单颗磨粒划擦SiCf/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

为研究SiC纤维(SiCf)增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)的磨削损伤机理,搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验,测量划擦力并观察其表面损伤形式,研究磨粒形状、划痕深度和SiCf取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明:SiCf/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiCf/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中,尖锐状磨粒的划擦力更小,且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ=0°时,划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。

单颗磨粒划擦SiC_(f)/SiC复合材料试验研究

为研究纤维增强SiC陶瓷基复合材料磨削机理,进行单颗磨粒划擦试验。搭建试验平台,采用电镀后的单颗金刚石磨粒划擦SiC_(f)/SiC复合材料,实时采集划擦力。利用SEM图像对材料去除后的表面与存在的表面损伤形式进行表征,从而揭示磨粒形状、划痕深度与SiC纤维取向对磨削机理的影响。试验结果表明,SiC_(f)/SiC复合材料划擦过程中,扁平状磨粒产生的法向划擦力明显大于尖锐状磨粒,而纤维取向对划擦力影响较小。SiC_(f)/SiC复合材料的加工形态从韧性到脆性转变主要取决于切削深度,大部分延性域加工出现在扁平磨粒和纤维取向γ=0°情况,且脆延性转变切削深度在3μm之内。

基于单颗磨粒划擦的铰珩毛刺形貌研究

搭建了单颗磨粒划擦试验平台,开展了单颗磨粒铰珩试验研究。以毛刺高度和根部厚度作为毛刺尺寸评价指标,分析了切削深度、切削速度和进给速度对毛刺形貌的影响规律。试验结果显示:切削深度对于毛刺尺寸影响最大,切削速度和进给速度对于毛刺尺寸影响较小。毛刺尺寸随切削深度的增大而增大,切削速度和进给速度的增加,毛刺尺寸变化不明显。

单颗磨粒划擦陶瓷声发射信号与材料去除体积关系研究

针对硬脆难磨削的氧化锆和氧化铝两种工程陶瓷,研究其磨削表面创建的声发射监测,研究单颗金刚石磨粒划擦陶瓷材料的去除体积与其对应的声发射信号之间的关联.试验结果表明:随着单颗磨粒划擦陶瓷去除体积的增大,其声发射信号在低频段的信号能量占比增大;声发射信号的均方根值、最大幅值和标准差等特征值增大,且这两种陶瓷材料单颗磨粒划擦声发射信号特征值的增大趋势不同;但这些声发射信号的特征值大小都与其对应的陶瓷材料去除体积有关.同时单颗磨粒划擦陶瓷的声发射信号的时间序列自回归AR(2)模型可以表示其对应的声发射信号.时间序列自回归AR(2)模型特征参数的绝对值都随划擦陶瓷去除体积增大而增大,且增大趋势与其声发射信号特征值的增大趋势相似.为工程陶瓷磨削表面创建的声发射在线监测打下了基础.

单颗金刚石磨粒划擦2D SiC_(f)/SiC复合材料实验

为了揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理,根据2D SiC_(f)/SiC复合材料的编织结构特点,分别在2D SiC_(f)/SiC纤维的编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石磨粒划擦实验,测量其划擦力和划痕深度,并观察划痕表面形貌。结果表明:在WS0(纤维编织表面的0°方向)上SiC_(f)/SiC材料的去除方式主要为纵向纤维(纤维轴向与进给速度方向一致)的剪切、拉伸、弯曲断裂和横向纤维(纤维轴向与进给速度方向垂直)的剪切、弯曲断裂;在WS45(纤维编织表面的45°方向)上主要为纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂;在SS0(纤维叠加表面的0°方向)上主要为法向纤维(纤维轴向垂直于划擦表面)的延性去除、剪切、弯曲断裂,纵向纤维的剪切、拉伸、弯曲断裂;在SS90(纤维叠加表面的90°方向)上主要为法向纤维的延性去除、剪切、弯曲断裂和横向纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂。由于SiC纤维的各向异性,不同方向、不同断裂形式有不同的力学性能,剪切断裂所需要的力最小,拉伸断裂所需要的力最大。在相同划擦深度下,因WS0、WS45、SS0、SS90方向上断裂形式的不同和剪切、弯曲、拉伸断裂所占的比例不同,其划擦力大小依次为FSS0>FWS45>FSS90>FWS0。且磨粒切入复合材料后随着裂纹的扩展和相互贯通,SiC基体会一起被剥离去除,部分基体受到挤压去除后再次被磨粒划擦去除形成延性划痕。2D SiC_(f)/SiC复合材料切削时宜选择WS0方向,而尽量避开SS0方向。

单颗金刚石磨粒划擦岩石的力特征研究

采用单颗磨粒划擦方式对三种花岗石(G603、G657、G654)和一种砂岩(SS)进行切削实验研究,监测切削过程划擦力信号,分析了不同划擦参数下的划擦力变化趋势。结果表明,单颗磨粒划擦切削作用下,四种岩石的切向划擦力和发现划擦力都随着划擦线速度的增大而减小,随着划擦深度的增大而增大,随着工件进给速度的增大而增大。总体而言,花岗石的划擦力明显高于砂岩,这与这两类岩石的形成差异有关。对于花岗石而言,划擦力与其硬度和晶粒粗细没有必然联系,采用单颗磨粒划擦方式很难对其可加工性区分。

基于单颗金刚石划擦的单向C_(f)/SiC复合材料去除机理

为研究单向C_(f)/SiC复合材料划擦去除机理,采用单颗金刚石磨粒开展准静态划擦试验,分析不同压痕载荷下划擦材料的声发射信号变化,结合SEM形貌分析材料的去除行为和划擦去除机理。试验结果表明:声发射信号强度随着压痕载荷增加而增强,相同参数下SB方向信号值更大,信号波动更剧烈。结合声发射信号与SEM形貌分析,得出材料在不同方向的划擦去除行为,材料以脆性去除为主,SA方向纤维以拉伸断裂和纤维拔出为主,SB方向纤维主要断裂方式为弯曲断裂和剪切断裂。根据SEM形貌分析,阐述去除行为的形成过程,即解释材料划擦去除机理。

不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究

以单晶碳化硅(Si C)作为加工对象,通过不同尖端圆角半径的圆锥型金刚石磨粒划擦试验观察了单晶Si C的去除过程,并采用FEM与SPH耦合算法模拟仿真了三种不同尖端圆角半径的单颗磨粒划擦Si C过程中的材料去除过程,试验结果与模拟结果基本一致。在此基础上,采用仿真手段从最大等效应力和接触力的角度分析了三种不同尖端圆角半径对单晶碳化硅材料脆塑转变过程材料去除机理的影响。仿真结果表明:随着尖端圆角半径的增加,弹塑性变形-塑脆临界的转变点趋近于0.14μm,而且纯粹的塑性变形模式逐渐消失;脆塑临界去除模式所占的区域逐渐变长,由脆塑临界-脆性去除的转变点的深度也在不断变深;脆塑转变过程中的微裂纹的长度及粗细程度逐渐增加,材料破坏的形式也逐渐升级。