不銹鋼/鋁/不銹鋼復(fù)合板的力學(xué)及拉深成形性能*

夏琴香 熊盛勇 鄺乃強 梁樹權(quán)

(1．華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2．廣東凌豐集團股份有限公司， 廣東 云浮 527400)

不銹鋼/鋁/不銹鋼復(fù)合板的力學(xué)及拉深成形性能*

夏琴香1熊盛勇1鄺乃強2梁樹權(quán)2

(1．華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2．廣東凌豐集團股份有限公司， 廣東 云浮 527400)

通過單向拉伸實驗、Swift杯形實驗研究了組元金屬、組元金屬厚度比對不銹鋼/鋁/不銹鋼三層復(fù)合板力學(xué)性能及拉深成形性能的影響.結(jié)果表明：復(fù)合板的力學(xué)性能及拉深性能并不是各組元金屬相應(yīng)性能的簡單疊加，而是受三種組元金屬的相互影響；復(fù)合板的力學(xué)性能及拉深性能更接近于組元金屬中相應(yīng)性能最好的組元；增加抗拉強度較高的材料層厚度比，復(fù)合板的整體力學(xué)性能增強,拉深成形性能變好；表征組元金屬拉深性能的力學(xué)性能指標(biāo)硬化指數(shù)和抗拉強度越大，復(fù)合板整體的力學(xué)性能和拉深成形性能也越好；將抗拉強度高的材料一面與凹模接觸進行拉深具有更好的拉深成形性能.

不銹鋼/鋁/不銹鋼；復(fù)合板；力學(xué)性能；拉深性能

由于復(fù)合板具有輕量化、耐腐燭性好等特點，因此在航空航天、交通運輸領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1- 3].目前，工業(yè)生產(chǎn)中金屬復(fù)合板的制造工藝主要可分為以下3大類：固-固相復(fù)合法、固-液相復(fù)合法、液-液相復(fù)合法[4].文中所采用的三層復(fù)合板采用的是固-固相復(fù)合法，通過熱扎制復(fù)合.雖然復(fù)合板有很多優(yōu)點，但是在生產(chǎn)中特別是拉深工藝中因為缺少理論和經(jīng)驗的指導(dǎo)而面臨著一些成形缺陷問題，如起皺、破裂、翹曲等，對復(fù)合板的成形性能及其在拉深成形過程中的變化規(guī)律進行研究，能為材料選用、評定及工藝參數(shù)擬定提供重要依據(jù)，對降低生產(chǎn)成本和指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有極其的重要意義.

Fereshteh-Saniee等[5]指出，復(fù)合板在成形過程中能結(jié)合組元的材料性能，使其獲得較好的成形結(jié)果.Aghchai等[6]推導(dǎo)了雙層板成形極限圖的理論計算公式，并指出復(fù)合板的成形極限隨著應(yīng)變強化指數(shù)、應(yīng)變速率敏感系數(shù)增大而增大.Atrian等[7]結(jié)合試驗和數(shù)值模擬研究了壓邊力、板料直徑等對雙層復(fù)合板拉深成形的影響，研究表明板料直徑和最大拉深力呈線性關(guān)系，拉深力隨板料直徑增大而增大.周俊杰等[8]通過杯凸和單向拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，不銹鋼/鋁復(fù)合板中的不銹鋼層的應(yīng)力狀態(tài)對復(fù)合板的成形性能起決定性作用；不銹鋼在試樣外側(cè)時的復(fù)合板的沖壓性能比不銹鋼在試樣內(nèi)側(cè)時差.彭志輝等[9]以不同厚度比的SUS304不銹鋼/AA3003鋁復(fù)合板為研究對象，研究了復(fù)合板的沖壓性能指標(biāo)與厚度比的關(guān)系.研究表明，屈強比、應(yīng)變硬化指數(shù)隨著不銹鋼/鋁合金厚度比的增加而增加，伸長率隨著不銹鋼/鋁合金厚度比的增加而下降.夏琴香等[10]研究了鋁和鋼兩種復(fù)合板表層面板厚度和溫度對極限拉深比的影響，指出復(fù)合板極限拉深比隨著表層面板厚度的增加而增大，隨著溫度降低而減小.

