基于單顆金剛石劃擦的單向Cf/SiC復(fù)合材料去除機理

摘要" 為研究單向Cf/SiC復(fù)合材料劃擦去除機理，采用單顆金剛石磨粒開展準靜態(tài)劃擦試驗，分析不同壓痕載荷下劃擦材料的聲發(fā)射信號變化，結(jié)合SEM形貌分析材料的去除行為和劃擦去除機理。試驗結(jié)果表明：聲發(fā)射信號強度隨著壓痕載荷增加而增強，相同參數(shù)下SB方向信號值更大，信號波動更劇烈。結(jié)合聲發(fā)射信號與SEM形貌分析，得出材料在不同方向的劃擦去除行為，材料以脆性去除為主，SA方向纖維以拉伸斷裂和纖維拔出為主，SB方向纖維主要斷裂方式為彎曲斷裂和剪切斷裂。根據(jù)SEM形貌分析，闡述去除行為的形成過程，即解釋材料劃擦去除機理。

關(guān)鍵詞" 單向Cf/SiC復(fù)合材料；單顆磨粒劃擦試驗；聲發(fā)射信號；材料去除機理

碳纖維增強碳化硅陶瓷復(fù)合材料（Cf/SiC）因其耐高溫、高比剛度和比強度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天的關(guān)鍵零部件和軌道交通領(lǐng)域的制動件[1-3]。磨削加工是硬脆復(fù)合材料加工的主要方式和精密可控去除的主要手段[4-6]。但是其加工機理尚未明了，加工容易產(chǎn)生纖維拉伸斷裂和基體破碎等缺陷，影響構(gòu)件的質(zhì)量和使用。

磨削加工中，大量磨粒循環(huán)、不間斷地對材料表面進行切除，各劃痕互相重疊，難以通過已加工表面準確理解磨削機理。為減少多磨粒產(chǎn)生的劃痕對研究材料去除機理的影響，許多學者開展了大量研究。LUNA等[7-9]采用單顆磨粒和多顆陣列磨粒劃擦SiC/SiC復(fù)合材料，并通過SEM等測量手段研究基體和纖維的去除形式，分析磨粒形狀和纖維取向?qū)δハ鳈C理的影響。LI等[10-11]通過開展圓形劃擦路徑的單顆磨粒劃擦試驗，研究不同纖維方向下，劃擦參數(shù)對材料磨削力、表面完整性以及亞表面區(qū)域的影響。此外，SANCHEZ等[12]對多晶陶瓷材料進行了一系列單磨料劃痕試驗，收集劃痕過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并結(jié)合劃痕的表面特征形態(tài)，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號與材料去除過程之間存在明顯聯(lián)系。

在以往學者針對磨削機理開展的單顆磨粒劃擦試驗中，劃擦速度與實際加工相當，磨粒進入材料一瞬間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，易造成試驗結(jié)果出現(xiàn)誤差[10，13]。但實際磨削加工時，砂輪表面多顆磨粒共同作用下，磨粒平穩(wěn)進入材料，期間無過大沖擊載荷產(chǎn)生。

本文中，開展準靜態(tài)條件下單顆金剛石磨粒劃擦單向Cf/SiC復(fù)合材料試驗，對不同參數(shù)下劃擦試驗的聲發(fā)射信號進行分析，結(jié)合SEM劃痕表面，分析不同參數(shù)下材料去除行為和劃擦去除機理。

1" 單顆金剛石磨粒劃擦試驗

劃擦試驗裝置為WS-2005金剛石劃針恒壓劃擦設(shè)備（圖1）。洛氏金剛石劃針如圖1b所示，劃針錐角為（120°±30′），尖端半徑為（0.20±0.01） mm。同時，劃擦儀器配備力傳感器和聲發(fā)射信號傳感器，其中力傳感器（FSA-2）的綜合誤差和重復(fù)性誤差分別為0.05%FS和0.03%FS，精度為0.01 N，采樣頻率為60 Hz；聲發(fā)射信號傳感器采集頻率為60 Hz。

試驗所使用的試件均為基于化學氣相沉積法制備的單向Cf/SiC復(fù)合材料，其尺寸為10 mm × 10 mm × 10 mm，材料密度為2.1 g/cm3。材料主要成分為SiC基體、T300碳纖維增強相和熱解碳界面，碳纖維直徑為6.9 μm，體積分數(shù)為60%。由于平行碳纖維與碳化硅基體影響，材料表現(xiàn)出非均質(zhì)異構(gòu)的特性。材料的物理和力學性能如表1所示。從表1可以得出材料的軸向機械強度比徑向機械強度高。

