雙磨粒劃擦2DSiC/SiC復合材料實驗

關(guān)鍵詞雙磨粒劃擦；SiC/SiC復合材料；纖維取向；劃擦力；表面形貌

中圖分類號 TQ164;TG58;TG74 文獻標志碼A

文章編號 1006-852X（2025）02-0153-10

DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0044

收稿日期 2024-03-10修回日期2024-03-22

SiCF/SiC復合材料可以在 1500‰ 的高溫環(huán)境下正常工作，并能保持高強度和高硬度，因而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機[]、核反應(yīng)堆3、高速飛行器[4等領(lǐng)域。SiC/SiC復合材料通常需要制備成預(yù)制件，然后進行精加工獲得所需的形狀和尺寸精度。砂輪磨削是精加工SiC/SiC最常用的方法，而SiCr/SiC復合材料的脆硬特性使其在磨削過程中易出現(xiàn)裂紋萌生和擴展，引起材料表面損傷，降低材料強度和疲勞壽命。為提高SiC/SiC的磨削質(zhì)量，有必要對其磨削去除機理進行研究。

單顆磨粒劃擦是研究材料磨削去除機理的一種重要手段[7]。在磨削加工研究中，單顆磨粒劃擦可以排除磨粒間的干涉作用，將復雜的磨削過程簡化。ANDER-SON等使用不同形狀的磨粒對4340鋼進行劃擦，發(fā)現(xiàn)相對于球形磨粒，錐形磨粒單位寬度的法向力更小，切向力更大，摩擦能量更低。RYPINA等采用不同負前角的磨粒對Ti6Al4V鈦合金進行劃擦實驗，發(fā)現(xiàn)較大的磨粒負前角可以減小堆積材料的尺寸，有利于切屑產(chǎn)生。ESMAEILI等采用單顆磨粒劃擦鉻鎳鐵718高溫合金并進行熱耦合分析與優(yōu)化，得出最佳的磨削工藝參數(shù)是最大未變形切屑厚度為 0.81μm ，切割速度為 43.5m/s ，磨粒邊緣半徑為 0.5μm ，負前角為 -30^° 。SHEN等[1采用立方八面體單顆磨粒劃擦SiC陶瓷，發(fā)現(xiàn)磨粒的磨損主要是表面磨損和沿晶裂紋，磨損的磨粒會對工件產(chǎn)生劇烈摩擦和耕犁作用；當磨粒較為光滑時，在前刀面上存在明顯的臨界未變形切屑厚度值，為 0.4～0.6μm 。YIN等[12-14]通過單顆磨粒劃擦實驗研究了磨削速度對SiCr/SiC復合材料去除和崩邊的影響，發(fā)現(xiàn)高速磨削下不會擴大崩邊，從而提高了材料去除率和表面加工質(zhì)量。LIU等[15采用單顆磨粒對2.5DSiCr/SiC復合材料進行劃擦，發(fā)現(xiàn)相同劃擦深度和橫截面下，材料切入點和切出點的主要去除形式分別為剪切斷裂和彎曲斷裂，同時尖銳磨粒比扁平磨粒的磨損更嚴重，但劃擦力較小。LI等[對2.5D SiC/SiC復合材料進行單顆磨粒劃擦SPH模擬仿真，對比了實驗值與仿真值，準確預(yù)測了金剛石磨粒的劃擦力。ZHANG等[1]開展了不同潤滑方式下的單顆磨粒劃擦 SiC/SiC復合材料實驗，發(fā)現(xiàn)劃擦時添加植物油可以減小劃擦力。

