同作用，因此模型的修正系數(shù)高達(dá)14才能和試驗(yàn)結(jié)果相符。而納米劃痕試驗(yàn)為測(cè)量材料的摩擦因數(shù)提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法，能夠直接獲得β-HMX晶體的摩擦因數(shù)。在本試驗(yàn)中測(cè)量得到β-HMX晶體的摩擦因數(shù)最高可達(dá)0.82，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.1。因此含能晶體的摩擦因數(shù)對(duì)裂紋摩擦熱點(diǎn)模型起著重要影響，需要正確區(qū)分黏結(jié)劑和含能晶體的摩擦因數(shù)，這樣能有效降低修正系數(shù)，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在微納米尺度下的劃痕試驗(yàn)中，隨著接觸應(yīng)力和剪應(yīng)力的增加，材料通常會(huì)發(fā)生彈性變形、塑性變形或流動(dòng)（韌性階段材料去除）和裂紋萌生（脆性階段）[27]。隨著法向載荷的增大，劃痕深度和摩擦因數(shù)隨著增大，表面損傷朝著脆性斷裂的階段發(fā)展，在此過(guò)程中，晶體的變形程度愈加劇烈。另一方面，隨著滑動(dòng)速度的增加，劃痕深度和摩擦因數(shù)卻隨之減小，表面損傷無(wú)明顯區(qū)別。通過(guò)摩擦閃溫模型[28]可以發(fā)現(xiàn)，閃溫受到摩擦因數(shù)、法向載荷和滑動(dòng)速度三者的共同作用，呈正相關(guān)關(guān)系。法向載荷增加，摩擦因數(shù)增大，這更有利于閃溫上升。另外，雖然滑動(dòng)速度增加，摩擦因數(shù)降低，但是通過(guò)圖3b可知，摩擦因數(shù)下降后趨于穩(wěn)定，所以滑動(dòng)速度的增加對(duì)閃溫上升也起著正向作用。對(duì)于β-HMX晶體，無(wú)論是法向載荷增加，還是滑動(dòng)速度增大，對(duì)于閃溫上升都起著積極作用，促進(jìn)裂紋面摩擦熱點(diǎn)的產(chǎn)生。因此在β-HMX晶體的造粒、壓制和加工等工藝過(guò)程中，都應(yīng)主動(dòng)控制其表面的摩擦因數(shù)，預(yù)防出現(xiàn)意外點(diǎn)火和爆炸。

3 結(jié)論

1）β-HMX晶體的摩擦因數(shù)隨法向載荷的增加而增大，隨滑動(dòng)速度的增加而減小，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，界面的黏著摩擦因數(shù)均大于犁溝摩擦因數(shù)。

2）對(duì)于β-HMX晶體，隨著法向載荷增加，表面納米劃痕的劃入深度和殘余深度增大，彈性恢復(fù)率減小。隨著滑動(dòng)速度增大，劃痕的劃入深度和殘余深度減小，彈性恢復(fù)率增大。β-HMX晶體的納米劃痕性能與其劃痕硬度密切相關(guān)，在不同的法向載荷或滑動(dòng)速度下，納米劃痕硬度越大，其對(duì)應(yīng)的納米劃痕的劃入深度和殘余深度越小，呈相反的變化趨勢(shì)。

3）隨著法向載荷的增加，β-HMX晶體的損傷形式經(jīng)歷從彈塑性變形到脆性破壞的轉(zhuǎn)變，而隨著滑動(dòng)速度的增大，損傷情況變化不明顯。現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，β- HMX晶體表面的損傷機(jī)制表現(xiàn)為機(jī)械性損傷與去除。

[1] 田貝貝, 陳麗珍, 張朝陽(yáng). HMX分子與晶體結(jié)構(gòu)性能研究進(jìn)展[J]. 含能材料, 2019(10): 883-892.

TIAN Bei-bei, CHEN Li-zhen, ZHANG Chao-yang. Review on Structural Properties of HMX Molecules and Crystals[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2019(10): 883-892.

[2] Green L G, James E, Lee E L, et al. Delayed Deto-nation in Propellants from Low-Velocity Impact[C]//Pro-ce-edings of the 7th International Detonation Symposium. Annapolis: [n. s.], 1981: 256-264.

[3] Bofyle V, Frey R, Blake O. Combined Pressure Shear Ignition of Explosives[C]//Proceedings of the 9th International Detonation Symposium. Portland: [n. s.], 1989: 3-17.

[4] Guengant Y, Quidot M. Experimental and Num-erical Study of XDT Using the Double Card Gap Test[C]. Proceedings of the 11th International Detonation Sympo-sium. Snowmass, Colorado, 1998: 701-706.

[5] 陳朗, 柯加山, 方青, 等. 低沖擊下固體炸藥延遲起爆(XDT)現(xiàn)象[J]. 爆炸與沖擊, 2003, 23(3): 214-218.