由于304不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能、1050鋁具有良好的導(dǎo)熱性能、430不銹鋼具有良好的導(dǎo)磁性能，304不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼三層復(fù)合板在餐廚具行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.文中以某不銹鋼制品廠常用的304不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼三層復(fù)合板為研究對象，通過單向拉伸試驗，對比分析了組元金屬與復(fù)合板整體的力學(xué)性能，研究了組元金屬以及組元厚度比對復(fù)合板力學(xué)性能的影響規(guī)律，為材料的評定、選用提供了依據(jù)；通過Swift試驗，探索了復(fù)合板極限拉深系數(shù)的影響因素，為成形工藝的擬定提供了重要參考.

1 不銹鋼/鋁/不銹鋼三層復(fù)合板的力學(xué)性能

1.1 試驗材料與試驗方法

試驗根據(jù)GB/T 228.1—2010[11]進行，試驗設(shè)備采用型號為CMT5105的新電子萬能試驗機，試驗時的拉伸速度為2 mm/min[12].為便于后文分析，對試驗用的3種材料進行編號(如表1所示).為了保證試驗結(jié)果可靠，每種材料制備3個試樣，試驗結(jié)果取平均值.

表1 試樣組成Table 1 Composition of test samples mm

1.2 試驗結(jié)果

通過試驗得到了3種復(fù)合板及其組元的材料性能參數(shù)(如表2所示).表中不銹鋼和1050鋁的材料性能參數(shù)范圍分別參考文獻[13]和[14].

表2 材料力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameter of materials

(1)組元金屬與復(fù)合板整體力學(xué)性能對比

以復(fù)合板B(430不銹鋼：1050鋁：304不銹鋼厚度比為0.6∶1.8∶0.4)及其組元金屬304、430不銹鋼和1050鋁為試驗對象，分別進行單向拉伸試驗，得到如圖1所示的組元金屬和復(fù)合板整體的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖1可見，三層復(fù)合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不是其組元應(yīng)力-應(yīng)變曲線的簡單相加，其力學(xué)性能受3種組元材料的相互影響.

圖1 復(fù)合板及其組元的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.1 Engineering stress-strain curves of the laminated sheet and its components

由表2中的抗拉強度可知:1050鋁的抗拉強度最低為68.2 MPa，在沖壓成形中極為不利，容易產(chǎn)生破裂缺陷;三層復(fù)合板B的抗拉強度介于1050鋁和430不銹鋼之間.這表明三層復(fù)合板綜合了3種材料的力學(xué)性能，彌補了單一材料(1050鋁)在抗拉強度上的不足.

材料的屈服強度σ0.2越大，所需的成形力越大[15].對比表2中的屈服強度σ0.2可知，不銹鋼(304、430)的屈服強度較大、1050鋁的屈服強度最小，三層復(fù)合板B的屈服強度介于1050鋁和不銹鋼之間.因此，成形三層復(fù)合板的成形力小于同等厚度的不銹鋼.

對比表2中的延伸率δ5可知，延伸率最好的是304不銹鋼、最差的是430不銹鋼；三層復(fù)合板B的延伸率與1050鋁相近.這表明三層復(fù)合板的延伸率主要受厚度比最大的組元金屬影響，彌補了單一材料(430不銹鋼)在延伸率上的不足.

硬化指數(shù)n較大時，材料在成形過程中產(chǎn)生加工硬化更快，使材料各區(qū)域厚度分布均勻，變薄減小[14].由表2可知，202不銹鋼硬化指數(shù)最大，430不銹鋼硬化指數(shù)最小，復(fù)合板B的硬化指數(shù)接近430不銹鋼.

綜上所述，三層復(fù)合板的力學(xué)性能不是在其組元金屬的性能上的簡單疊加，而是受3種組元金屬的相互影響，它能很好地發(fā)揮組元金屬材料的優(yōu)異性能，彌補單一材料在性能上的不足.因此，對比單一組元材料而言，三層復(fù)合板具有更好的綜合性能.