單顆磨粒劃擦實驗簡化了磨削過程，但也忽略了磨粒之間復雜的相互作用，致使由單顆磨粒劃擦理論延伸和擴展到砂輪磨削理論時變得困難，因此部分學者已經(jīng)開始嘗試通過開展多磨粒劃擦實驗，搭建單顆磨粒劃擦和砂輪磨削之間的橋梁。WU等[8采用MD仿真實驗研究了多磨粒劃擦6H-SiC的過程，發(fā)現(xiàn)磨削過程中6H-SiC將不可避免地產(chǎn)生包含非晶相變和離散位錯的損傷層；當后續(xù)磨粒的磨削深度小于第一非晶層的厚度時，可使磨削表面上的殘余非晶層最小化。SU等[1]采用不同間距的2顆磨粒劃擦SiC陶瓷，發(fā)現(xiàn)隨著分離距離的增大，磨削力、磨削槽截面形狀和材料去除率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；通過優(yōu)化砂輪表面的磨粒分布，可以有效地提高磨削力、材料去除率和表面質(zhì)量。HU等[2通過SPH模擬仿真實驗，發(fā)現(xiàn)2顆磨粒重疊率的變化可以反映劃擦力降低的趨勢。然而，關(guān)于多磨粒劃擦的研究目前還較少，材料也相對單一。針對SiCf/SiC復合材料的多磨粒劃擦實驗還未見報道，因此有必要開展相關(guān)研究揭示多磨粒劃擦的機理。

本研究中對雙顆金剛石磨粒劃擦2DSiCr/SiC復合材料實驗進行了探索。首先介紹了2DSiCF/SiC復合材料與雙磨粒劃擦實驗平臺，然后對復合材料不同表面和劃擦方向的劃痕表面形貌及劃擦力進行分析，以期揭示2DSiC/SiC復合材料的去除機理。

1實驗設(shè)置

1.1 實驗原料

雙磨粒劃擦2DSiC/SiC復合材料的實驗設(shè)置如圖1所示。2DSiCf/SiC復合材料主要由纖維束、基體以及界面相3部分組成，纖維束（每束約含有500根纖維）編織堆疊后，填充SiC基體形成復合材料[21]，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)差異，2DSiCr/SiC的6個表面可以分為纖維編織表面（wovensurface，WS）和纖維疊加表面（stackingsurface，SS）2類，對應(yīng)圖1a中的XOY面和XOZ面。如圖1a所示：由于WS具有 90^° 旋轉(zhuǎn)對稱性，因此只需要選取與 X 軸方向成 0^° 方向開展實驗，同時為考察沿一定的角度劃擦纖維時的去除機理，選取 45^° 方向開展劃擦實驗，分別表示為WS0和WS45；由于SS為非對稱結(jié)構(gòu)，因此選取與 X 軸成 0^° 和90^° 的方向開展劃擦實驗，分別表示為SS0和SS90。

1.2實驗方案

雙磨粒劃擦實驗設(shè)置與文獻[15]給出的單顆磨粒劃擦2.5DSiC/SiC復合材料的設(shè)置一致，區(qū)別在于：砂輪固定柄上電鍍有2顆磨粒（圖1b），以研究磨粒之間的交互作用對材料去除機理的影響；同時劃擦材料更換為2DSiCr/SiC復合材料。2DSiCr/SiC復合材料是厚度為 10mm 的板材，實驗前對待劃擦的表面進行預(yù)處理，通過金剛石砂輪磨削和 1μm 金剛石懸浮液拋光，去除潛在的損傷并獲得光整的表面，拋光后2D SiC_f/ SiC復合材料的平均粗糙度為 4.7μm 。實驗中，砂輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為 20m/s （對應(yīng)主軸變頻器的頻率為 40Hz ），主軸沿軸向的進給速度為 0.67m/s ，便于實現(xiàn)劃痕沿砂輪軸向方向分離，且在單次實驗過程中可獲得多個劃擦結(jié)果。在實驗中不使用冷卻潤滑劑，排除液體沖洗及沖擊噪聲對劃擦力信號的影響。使用測力儀實時采集法向劃擦力，經(jīng) 40Hz 低通濾波器去除噪聲提取劃擦力信息。