CHEN Lang, KE Jia-shan, FANG Qing, et al. Delayed Detonation of Solid Explosives under Low Amplitude Shock Wave Loading[J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(3): 214-218.

[6] Field J E, Bourne N K, Palmer S J P, et al.. Hot- Spot Ignition Mechanisms for Explosives and Prope-llants[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A: Physical and Engineering Sciences, 1992, 339(1654): 269-283.

[7] 陳鵬萬(wàn), 丁雁生, 陳力. 含能材料裝藥的損傷及力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2002, 32(2): 212-222.

CHEN Peng-wan, DING Yan-sheng, chen li. Progress in the Study of Damage Andmechanical Properties of Energeticmaterials[J]. Advances in Mechanics, 2002, 32(2): 212-222.

[8] PERRY W L, GUNDERSON J A, BALKEY M M, et al. Impact-Induced Friction Ignition of an Explosive: Infrared Observations and Modeling[J]. Journal of Applied Phy-sics, 2010, 108(8): 084902.

[9] 趙繼波, 李克武, 傅華, 等. 炸藥與不同材料之間摩擦因數(shù)的研究[J]. 高壓物理學(xué)報(bào), 2014, 28(5): 591-596.

ZHAO Ji-bo, LI Ke-wu, FU Hua, et al. Research on the Friction Coefficient between Explosive and Different Materials[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(5): 591-596.

[10] 覃金貴. PBX炸藥非沖擊點(diǎn)火機(jī)制試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2014.

QIN Jin-gui. Experimental Investigation and Numerical Modelling of Non-Shock Ignition Mechanism in PBX Explosives[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2014.

[11] BENNETT J G, HABERMAN K S, JOHNSON J N, et al. A Constitutive Model for the Non-Shock Ignition and Mechanical Response of High Explosives[J]. Journal of theMechanics and Physics of Solids, 1998, 46(12): 2303-2322.

[12] BOWDEN F P, TABOR D. The Friction and Lubrication of Solids[M]. New York: Oxford University Press, 2001.

[13] BHUSHAN B. Handbook of Micro/Nano Tribology[M]. 2nd ed. Boca Raton: CRC press, 2020.

[14] LI Ming, TAN Wu-jun, KANG Bin, et al. The Elastic Modulus of β-HMX Crystals Determined by Nanoin-dentation[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2010, 35(4): 379-383.

[15] LAFAYE S, TROYON M. On the Friction Behaviour in Nanoscratch Testing[J]. Wear, 2006, 261(7-8): 905-913.

[16] MISHRA M, SZLUFARSKA I. Analytical Model for Plowing Friction at Nanoscale[J]. Tribology Letters, 2012, 45(3): 417-426.

[17] LAFAYE S, GAUTHIER C, SCHIRRER R. The Ploug-hing Friction: Analytical Model with Elastic Recovery for a Conical Tip with a Blunted Spherical Extremity[J]. Tribology Letters, 2006, 21(2): 95-99.

[18] TAO Jun, WANG Xiao-feng. Crystal Structure and Morp-hology of β-HMX in Acetone: A Molecular Dynamics Simulation and Experimental Study[J]. Journal of Chemical Sciences, 2017, 129(4): 495-503.

[19] WASMER K, PARLINSKA-WOJTAN M, GRA?A S, et al. Sequence of Deformation and Cracking Behaviours of Gallium-Arsenide during Nano-Scratching[J]. Materials Chemistry and Physics, 2013, 138(1): 38-48.

[20] WANG Bing, MELKOTE S N, SARAOGI S, et al. Effect of Scratching Speed on Phase Transformations in High- Speed Scratching of Monocrystalline Silicon[J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 772: 138836.

[21] LI Chen, ZHANG Fei-hu, DING Ye, et al. Surface Defor-mation and Friction Characteristic of Nano Scratch at Ductile-Removal Regime for Optical Glass BK7[J]. Appl-ied Optics, 2016, 55(24): 6547-6553.

[22] LI Zhi-peng, ZHANG Fei-hu, LUO Xi-chun, et al. Funda-mental Understanding of the Deformation Mechanism and Corresponding Behavior of RB-SiC Ceramics Subjected to Nano-Scratch in Ambient Temperature[J]. Applied Surface Science, 2019, 469: 674-683.

[23] GU W, YAO Z, LI K. Evaluation of Subsurface Crack Depth during Scratch Test for Optical Glass BK7[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2011, 225(12): 2767-2774.

[24] TSYBENKO H, FARZAM F, DEHM G, et al. Scratch Hardness at a Small Scale: Experimental Methods and Correlation to Nanoindentation Hardness[J]. Tribology International, 2021, 163: 107168.

[25] SAWAMURA S, WONDRACZEK L. Scratch Hardness of Glass[J]. Physical Review Materials, 2018, 2(9): 092601.

[26] 欒潔玉, 陳智群, 寧艷利, 等. 典型單質(zhì)炸藥晶體結(jié)晶品質(zhì)的顯微拉曼光譜法評(píng)價(jià)分析[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2014, 43(1): 233-236.