根據(jù)材料纖維方向和劃針前進方向的不同，定義劃擦方向SA和SB。劃擦試驗加工方向如圖2所示，其中vw為劃擦前進方向，SA為劃針前進方向平行于纖維方向，SB為劃針前進方向垂直于纖維方向。

參考文獻[10]和文獻[11]的單顆磨粒劃擦試驗，選用的壓痕載荷為1～10 N。為了確定具體參數(shù)，在正式試驗前開展預(yù)試驗。當壓痕載荷小于1 N時，金剛石壓頭無法使試件表面產(chǎn)生明顯劃痕。因此，將壓痕載荷的最小值選為1 N。當壓痕載荷超過5 N時，材料表面被嚴重破壞，導(dǎo)致無法有效觀察基材從碳纖維上脫落的形式。根據(jù)表面預(yù)劃擦試驗的劃痕形貌，結(jié)合材料強度和材料非均質(zhì)異構(gòu)特性，劃擦試驗加載速率為5 N/min，劃擦速度為24 mm/min，劃擦長度為6 mm，壓痕載荷分別為1、3、5 N，且分別沿著SA與SB方向進行劃擦。此試驗劃擦速度僅為24 mm/min，為準靜態(tài)情況下的劃擦試驗。

2" 試驗結(jié)果分析

分析聲發(fā)射信號有助于了解材料去除過程的內(nèi)部機制?；诮饎偸瘎濁樤趩蜗駽f/SiC復(fù)合材料上劃擦試驗，收集劃擦過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，以分析材料去除過程中的機械響應(yīng)。圖3所示為采用不同劃擦參數(shù)開展試驗過程中所測的聲發(fā)射信號。由圖3可以得出：劃擦試驗時聲發(fā)射信號波動劇烈，但不同參數(shù)下其信號值與波動情況也有所不同；當壓痕載荷為1 N時，沿著SA方向劃擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號幾乎為0。

從圖3a可以得出：SA方向上的聲發(fā)射信號較小，幾乎不可見，這表明在劃擦試驗時并未發(fā)生明顯材料去除；隨著壓痕載荷從1 N增大到5 N，聲發(fā)射信號的波峰明顯增多，幅值也變大，波動更加劇烈。

從圖3b可以得出：SB方向上聲發(fā)射信號隨著壓痕載荷變化的規(guī)律與SA方向的規(guī)律相似，聲發(fā)射信號均隨壓痕載荷增大表現(xiàn)出更大的波峰和更劇烈的波動。但不同于SA方向，SB方向的碳纖維的彎曲強度較低，容易發(fā)生彎曲變形進而引發(fā)纖維斷裂，因此在相同的壓痕載荷下其聲發(fā)射信號數(shù)值更大，這是因為Cf/SiC復(fù)合材料在SA方向強度更高。

從圖3中聲發(fā)射信號的峰值變化還可以得出，每次測試的聲發(fā)射信號極不均勻。隨著壓痕載荷的增大，聲發(fā)射信號的強度明顯提高，波動也更加劇烈。SA方向上，壓痕載荷為1 N時，金剛石劃針未能劃破材料，其聲發(fā)射信號最大僅為68；而隨著壓痕載荷增大，聲發(fā)射信號變?yōu)?13和1497。SB方向上，壓痕載荷為1、3、5 N時聲發(fā)射信號最大值分別為844、1620、2854。這說明聲發(fā)射信號可側(cè)面表征不同劃擦載荷下劃痕表面的破壞情況。

3" 去除行為與機理

3.1" 材料去除行為

為進一步研究單向Cf/SiC復(fù)合材料單磨粒劃擦試驗的去除機理，對劃痕開展SEM測試，研究兩相材料Cf與SiC在各方向上去除行為與規(guī)律。

圖4為單顆磨粒在SA方向劃擦Cf/SiC復(fù)合材料后劃痕的SEM圖像，反映SA方向的材料去除。當壓痕載荷為1 N時（圖4a），材料表面未出現(xiàn)明顯劃痕形貌。在此參數(shù)下，劃針與材料處于滑擦階段，材料發(fā)生彈塑性變形，結(jié)合圖3a劃擦試驗所觀察的SA方向的聲發(fā)射信號，可判斷在1 N壓痕載荷下并未出現(xiàn)材料去除現(xiàn)象。

