基于單顆金剛石劃擦的單向Cf/SiC復合材料去除機理

摘要" 為研究單向Cf/SiC復合材料劃擦去除機理，采用單顆金剛石磨粒開展準靜態劃擦試驗，分析不同壓痕載荷下劃擦材料的聲發射信號變化，結合SEM形貌分析材料的去除行為和劃擦去除機理。試驗結果表明：聲發射信號強度隨著壓痕載荷增加而增強，相同參數下SB方向信號值更大，信號波動更劇烈。結合聲發射信號與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。

關鍵詞" 單向Cf/SiC復合材料；單顆磨粒劃擦試驗；聲發射信號；材料去除機理

碳纖維增強碳化硅陶瓷復合材料（Cf/SiC）因其耐高溫、高比剛度和比強度等優點，廣泛應用于航空航天的關鍵零部件和軌道交通領域的制動件[1-3]。磨削加工是硬脆復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，加工容易產生纖維拉伸斷裂和基體破碎等缺陷，影響構件的質量和使用。

磨削加工中，大量磨粒循環、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對磨削機理的影響。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，劃擦參數對材料磨削力、表面完整性以及亞表面區域的影響。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，收集劃痕過程中產生的聲發射信號，并結合劃痕的表面特征形態，發現聲發射信號與材料去除過程之間存在明顯聯系。

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生較大的沖擊載荷，易造成試驗結果出現誤差[10，13]。但實際磨削加工時，砂輪表面多顆磨粒共同作用下，磨粒平穩進入材料，期間無過大沖擊載荷產生。

本文中，開展準靜態條件下單顆金剛石磨粒劃擦單向Cf/SiC復合材料試驗，對不同參數下劃擦試驗的聲發射信號進行分析，結合SEM劃痕表面，分析不同參數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射信號傳感器，其中力傳感器（FSA-2）的綜合誤差和重復性誤差分別為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，體積分數為60%。由于平行碳纖維與碳化硅基體影響，材料表現出非均質異構的特性。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，在正式試驗前開展預試驗。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，導致無法有效觀察基材從碳纖維上脫落的形式。根據表面預劃擦試驗的劃痕形貌，結合材料強度和材料非均質異構特性，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，為準靜態情況下的劃擦試驗。

2" 試驗結果分析

分析聲發射信號有助于了解材料去除過程的內部機制?；诮饎偸瘎濁樤趩蜗駽f/SiC復合材料上劃擦試驗，收集劃擦過程中產生的聲發射信號，以分析材料去除過程中的機械響應。圖3所示為采用不同劃擦參數開展試驗過程中所測的聲發射信號。由圖3可以得出：劃擦試驗時聲發射信號波動劇烈，但不同參數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方向劃擦產生的聲發射信號幾乎為0。

從圖3a可以得出：SA方向上的聲發射信號較小，幾乎不可見，這表明在劃擦試驗時并未發生明顯材料去除；隨著壓痕載荷從1 N增大到5 N，聲發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方向上聲發射信號隨著壓痕載荷變化的規律與SA方向的規律相似，聲發射信號均隨壓痕載荷增大表現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，容易發生彎曲變形進而引發纖維斷裂，因此在相同的壓痕載荷下其聲發射信號數值更大，這是因為Cf/SiC復合材料在SA方向強度更高。

從圖3中聲發射信號的峰值變化還可以得出，每次測試的聲發射信號極不均勻。隨著壓痕載荷的增大，聲發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，其聲發射信號最大僅為68；而隨著壓痕載荷增大，聲發射信號變為813和1497。SB方向上，壓痕載荷為1、3、5 N時聲發射信號最大值分別為844、1620、2854。這說明聲發射信號可側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律。

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

隨著壓痕載荷增大到3 N（圖4b、圖4d），在SA方向上Cf并未發生明顯的去除現象，大部分纖維仍是完整狀態。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象，纖維表面殘留了部分SiC基體，并留下光滑Cf表面。結合圖3a分析，其纖維與基體的缺陷導致在3 N壓痕載荷下聲發射信號波動較大。

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時所產生的聲發射信號更強、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復合材料劃痕SEM形貌明顯呈現出與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生的斷口形貌，表層纖維附著了大量SiC碎屑，同時出現明顯纖維脫黏現象。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，此參數下劃痕形貌更加復雜，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力梯度，且此應力梯度在裂紋產生前一刻達到極值，導致裂紋初始階段的各種受力情況較裂紋擴展階段復雜。

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，此時材料因壓應力的作用產生彈性變形，并且金剛石劃針頂部與材料接觸區域應力梯度大。隨著劃針移動，應力逐漸超過基體材料的強度，開始產生基體裂紋，此階段稱為裂紋初始階段。此時，基體內部存在徑向和橫向裂紋。

由于劃擦試驗為準靜態試驗，劃針與材料無沖擊載荷，與壓痕試驗相似，緩慢持續增加劃針與材料間的載荷，在基體內部的裂紋逐漸生長，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生的應力超過纖維橫向或者縱向應力時，纖維內部產生橫向或縱向裂紋。

如圖6a中④和⑤所示，劃針在其表面產生擠壓應力，纖維內部產生的橫向裂紋和縱向裂紋與界面裂紋進一步連接，導致纖維發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）。劃擦試驗繼續進行，在磨粒接觸材料的部位產生較高的應力梯度，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，當其所受應力超過纖維彎曲強度極限時，纖維開裂進而導致彎曲斷裂。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域因為壓應力作用而產生彈性變形，當劃針繼續向前劃擦時，基體內部壓應力持續增加。材料應力集中部位，即接觸區域應力梯度高的部位容易產生裂紋，基體內部產生徑向裂紋與橫向裂紋。由于本試驗劃擦速度低，為準靜態劃擦試驗，材料未承受沖擊載荷，材料受到的載荷持續增加，基體處徑向和橫向裂紋向工件內部延伸。當某些裂紋生長至纖維與基體之間時，裂紋會發生偏轉使得纖維與基體發生脫離，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，部分徑向裂紋偏轉為橫向裂紋。隨著裂紋發生，材料的剛度和強度有所下降，且材料附近應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傳遞，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接觸產生的應力超過Cf的抗剪強度時，纖維處應力梯度達到最大值后開始產生裂紋，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，隨著應力的進一步增大，裂紋在應力集中點處擴展并沿纖維徑向貫通，形成剪切面，導致材料發生剪切斷裂，此階段為纖維去除階段。纖維斷裂后應力重新分布[15]，斷口附近區域損傷較嚴重，距離越遠損傷越輕。這些損傷的出現會加劇材料破壞。之后材料不斷重復出現上述幾個階段，且實際劃擦中有幾個階段同時出現。

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，導致纖維發生彎曲。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之間的界面受拉應力影響，使得纖維與SiC基體發生“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，遇到碳纖維時發生傾斜偏轉和歪扭偏轉[15]。基體內部裂紋繞過纖維，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”。

繼續劃擦材料，當劃針經過纖維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，纖維發生彎曲斷裂，如圖7b中⑨在兩側形成相對的斷口。

4" 結論

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

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