LUAN Jie-yu, CHEN Zhi-qun, NING Yan-li, et al. Evalu-ation of Single Compound Explosive's Crystal Quality by Micro-Raman Spectroscopy[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2014, 43(1): 233-236.

[27] CHEN Lei, YANG Ming-chu, YU Jia-xin, et al. Nanof-retting Behaviours of Ultrathin DLC Coating on Si(1 0 0) Substrate[J]. Wear, 2011, 271(9-10): 1980-1986.

[28] KLO? H, WOYDT M. Prediction of Tribological Limits in Sliding Contacts: Flash Temperature Calculations in Sliding Contacts and Material Behavior[J]. Journal of Tribology, 2016, 138(3): 03143.

Effect of Normal Load and Velocity on Nanoscratch Behavior of β-HMX Crystals

1,1,2,1,2,1

(1. Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621000, China; 2. Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China)

As a mainly polymer bonded explosive (PBX) system, the tribology behavior of β-HMX crystal is mostly conducted by macro-scale experiments, where the friction characteristics come from the joint action of binder and energetic crystal. Most importantly, it is impossible to distinguish the friction contribution from binder and energetic crystal from macro-scale experiments. Experimental research on micro-friction behavior and mechanism can provide a deeper understanding of the friction of β-HMX crystal. In this study, the scratch depth and residual depth as well as coefficient of friction (COF) of β-HMX crystal under different normal loads and scratch velocities were obtained from the nanoscratch experiments, and the influences of normal load and scratch velocity on tribological behaviors were discussed.

The β-HMX crystal particles were embedded in cylinders with a diameter of 20 mm and a height of 7 mm by cold inlay material, and then the sample surface was polished by a grinding and polishing machine (ZYP230) to facilitate the micro-scale friction experiments. The roughness of the polished crystal was determined with a three-dimensional white light interferometer (MFT3000). The nanoscratch experiment was conducted with the constant load scratch mode using nano scratch tester (G200), and the counter-surface (tip) for the nanoscratch was a diamond cone tip with a curvature radius of 2 μm and a cone angle of 54°. To reveal the load-dependent nanoscratch behavior of β-HMX, the normal load was set from 0.5 mN to 3.5 mN, where the scratch velocity was fixed at 5 μm/s. The scratch velocity was set from 5 μm/s to 100 μm/s to explore the velocity-dependent nanoscratch behavior where the normal load was fixed at 2.5 mN. After the scratch experiment, the residual depth was characterized by a three-dimensional contour white light interferometer (MFT3000). Finally, the optical microscope (BX51-P) was used to characterize the surface damage morphology, and Raman spectrometer (InVia) was used to analyze the pristine β-HMX crystal, the inside of nanoscratch and the debris generated by scratch.

When the normal load increases from 0.5 mN to 3.5 mN, COF increases by ～2 times and the scratch depth and residual depth of β-HMX crystals increase obviously. Depending on the applied load, the crystal surface goes through elastic, plastic deformation, and brittle removal. As the scratch velocity increases from 5 μm/s to 100 μm/s, COF decreases approach 17% and the scratch depth and residual depth decrease slowly. The optical microscopy images show that there is no significant difference in crystal surface damage under various scratch velocity conditions, while the Raman spectra of nanoscratch and debris are identical with those of the original crystal surface.

Further analyses reveal that COF of β-HMX crystal increases with normal load, but decreases with scratch velocity. The adhesion friction coefficient plays more important roles than ploughing friction. Moreover, the elastic recovery of β-HMX surface upon nanoscratch tests decreases with normal load, but increases with scratch velocity. As the normal load increases, the damage form of the crystal undergoes a transition from elastic-plastic deformation to brittle fracture, but the damage does not change significantly with the scratch velocity. Under the existing experimental conditions, the dominated damage mechanism of β-HMX surface is mechanical damage and removal. The obtained results are helpful for the safety control of β-HMX crystal during its manufacturing and serving process.

β-HMX; nanoscratch; normal load; scratch velocity; scratch depth; elastic recovery;coefficient of friction

TH117.1

A

1001-3660(2022)11-0253-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.023

2021–10–14；

2022–01–11

2021-10-14；

2022-01-11

中國(guó)工程物理研究院院長(zhǎng)基金（YZJJLX2020005）

Presidential Foundation of CAEP (YZJJLX2020005)

曹之鴻（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

CAO Zhi-hong (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: mechanical engineering.

余家欣（1982—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

YU Jia-xin (1982-), Male, Ph. D., Professor, Research focus: mechanical design and theory.

曹之鴻, 何洪途, 李洪濤, 等.法向載荷和速度對(duì)β-HMX晶體納米劃痕性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 253-261.

CAO Zhi-hong, HE Hong-tu, LI Hong-tao, et al. Effect of Normal Load and Velocity on Nanoscratch Behavior of β-HMX Crystals[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 253-261.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清