隨著壓痕載荷增大到3 N（圖4b、圖4d），在SA方向上Cf并未發(fā)生明顯的去除現(xiàn)象，大部分纖維仍是完整狀態(tài)。樣品表面存在纖維拔出空隙缺陷（圖4b），且纖維斷口較為平整（圖4d），說明此處發(fā)生的斷裂為拉伸斷裂。沿著纖維方向，在樣品表面觀察到大量纖維脫黏現(xiàn)象，纖維表面殘留了部分SiC基體，并留下光滑Cf表面。結(jié)合圖3a分析，其纖維與基體的缺陷導(dǎo)致在3 N壓痕載荷下聲發(fā)射信號波動較大。

當壓痕載荷增大到5 N時，劃痕表面的纖維斷口處存在大量短Cf與SiC碎屑，同時存在較多纖維拔出空隙缺陷，有許多細小的碎屑殘留在纖維槽中（圖4c），且此處多根相鄰纖維同時拔出，SiC基體出現(xiàn)較長裂紋，但基體尚未脫落。進一步放大觀察，可以看到SiC碎屑殘留在纖維拔出空隙中（圖4e）。圖3a中壓痕載荷為5 N時所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號更強、波動更大，這與觀測的材料破損情況相符。

圖5為單顆磨粒在SB方向劃擦Cf/SiC復(fù)合材料后劃痕的SEM圖像，反映SB方向的材料去除。當劃擦方向垂直于纖維方向時，單向Cf/SiC復(fù)合材料劃痕SEM形貌明顯呈現(xiàn)出與SA方向不同的去除行為。從圖5a和圖5d可以得出：當壓痕載荷為1 N時，表層斷裂部位的斷裂機理復(fù)雜，劃痕邊緣纖維斷口較多，且大都為纖維彎曲斷裂與剪切斷裂產(chǎn)生的斷口形貌，表層纖維附著了大量SiC碎屑，同時出現(xiàn)明顯纖維脫黏現(xiàn)象。同時，劃痕底部保持較為完整的形貌，劃痕底部纖維沒有斷裂，而纖維和碳化硅界面斷裂并伴有裂紋擴展。這與圖3b中壓痕載荷為1 N時聲發(fā)射信號的波動情況吻合。

由圖5b和圖5e可知：當壓痕載荷增加到3 N時，單向Cf/SiC復(fù)合材料中碳纖維同樣存在大量彎曲斷裂與剪切斷裂的斷口，同時出現(xiàn)碳纖維界面脫黏缺陷，甚至在許多纖維斷口附近已無SiC基體包裹；此外，相較于壓痕載荷為1 N時，劃痕底部出現(xiàn)部分表層纖維脫落而顯示出底層纖維，但底部斷裂之處呈現(xiàn)間斷分布，并不成片脫落，此部分多為基體整體斷裂。

由圖5c和圖5f可知：當壓痕載荷為5 N時，此參數(shù)下劃痕形貌更加復(fù)雜，劃痕邊緣同樣存在大量彎曲斷裂和剪切斷裂的纖維斷口，但纖維斷裂的層數(shù)更多，且表層纖維斷口處已無SiC基體包裹；同時觀察到纖維脫黏缺陷，相較于壓痕載荷為3 N時，斷口附近纖維與纖維的間隔明顯增大，說明有大量纖維斷裂，僅有少數(shù)纖維未被去除；此外，劃痕底部明顯有大量斷裂的短纖維和SiC基體殘留，此時劃痕底部纖維斷裂破壞嚴重，底部斷裂連接成片。

3.2" SA方向劃擦去除機理

根據(jù)WU等[15-16]的研究可知，需要將裂紋生長過程分為裂紋初始和裂紋擴展等2個階段。因為在這2個階段中，金剛石劃針尖端與材料接觸點附近場中存在高的應(yīng)力梯度，且此應(yīng)力梯度在裂紋產(chǎn)生前一刻達到極值，導(dǎo)致裂紋初始階段的各種受力情況較裂紋擴展階段復(fù)雜。

圖6所示為SA方向材料劃擦的去除機理。裂紋起始階段如圖6中①所示，金剛石劃針沿著SA方向與材料接觸并劃擦材料，此時材料因壓應(yīng)力的作用產(chǎn)生彈性變形，并且金剛石劃針頂部與材料接觸區(qū)域應(yīng)力梯度大。隨著劃針移動，應(yīng)力逐漸超過基體材料的強度，開始產(chǎn)生基體裂紋，此階段稱為裂紋初始階段。此時，基體內(nèi)部存在徑向和橫向裂紋。