(2)組元金屬層厚度比的影響

圖2 不同厚度比時的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.2 Engineering stress-strain curves under different thickness ratios

由圖2和表2可知，三層復(fù)合板B的抗拉強度σb、延伸率δ5、硬化指數(shù)n都大于復(fù)合板A.由上文分析可知：復(fù)合板的力學(xué)性能介于1050鋁和430不銹鋼之間；增加430不銹鋼的厚度，復(fù)合板的抗拉強度、延伸率、硬化指數(shù)也隨著增大.

綜上所述，當(dāng)復(fù)合板總厚度不變、組元金屬430不銹鋼和1050鋁的厚度變化時，金屬組元430不銹鋼對三層復(fù)合板整體力學(xué)性能的影響要大于1050鋁.對于復(fù)合板A、B，增加抗拉強度高的430不銹鋼的厚度比，復(fù)合板的整體力學(xué)性能變好.

(3)組元金屬材料的影響

采用總厚度、金屬組元厚度比均相同，但其中一種組元金屬不同的復(fù)合材料B和C作為研究對象，測定了三層復(fù)合板B、C以及304、202不銹鋼的力學(xué)性能.圖3所示為304、202不銹鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4所示為B、C兩種三層復(fù)合板的整體工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其力學(xué)性能參數(shù)如表2所示.

圖3 組元金屬的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Engineering stress-strain curve of different components

圖4 三層復(fù)合板工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.4 Engineering stress-strain curves of different laminated sheets

由表2可知，202不銹鋼的硬化指數(shù)n和抗拉強度σb大于304不銹鋼，202不銹鋼的力學(xué)性能好于304不銹鋼.三層復(fù)合板C的抗拉強度和硬化指數(shù)都大于三層復(fù)合板B，三層復(fù)合板C的力學(xué)性能好于三層復(fù)合板B.三層復(fù)合板B、C的延伸率相差不大.綜上所述，對于復(fù)合板B、C，組元金屬元素的力學(xué)性能越好，三層復(fù)合板的整體力學(xué)性能也越好.

2 不銹鋼/鋁/不銹鋼三層復(fù)合板的拉深性能

拉深成形是金屬塑性成形中的一種重要方法，被廣泛用于不同行業(yè)[16].為了揭示三層復(fù)合板金屬組元、組元金屬厚度比、疊層順序?qū)钚阅艿挠绊懀瑫r為拉深工藝的擬定提供依據(jù)，進行了Swift杯形拉深試驗.

2.1 試驗材料與試驗方法

以上述復(fù)合板A、B、C為研究對象，根據(jù)GB/T 15825.3—2008[17]進行Swift拉深試驗.試驗時，與凸模接觸的材料是復(fù)合板的304不銹鋼層.由于三層鋼拉深系數(shù)沒有參考值，所以剛開始采用單個試樣進行快速試驗，如果發(fā)現(xiàn)試樣直徑靠近最大試樣直徑(D0)max，則開始對每組試驗進行重復(fù)試驗.

2.2 試驗結(jié)果

三層復(fù)合板A的試驗結(jié)果如圖5所示.當(dāng)試樣直徑為Φ98 mm時，有4個試樣破裂，2個完好；當(dāng)試樣直徑為Φ96.15 mm時,6個試樣均完好.圖6所示為復(fù)合板B拉深后試樣.當(dāng)直徑為Φ98 mm時，3個試樣破裂，3個完好.復(fù)合板C的拉深后的試樣如圖7所示，當(dāng)直徑為Φ98 mm時，有1個試樣破裂，5個完好；當(dāng)直徑為Φ100 mm時，6個試樣均破裂.根據(jù)國標(biāo)對試驗結(jié)果進行計算，獲得3種材料的極限拉深系數(shù)如表3所示.