劃擦結(jié)束后，采用激光共聚焦顯微鏡（LEXTOLS5000，OLYMPUS）掃描2D 復合材料表面及其劃痕，測量劃痕深度。在2DSiCr/SiC復合材料表面三維圖像上畫一條劃痕的橫截面線，通過標記測量工件表面和劃痕輪廓間的最大高度差獲得該點的劃擦深度。通過移動橫截面曲線獲得最大劃痕深度，即磨粒的劃擦深度。

實驗前，采用超景深顯微鏡（KEYENCEVHX-600，日本）觀察磨粒的表面形貌，確定磨粒的形狀和位置關(guān)系。同時采用共聚焦顯微鏡掃描雙磨粒表面，測得2顆磨粒的高度分別為220.2和 231.5μm ，高度差約為11μm （圖1c）。劃擦結(jié)束后，采用超景深顯微鏡觀察磨粒的形貌，通過劃擦前后的形貌對比，確定磨粒的磨損和破壞程度，輔助劃擦表面形貌和劃擦力的分析。

為了研究磨削過程中SiC纖維的磨削機理，需要明晰纖維在不同斷裂形式下的表面形貌。因此在萬能材料試驗機（CMT4102，深圳市三思實驗儀器有限公司）上對SiC纖維束進行單軸拉伸、剪切和彎曲破壞實驗。實驗結(jié)束后，通過電子掃描顯微鏡（SU5000，日本）觀察纖維斷口的表面形貌，獲取斷口形貌特征，為確定SiCr/SiC復合材料中的纖維破壞形式提供依據(jù)。

1.3 材料去除體積

雙磨粒劃擦過程如圖2所示。在劃擦過程中，2顆磨粒先后與材料接觸（圖2a），進行2次材料去除；2顆磨粒的劃擦軌跡為圖2b所示的圓弧，切屑橫截面可以近似等效為三角形， D_s 為磨粒尖端距離砂輪回轉(zhuǎn)軸線的距離，2顆磨粒在工件上留下的劃痕長度分別為 l₁ l₂， 其最大磨削深度分別為 f_1?f₂ 0

劃痕長度 l₁ 可由式（1）計算得到：

式中， Δh 為2顆磨粒的高度差。同理，劃痕長度 l₂ 可由式（2）計算得到：

磨粒所去除切屑的橫截面積 s 為：

式中： h 為磨粒切入的深度， θ 為磨粒頂角。

磨粒的切入深度可由勾股定理根據(jù)式（4）計算得到：

式中， x 為劃擦過程中的坐標變量。由此可推算出第1顆磨粒去除的切屑體積為：

第2顆磨粒去除的切屑體積為：

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 SiC纖維破壞形式

圖3給出了SiC纖維在拉伸、剪切和彎曲斷裂后斷口表面的典型形貌。對于拉伸斷裂的SiC纖維，斷口處存在明顯的 45^° 傾斜斷面，斷口表面粗糙，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂去除特征，如圖3a所示。圖3b為剪切斷裂后的SiC纖維斷口形貌，斷口表面與SiC纖維軸線方向垂直，表面較為粗糙，沒形成光滑的斷面，呈現(xiàn)脆性斷裂。圖3c為SiC纖維彎曲斷裂的表面形貌，纖維斷口同時出現(xiàn)平面和傾斜面，表現(xiàn)出拉伸和剪切斷裂混合去除的特性。

根據(jù)圓形棒料單軸拉伸過程的應(yīng)力分布可知，沿與纖維軸線成 45^° 傾斜面上的應(yīng)力最大，也最容易在此處斷裂破壞，因此在拉伸斷裂過程中出現(xiàn) 45^° 傾斜斷面。且由于脆性材料的裂紋萌生和擴展存在一定的隨機性，在斷口處出現(xiàn)了部分不規(guī)則的斷裂表面形貌。對于纖維剪切過程，SiC纖維在整個與軸線垂直的面上受到剪切力的作用，最后出現(xiàn)沿剪切面的斷裂，同樣由于SiC纖維的脆性斷裂，斷裂表面不平整。對于彎曲斷裂，伴隨著纖維彎曲，作用在纖維上的彎曲力矩可以轉(zhuǎn)化成垂直于SiC纖維軸線的剪切力和沿SiC纖維軸線的擠壓力，使得SiC纖維在斷口處受到剪切和擠壓2種作用力，剪切力形成的表面與SiC纖維軸線垂直，擠壓力在已有剪切平面的基礎(chǔ)上使裂紋沿傾斜的方向擴展，形成SiC纖維表面的傾斜斷裂面。