由于劃擦試驗為準靜態(tài)試驗，劃針與材料無沖擊載荷，與壓痕試驗相似，緩慢持續(xù)增加劃針與材料間的載荷，在基體內(nèi)部的裂紋逐漸生長，此為裂紋擴展階段。當前劃擦方向與纖維方向平行，橫向裂紋沿著界面層在基體內(nèi)部迅速擴展，使得纖維與基體逐漸脫黏，成為“纖維脫黏”缺陷，如圖6a中②所示。

隨著劃針前進，材料中基體的橫向與縱向裂紋不斷延伸，且界面層的裂紋也因承受載荷而不斷沿著纖維方向生長，導(dǎo)致基體材料以塊狀破碎、脫落。如圖6a中③所示，隨著基體脫落，纖維裸露并與劃針直接接觸，但由于仍有基體包裹著纖維，纖維進一步被劃針擠壓而變形。在纖維擠壓區(qū)域，沿著劃擦方向的纖維受擠壓作用，而反方向的纖維則受拉伸作用，纖維與基體脫黏程度進一步加劇。當金剛石劃針在纖維表面產(chǎn)生的應(yīng)力超過纖維橫向或者縱向應(yīng)力時，纖維內(nèi)部產(chǎn)生橫向或縱向裂紋。

如圖6a中④和⑤所示，劃針在其表面產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，纖維內(nèi)部產(chǎn)生的橫向裂紋和縱向裂紋與界面裂紋進一步連接，導(dǎo)致纖維發(fā)生拉伸斷裂或者被擠壓破壞而形成擠壓斷裂，當界面黏附力被克服時，纖維與基體發(fā)生相對位移，最終纖維以碎屑的形式脫落。

由SA方向劃擦試驗的SEM圖（圖4a）可以得出，當壓痕載荷為5 N時，表面存在大量短纖維碎屑。這是因為A處纖維裂紋沿著纖維方向生長，纖維形成碎屑被去除，并在被加工的表面上留下纖維拔出空隙（圖6b中⑦和⑧）。劃擦試驗繼續(xù)進行，在磨粒接觸材料的部位產(chǎn)生較高的應(yīng)力梯度，但此部分纖維仍被基體保護，金剛石劃針同時作用在纖維與SiC基體上使其發(fā)生擠壓斷裂并形成碎屑去除。在劃針與材料接觸部位，由于裂紋沿著纖維延伸并且裂紋較長，如圖6b中B處的纖維所示，部分纖維脫黏形成形如懸臂梁的纖維，裂紋進一步沿著界面生長。隨著金剛石劃針進一步擠壓，能量迅速積聚，當其所受應(yīng)力超過纖維彎曲強度極限時，纖維開裂進而導(dǎo)致彎曲斷裂。纖維脫黏后，其儲存的彈性勢能通過與基體的相對滑移釋放，留下纖維拔出空隙，而纖維自身形成短纖維碎屑脫離基體。

3.3" SB方向劃擦去除機理

圖7所示為SB方向材料劃擦的去除機理。裂紋起始階段（圖7a中①），單顆磨粒沿著SB方向與材料接觸，此時劃針與材料接觸區(qū)域因為壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生彈性變形，當劃針繼續(xù)向前劃擦時，基體內(nèi)部壓應(yīng)力持續(xù)增加。材料應(yīng)力集中部位，即接觸區(qū)域應(yīng)力梯度高的部位容易產(chǎn)生裂紋，基體內(nèi)部產(chǎn)生徑向裂紋與橫向裂紋。由于本試驗劃擦速度低，為準靜態(tài)劃擦試驗，材料未承受沖擊載荷，材料受到的載荷持續(xù)增加，基體處徑向和橫向裂紋向工件內(nèi)部延伸。當某些裂紋生長至纖維與基體之間時，裂紋會發(fā)生偏轉(zhuǎn)使得纖維與基體發(fā)生脫離，而由WU等[15]研究可知，脆性固體中裂紋有沿著垂直于最大拉應(yīng)力方向延伸的趨勢，所以在此裂紋會沿著纖維方向生長，如圖7a中②所示。