圖5 復(fù)合板A拉深后試樣Fig.5 Deep drawing samples of laminated sheet A

圖6 復(fù)合板B拉深后試樣Fig.6 Deep drawing samples of laminated sheet B

圖7 復(fù)合板C拉深后試樣Fig.7 Deep drawing samples of laminated sheet C

材料編號試樣直徑D0/mm破裂的試樣個數(shù)未破裂的試樣個數(shù)極限拉深系數(shù)ABC96.150698.004298.003398.0015100.00600.5130.5100.506

2.3 試驗結(jié)果分析

(1)組元金屬與復(fù)合板整體拉深性能對比

由文獻[18]可知，奧氏體不銹鋼(304、202不銹鋼)的極限拉深系數(shù)為0.50～0.52,鐵素體不銹鋼(430不銹鋼)和1050鋁的極限拉深系數(shù)為0.52～0.55.極限拉深系數(shù)越小，表明材料的拉深性能越好.復(fù)合板的3種組元金屬中，304、202不銹鋼的極限拉深系數(shù)最小，其拉深性能最好.由表3可見，復(fù)合板A、B、C的極限拉深系數(shù)在304、202不銹鋼材料的極限拉深系數(shù)范圍內(nèi).綜上可知，復(fù)合板整體的拉深性能與拉深性能最好的組元金屬接近.

(2)組元金屬厚度比的影響

復(fù)合板A、B的組元金屬相同、總厚度相同，都是由430不銹鋼、1050鋁以及304不銹鋼組成，但是這兩種復(fù)合板的組元厚度比不同.由表3可知，復(fù)合板B的極限拉深系數(shù)小于復(fù)合板A.極限拉深系數(shù)越小，表示材料的拉深性能越好，這說明復(fù)合板B的拉深性能好于復(fù)合板A.與1050鋁相比，430不銹鋼的抗拉強度更大，說明增加抗拉強度較高的材料(430不銹鋼)的厚度比、減少抗拉強度較低的材料(1050鋁)的厚度比，能改善復(fù)合板的拉深成形性能.

(3)組元金屬材料的影響

復(fù)合板B和C的各層材料厚度和總厚度相同、但是有一層的組元金屬不同.由表3可知，復(fù)合板C的極限拉深系數(shù)小于復(fù)合板B，說明復(fù)合板C的拉深性能好于B.復(fù)合板B的一種組元為304不銹鋼、而復(fù)合板C的為202不銹鋼.由表2可知，202不銹鋼的硬化指數(shù)n和抗拉強度σb均大于304不銹鋼.對拉深性能而言，這兩個指標(biāo)越大越好.綜上所述，對于復(fù)合板B、C，表征組元金屬拉深性能的力學(xué)性能指標(biāo)越好，復(fù)合板的整體拉深成形性能也越好.

(4)疊層順序的影響

復(fù)合板拉深時，與凹模接觸的材料不同，拉深性能也不同.以三層復(fù)合板A為研究對象，進行拉深試驗.與凹模接觸的材料為430不銹鋼時，其拉深結(jié)果如圖5所示.與凹模接觸的板料為304不銹鋼時，其拉深結(jié)果圖8所示，坯料直徑為Φ104 mm時破裂，為Φ102 mm時完好.

試驗表明，拉深時復(fù)合板A的304不銹鋼表面與凹模接觸比430不銹鋼與凹模接觸具有更好的拉深成形性能.這主要是因為304不銹鋼的抗拉強度大于430不銹鋼.板料在拉深時，靠近凸模圓角處的材料受彎曲作用，外側(cè)材料受到拉應(yīng)力作用，所以當(dāng)最外側(cè)材料的抗拉強度較高時，材料更不容易破裂.

圖8 430不銹鋼與凸模接觸的拉深結(jié)果

Fig.8 Deep drawing workpieces when 430 stainless steel contacts with the punch

3 結(jié)論

文中通過單向拉伸試驗及Swift拉深試驗，對304不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼及202不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼三層復(fù)合板的力學(xué)性能及拉深性能進行了研究，得到了以下結(jié)論：

(1)通過單向拉伸試驗得到了三層復(fù)合板的力學(xué)性能參數(shù).結(jié)果表明，復(fù)合板的力學(xué)性能與組元金屬厚度比、組元金屬有關(guān).三層復(fù)合板的力學(xué)性能不是在其組元金屬的性能上的簡單疊加，而是受3種組元金屬的相互影響.