從能量的角度分析，SiC纖維在破壞和去除過程中消耗的能量主要用于新表面的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化為新表面的表面能。對于SiC纖維這類脆性材料，其塑性變形消耗的能量幾乎可以忽略；且同種SiC纖維產(chǎn)生新表面所需消耗的單位面積的表面能一致，因此只需比較產(chǎn)生新表面的面積即可比較消耗的能量，由此可知SiC纖維破壞消耗的能量依次為拉伸斷裂 gt; 彎曲斷裂 gt; 剪切斷裂。

2.2磨粒磨損程度

磨粒整體保持完整，未出現(xiàn)磨粒脫落或者破損現(xiàn)象。磨粒周圍材料明顯變黑，主要由劃擦過程中2DSiCr/SiC復合材料斷裂形成的粉末沾染在磨粒表面所致。第1顆磨粒的上表面變得光滑平整，表面上原有的3個微小的孔洞消失；第2顆磨粒的尖端也在劃擦后出現(xiàn)1個微小的平面，為磨粒磨損后產(chǎn)生的，主要是由于SiC/SiC復合材料的硬度較高，造成金剛石的磨損。

2.3雙磨粒劃擦表面形貌

圖5給出了沿WS0方向劃擦后的表面形貌。圖5a為WS0方向上縱向纖維切入時的表面形貌，表面基體上有較大區(qū)域的延性去除痕跡，同時纖維上存在大量的傾斜斷口，主要由拉伸斷裂所致。拉伸斷裂后的纖維從基體表面拔出，形成大量的纖維剝離。部分纖維呈粉末化去除，其斷口較長且呈不規(guī)則的脆性斷裂，為磨粒劃擦過程中砂輪沿徑向方向進給，纖維擠壓斷裂所致。圖5b為WS0方向上縱向纖維切出時的表面形貌，纖維斷口以平面斷裂去除為主并伴隨有小斜面產(chǎn)生，為典型的彎曲斷裂，同時表面有大量的纖維剝離去除痕跡。纖維受到彎曲力作用后開始沿界面解離，同時纖維上面的基體也隨著纖維的彎曲變形而一同剝落。當纖維受到的彎曲力進一步增大導致纖維斷裂時，解離后的纖維會一起被彎曲拔出而去除，形成纖維剝離;同時未剝離的基體上出現(xiàn)了部分延性去除痕跡和大尺寸的纖維裸露。在拉伸斷裂和彎曲斷裂的過程中，只有纖維斷口附近的少量纖維出現(xiàn)裸露的現(xiàn)象，離纖維斷口較遠的區(qū)域均為纖維剝離去除，導致纖維表面覆蓋有一層基體材料。大量的纖維裸露表明纖維表面的基體存在二次去除，由此推斷纖維剝離后的表面受到第2顆磨粒的二次劃擦，導致表面的基體被粉末化去除，進而形成纖維裸露。

圖5c為WS0方向上橫向纖維去除后的表面形貌。纖維同時出現(xiàn)了拉伸斷裂、彎曲斷裂和剪切斷裂的特性。在橫向纖維的去除過程中，基體和周圍纖維約束的差異性導致出現(xiàn)不同的去除形式。當纖維受到的約束較緊時，橫向纖維受到磨粒的剪切運動施加的剪切力后無法通過纖維剝離而釋放受力，因此在纖維上形成剪切力，導致纖維剪切斷裂；當纖維受到的約束較弱時，磨粒的剪切作用會通過纖維有限長度上的彎曲運動而部分釋放，纖維將受到彎曲力的作用而出現(xiàn)彎曲斷裂；當纖維受到的約束非常弱時，纖維變形長度較大，導致在有限的剪切作用下無法產(chǎn)生彎曲斷裂，此時若剪切作用繼續(xù)施加，纖維就會受到拉伸力作用，進而出現(xiàn)拉伸斷裂。在橫向纖維去除過程中也出現(xiàn)了較多的纖維裸露，這是后續(xù)磨粒二次劃擦所造成的。