纖維脫黏過程中，部分徑向裂紋偏轉(zhuǎn)為橫向裂紋。隨著裂紋發(fā)生，材料的剛度和強度有所下降，且材料附近應(yīng)力梯度也會有所變化。一般來說，材料所受載荷在基體與纖維之間交替?zhèn)鬟f，但由于有纖維脫黏缺陷存在，基體與纖維之間存在間隙，能量無法穿透此區(qū)域向更深層材料傳遞，使得裂紋主要在基體和兩相材料間界面擴展，此為裂紋擴展階段。當裂紋擴展到纖維斷口或試件邊界時，材料會發(fā)生分層。隨著劃擦試驗進行，金剛石劃針不斷壓入材料，基體處裂紋與表層界面裂紋連接，如圖7a中③所示，靠近劃針的纖維周邊基體脫落形成碎屑，此為基體磨削形成階段。此后，金剛石劃針直接與Cf接觸，如圖7a中④所示，Cf承受剪切應(yīng)力作用，且纖維抗剪強度低，隨著界面脫黏程度增加，當劃針與Cf接觸產(chǎn)生的應(yīng)力超過Cf的抗剪強度時，纖維處應(yīng)力梯度達到最大值后開始產(chǎn)生裂紋，并沿著纖維徑向方向延伸，此為Cf裂紋初始階段。如圖7a中⑤和⑥所示，隨著應(yīng)力的進一步增大，裂紋在應(yīng)力集中點處擴展并沿纖維徑向貫通，形成剪切面，導(dǎo)致材料發(fā)生剪切斷裂，此階段為纖維去除階段。纖維斷裂后應(yīng)力重新分布[15]，斷口附近區(qū)域損傷較嚴重，距離越遠損傷越輕。這些損傷的出現(xiàn)會加劇材料破壞。之后材料不斷重復(fù)出現(xiàn)上述幾個階段，且實際劃擦中有幾個階段同時出現(xiàn)。

如圖7b中⑦所示，當金剛石劃針開始直接與Cf接觸，纖維與基體的纖維脫黏缺陷嚴重時，基體不能為纖維提供足夠的保護，導(dǎo)致纖維發(fā)生彎曲。隨著劃針前進，當纖維所受載荷超過所能承受的彎曲載荷時，纖維發(fā)生彎曲斷裂，并在纖維兩邊留下傾斜的斷口，如圖7b中位置⑨所示。

纖維在基體內(nèi)部是隨機分布的，上述劃擦去除機理僅表述劃針從基體處接觸到成屑的去除，而Cf/SiC復(fù)合材料的劃擦去除機理會因劃針與兩相材料接觸的先后順序而不同，如圖8所示。

當金剛石劃針與纖維的上部接觸，并沿SB方向劃擦時，纖維與SiC之間的界面受拉應(yīng)力影響，使得纖維與SiC基體發(fā)生“纖維脫黏”缺陷，纖維受劃針擠壓或剪切形成碎屑被去除。SiC基體殘留界面凹槽，此缺陷為“纖維拔出空隙”。

當劃針劃近纖維B時，由基體限制的裂紋擴展，遇到碳纖維時發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)和歪扭偏轉(zhuǎn)[15]。基體內(nèi)部裂紋繞過纖維，如果此裂紋與表面裂紋連通，會形成SiC基體裹著碳纖維的“整體脫落”。

繼續(xù)劃擦材料，當劃針經(jīng)過纖維C時，由于此類纖維被SiC基體包裹，其受力情況與纖維A相似，在基體約束與劃針劃擦運動的共同作用下，發(fā)生剪切斷裂，而后留下纖維拔出空隙。此外，纖維D有大部分材料露出基體，其與SiC基體易分離，而纖維兩端仍被SiC基體包裹，最終超過材料彎曲強度時，纖維發(fā)生彎曲斷裂，如圖7b中⑨在兩側(cè)形成相對的斷口。

4" 結(jié)論

通過對單向Cf/SiC復(fù)合材料開展磨削試驗，探討不同劃擦工藝參數(shù)下劃擦材料的聲發(fā)射信號變化情況，研究不同劃擦方向下材料去除行為與去除機理，得出的結(jié)論如下：

（1） 不同壓痕載荷下的聲發(fā)射信號極不均勻。隨著壓痕載荷的增加，聲發(fā)射信號的強度明顯增加，聲發(fā)射信號的波動也更加劇烈。SB方向的聲發(fā)射信號均大于SA方向的信號，且波動更為明顯；

（2） SA方向纖維以拉伸斷裂和纖維拔出為主，SB方向纖維主要斷裂方式為彎曲斷裂和剪切斷裂，此外各方向都存在纖維拔出空隙、纖維碎屑以及基體斷裂等缺陷；

（3） 解釋了SA和SB方向的劃擦去除機理，包括纖維脫黏和纖維拔出等缺陷，纖維彎曲、拉伸和剪切等斷裂方式，以及基體破碎等。

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