圖6為WS45方向上2DSiCF/SiC的劃擦表面形貌。在 45^° 的角度下劃擦，WS的2束正交纖維與磨粒運動方向相同，因此劃擦和受力一致。纖維表面出現(xiàn)了大量拉伸斷裂、彎曲斷裂和剪切斷裂，出現(xiàn)上述3種去除形式的原因與圖5c一致。同時，纖維上也出現(xiàn)了延性去除和纖維剝離。

圖7所示為SS0方向上2DSiC/SiC的劃擦表面形貌。對于法向纖維，主要為剪切斷裂去除，纖維斷口為相對光滑和平整的脆性斷裂表面，如圖7a所示。但在編織結(jié)構(gòu)邊緣處的法向纖維斷口表面質(zhì)量急劇惡化，出現(xiàn)了大量由彎曲斷裂導致的不規(guī)則斷裂裂紋和粉末化去除痕跡（圖7b）。邊緣處的橫向纖維缺乏周圍纖維的支撐，在受到剪切運動后易出現(xiàn)較大的彎曲變形，進而形成彎曲斷裂。SS0方向縱向纖維的去除形式依然以拉伸斷裂和向下擠壓的剪切斷裂為主，同時伴隨大量二次劃擦形成的纖維裸露。

圖8所示為SS90方向上2DSiCr/SiC的劃擦表面形貌。對于法向纖維，依然表現(xiàn)為剪切斷裂為主，并在邊界上出現(xiàn)彎曲斷裂，如圖8a所示。橫向纖維也表現(xiàn)出拉伸、剪切和彎曲斷裂，如圖8b所示。

SiC基體在劃擦去除過程中表現(xiàn)出明顯的延性去除和脆性去除2種特性，如圖5a和圖8a所示。同時在SiC纖維表面和縫隙中的SiC基體，其厚度較薄，導致強度較低，出現(xiàn)整片的基體剝離去除（圖5a）和粉末化去除（圖5c）。

2.42DSiC/SiC劃擦去除機理

圖9給出了2DSiC/SiC材料的去除機理。如圖9a所示：橫向纖維以剪切、拉伸和彎曲斷裂為主，并未觀察到文獻[15]中尖銳磨粒形成的纖維延性去除，劃擦磨粒的表面平整使纖維受到的劃擦力更大，易出現(xiàn)纖維剝離而非延性去除。法向纖維以剪切斷裂為主，邊緣伴隨有少量的彎曲斷裂，如圖9b所示；縱向纖維以拉伸/剪切斷裂（切入點）和彎曲斷裂（切出點）為主，斷裂纖維脫落或被去除后，在工件表面形成大量的纖維剝離，如圖9c所示?；w的去除形式有裂紋擴展、脆性剝離和延性去除，導致纖維露出，如圖9d所示。上述雙磨粒劃擦的材料去除機理與文獻[15]報道的單顆磨粒的劃擦材料去除機理相近。

2.5 劃擦力

圖10a給出了濾波后的法向劃擦力，劃擦力曲線中3處振蕩對應(yīng)劃擦實驗中的3條劃痕，如圖10b劃擦后2DSiC/SiC表面形貌所示。如圖10a劃痕1上法向劃擦力的放大圖所示：在磨粒劃擦工件的過程中，隨著第1顆磨粒接觸工件，劃擦力迅速上升，達到第1個峰值后降低；隨后第2顆磨粒與工件接觸，劃擦力再次上升并出現(xiàn)第2個峰值。伴隨著磨粒離開工件表面，劃擦力開始下降并呈周期性的阻尼振蕩曲線，逐漸減小并趨于0。單次劃擦過程中，砂輪旋轉(zhuǎn)1圈，磨粒與工件接觸形成斷續(xù)切削，產(chǎn)生劃擦力，且切削時間非常短，前后2顆磨粒依次接觸并沖擊工件，使得切削過程中的劃擦力呈現(xiàn)出2段上升的過程；同時由于2DSiCF/SiC復合材料的脆性去除特性，除2段上升劃擦力曲線外還會出現(xiàn)部分振動上升曲線，為脆性材料成塊去除產(chǎn)生。當磨粒離開工件后，劃擦力引起的沖擊造成整個測力系統(tǒng)振動，并在測力系統(tǒng)的阻尼作用下振蕩減小至0。

雖然2顆磨粒的高度差約為 11μm. ，但是制備過程中無法精確做到2顆磨粒的最高點連線與砂輪劃擦速度方向平行。采用顯微鏡（KEYENCEVHX-600，日本）測量電鍍后的磨粒和劃擦后的工件表面，發(fā)現(xiàn)2個磨粒的最大間距為 1.1mm ，劃痕長度為 7.8mm ，表明第1顆磨粒劃擦到最低點前，第2顆磨粒已經(jīng)開始去除材料，此時2顆磨粒共同去除材料，測得的法向劃擦力為2顆磨粒的合力。在第1顆磨粒經(jīng)過最大劃擦深度點后，磨粒實時去除的材料體積開始減小，第2顆磨粒去除材料的體積依然在增大。當?shù)?顆磨粒去除材料體積的減小量大于第2顆磨粒去除材料增加量時，法向劃擦力出現(xiàn)第1峰值，而在此之前2顆磨粒去除的材料體積持續(xù)增加。隨后2顆磨粒的材料去除體積繼續(xù)減小，劃擦力也隨之降低。當?shù)?顆磨粒去除材料體積減小至小于第2顆磨粒去除材料體積的增加量時，劃擦力出現(xiàn)第2個峰值，此后2顆磨粒去除的材料持續(xù)減小，劃擦力減小。通過測力儀可以測得2顆磨粒的最大劃擦力。圖10a中3條劃痕對應(yīng)最大法向劃擦力合力分別為30.5、23.2和 52.9N

圖10c給出了沿不同表面和方向劃擦2DSiCr/SiC測得的法向劃擦力變化規(guī)律，劃擦力的大小順序依次為 F_ss0gt;F_ws45gt;F_ss90gt;F_ws0， ，這與單顆磨粒劃擦有著相同的趨勢。不同表面和方向上的劃擦力均隨著劃擦深度的增大而增大。在WS上，相同的劃擦深度下， 45^° 方向比 0^° 方向的劃擦力增加約 58.2% 。在SS上， 0^° 方向比 90^° 方向的劃擦力增加約 44.3% 。沿相同的 0^° 劃擦方向，SS上的劃擦力遠大于WS上的劃擦力。2DSiCr/SiC的劃擦去除過程存在明顯的各向異性。

綜合劃擦力的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：2DSiCF/SiC復合材料去除的難易程度依次為SS0（法向纖維 + 縱向纖維） gt; WS45 （ 45^° 纖維） gt;SS⁹⁰ （法向纖維 + 橫向纖維） gt;WS0 （橫向纖維 + 縱向纖維），綜合可得各個方向的材料去除消耗的能量依次為法向劃擦 gt; 縱向劃擦 gt; 橫向劃擦。然而，纖維去除所需能量大小依次為縱向纖維 gt; 橫向纖維 gt; 法向纖維，與劃擦方向去除能耗的順序不一致。這表明在不同方向劃擦過程中基體的去除形式存在差異。對于橫向纖維和縱向纖維的去除過程，基體以脆性斷裂、延性劃擦和成片剝離為主，被去除的基體材料以片狀材料為主；對于法向纖維的去除過程，纖維剪切斷裂后還要持續(xù)擠壓周圍的纖維和基體，造成基體粉末化去除，形成更大的表面積，消耗更多能量，導致法向劃擦力更大。

在相同纖維取向、劃擦方向、劃擦深度條件下，2顆磨粒的法向劃擦力合力比文獻[15]給出的單顆磨粒劃擦的法向劃擦力約小 26.8% 。以劃擦深度 h₂=46.2μm 為例，此時劃痕長度 l₂ 為 7.8mm ，理想狀態(tài)下取 θ=120^° Δh 采用測量值 11μm D_s 為 337.2mm 。將以上數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6）中，計算可得 V₁=7.9×10^-3mm³ V₂=7.7×10^-3mm³ 。此時依據(jù)文獻[15]的單顆磨粒的劃擦力與劃擦深度的實驗結(jié)果可得第1顆磨粒的劃擦力 F₁ 為 18.9N ，而2顆磨粒的合力 F 為 22.3N. ，則第2顆磨粒的劃擦力 F₂ 為 3.4N 。因此去除材料體積相當時，第2顆磨粒受到的劃擦力要遠小于第1顆磨粒的劃擦力。第1顆磨粒劃擦后在表面留下的裂紋等損傷，有效地降低了第2顆磨粒的劃擦力，使得第2顆磨粒的材料去除更加容易，同時也更易產(chǎn)生延性去除。在雙磨粒劃擦過程中，磨粒之間存在耦合，可以在有效降低磨粒法向劃擦力的同時提高劃擦后的表面質(zhì)量。需要說明的是，雙磨粒劃擦過程中，2顆磨粒的形狀大小無法完全統(tǒng)一，且電鍍過程中無法準確地保持在同一直線上，前后磨粒無法完全重疊，有時會出現(xiàn)一定的偏差（圖4中磨粒直線度的偏差為 263μm ），部分磨粒實際磨削時所去除的體積要大于單顆磨粒劃擦時所去除的體積，使得到的劃擦力更小，進一步說明磨粒間的耦合作用不可忽略。

3結(jié)論

對2DSiC/SiC復合材料開展雙磨粒劃擦實驗，對劃擦后的表面形貌和劃擦力進行研究，揭示雙磨粒劃擦2D SiCr/SiC的材料去除機理，得出如下結(jié)論：

（1）2DSiC/SiC劃擦過程中，橫向纖維以剪切、拉伸和彎曲斷裂為主；法向纖維以剪切去除為主，邊緣伴隨有少量的彎曲去除；縱向纖維以拉伸（切人點）和彎曲（切出點）斷裂為主，伴隨有大量的纖維剝離;基體的去除形式有裂紋擴展、延性劃痕、粉末化去除和脆性剝離。

（2）2DSiC/SiC存在較強的各向異性，不同表面和劃擦方向下獲得劃擦力大小順序為 F_ss0gt;F_ws45gt; F_ss90gt;F_ws0 ，磨削時選擇WS0方向進行材料去除消耗的能量最小，而SS0消耗的能量最大，此時大量的基體被粉末化去除。2顆磨粒的法向劃擦力合力遠小于單顆磨粒的法向劃擦力，在去除相同體積材料的情況下，第1顆磨粒劃擦后在表面留下較多的損傷，有效地降低了第2顆磨粒劃擦時的劃擦力；且磨粒之間存在較強耦合關(guān)系，可有效降低2DSiCr/SiC復合材料所受到的法向劃擦力。

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作者簡介

郭晉竹，男，1989年生，碩士、高級工程師，碩士生導師。主要研究方向：半導體顯示制程設(shè)備、硬脆材料加工。

E-mail：18234146352@163.com

通信作者：劉瑤，男，1990年生，博士、副教授、碩士研究生導師。主要研究方向：精密加工與高端裝備制造、生物醫(yī)學制造與器械設(shè)計。

E-mail： Liuyao@nuc.edu.cn

（編輯：趙興昊）

Experiment of double grits scribing 2D SiCf/SiC composite

GUO Jinzhu1'2， LIU Yao122， WANG Youzhe1， WANG Dong1.3 （1.Collge ofMechanical Engineering，North University ofChina，Taiyuan O3oo51， China） （2.China Electronics Technology Fenghua Information Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan O3oo51，China） （3.Department of Engineering，F(xiàn)aculty ofEnvironment，Science and Economy， University of Exeter，Exeter EX4 4QF，UK）

AbstractObjectives：To improve the grindingquality and eficiency，reveal the material removal mechanism of SiC/SiC composites，and determine the coupling effect among abrasives during grinding.Methods： Firstly，uniaxial tensile，shearing，and bending experiments of SiC fiber bundles areconducted to observe damage modes.Secondly， double-abrasive scratching experiments are carried out on the woven surface （WS）and stacking surface （SS） of 2D SiC/SiC composites along the 0^° 45^° ，and 90^° fiber directions， respectively. The scratch surface topographies are observed and the scratch force ismeasured toreveal the material removal mechanism and abrasive coupling effect. Results： The tensile-fractured SiC fiber shows a 45^° bevel fracture surface at the tip. The shear-fractured SiC fiber tip surface is perpendicular to theaxis of the SiC fiber.The bending-fractured SiC fiber shows a hybrid of bevel and perpendicular surfaces，idicating both tensileand shear fracture characteristics.In the longitudinalfibercut-in directionon WSO，the matrix shows alarge area of ductile removal scratching.The fiber shows tensile fracture，and the broken fiber is peeledoffrom the matrix，with some fiber tipsshowing tensile fractures.Bending fracture also occurs inthecutting directionof WSO longitudinal fibers，andalargenumberoffiber peel-off marksareobservedonthesurface.At the same time，ductile removal marksof the matrix and some large-sized fibers appears onthe surface.The transverse fibers on WSO show the characteristicsof tensile fracture，bending fracture，and shear fracture simultaneously.There are tensilefractures，bending fractures，and shear fractures on thesurface of WS45 fiber.The ductileremovaland fiber peeling also appear on the fiber.A shear fracture occurs on the SSO fiber and bending fracture occurs at the boundary of the woven structure.The removal modes of SSO longitudinal fibers are mainly tensile and shear fractures，accompanied by secondary scratches formed by fiber exposure.SS90 fibers show shearand bending fractures at theboundary.The transverse fibers show tensile，shear，and bending fractures while the matrix shows strong britle removal. The scratching force varies significantly with fiber orientations.The order of scratching force is F_ss0gt;F_ws45gt;F_ss90gt;F_ws0， Under the samescratching depth，the normal scratching force ofthe double abrasives is much smaller thanthatofa single abrasive. Conclusions： （1）Inscratching of 2D SiC/SiC，the transverse fibers undergo shear，tensile，and bending fractures.The fiber is removed byshearing，with asmallamount of bending removal occuring at the woven boundary.The longitudinal fibers mainly exhibit tensile （cut-in）and bending （cut-out）fractures，accompanied by alarge number of fiber peling. The removal forms of the matrix include crack propagation，ductile scratching，powder removal，and britle peling. （2） 2D SiC/SiC shows strong anisotropy. The order of scratching force obtained under different surfaces and scratching directions is F_ss0gt;F_ws45gt;F_ss90gt;F_ws0 . The material removal energy consumed in the WSo direction is the lowest while SSO consumes the most. At this time，a large number of matrices are powdery. The normal scratching force of the double abrasives is much smaller than thatof thesingle abrasive.For the same volume of material removed，the first abrasive causes more surface damageafterscratching，reducing the scratching force of the second abrasive.This indicates astrong coupling relationship between the abrasives，which can effectively reduce the normal scratching force when processing 2D SiCf/SiC composites.

Key wordsdouble grit scribing; SiCf/SiC composite; fiber orientations; scribing force; surface morphology