(2)增加抗拉強度較高的材料厚度比，復(fù)合板的整體力學(xué)性能變好；當(dāng)總厚度和厚度比相同時，組元金屬元素的力學(xué)性能越好，三層復(fù)合板的整體力學(xué)性能也越好.

(3)復(fù)合板的拉深性能與組元金屬厚度比、組元金屬、疊層順序有關(guān).復(fù)合板整體的拉深性能與拉深性能最好的組元金屬接近.增加抗拉強度較高的材料厚度比，能改善復(fù)合板的拉深性能.

(4)對于總厚度和厚度比相同的三層復(fù)合板，表征組元金屬拉深性能的力學(xué)性能指標(biāo)硬化指數(shù)n和抗拉強度σb越大，復(fù)合板的整體拉深成形性能也越好；抗拉強度高的材料一面與凹模接觸比抗拉強度低的材料與凹模接觸具有更好的拉深成形性能.

(5)通過Swift拉深試驗，獲得了304不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼三層復(fù)合板在厚度比分別為0.5∶1.9∶0.4 及0.6∶1.8∶0.4時的極限拉深系數(shù)值，分別為0.513、0.510；202不銹鋼/1050鋁/430不銹鋼三層復(fù)合板在厚度比為0.6∶1.8∶0.4時的極限拉深系數(shù)值為0.506.

[1] TSENG Huang-Chi,HUNG Ching-hua,HUANG Chin-chuan,et al.An analysis of the formability of aluminum/copper clad metals with different thicknesses by the finite element method and experiment [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,49(9):1029- 1036.

[2] 夏琴香,祝昕.鋁復(fù)合層板壓彎成形時回彈現(xiàn)象的研究 [J].航空制造技術(shù),1994(4):15- 16. XIA Qin-xiang,ZHU Xin.Study on spring back in press bending of aluminium alloy bonding laminates [J].Aeronautical Manufacturing Technology,1994(4):15- 16.

[3] 夏琴香,祝昕.鋁合金復(fù)合層板V形彎曲成形時反彎現(xiàn)象的研究 [J].航空制造技術(shù),1994(1):11- 13. XIA Qin-xiang,ZHU Xin.Reverse bend phenomenon in V-Bending forming of al laminate [J].Aeronautical Manufacturing Technology,1994(1):11- 13.

[4] 翟偉國.鈦-鋼和銅-鋼爆炸復(fù)合板的性能及界面微觀組織結(jié)構(gòu) [D].南京：南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2013.

[5] FERESHTEH-SANIEE F,ATRIAN A,ALAVI-Nia A.An experimental investigation on the deep drawing process of steel-brass bimetal sheets [C]∥Int’l Conference Metal Forming.Krakow,Poland:[s.n.]，2008:63- 70.

[6] AGHCHAI A J,SHAKERI M,DARIANI B M.Influences of material properties of components on formability of two-layer metallic sheets [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,66(66):809- 823.

[7] ATRIAN A,FERESHTEH-SANIEE F.Deep drawing process of steel/brass laminated sheets [J].Composites Part B Engineering,2013,47(3):75- 81.[8] 周俊杰,龐玉華,蘇曉莉.不銹鋼/鋁復(fù)合板的成形性能研究 [J].輕合金加工技術(shù),2005,33(9)：23- 26. ZHOU Jun-jie,PANG Yu-hua,SU Xiao-li.Research on the press-formablility of stainless steel/aluminum clad sheet [J].Light Alloy Fabrication Technology,2005,33(9)：23- 26.

[9] 彭志輝,徐根應(yīng),佘旭凡,等.厚度比對不銹鋼復(fù)合鋁板性能的影響 [J].金屬學(xué)報,2000,36(10)：1067- 1071. PENG Zhi-hui,XU Gen-ying,SHE Xu-fan,et al.Effect of thickness ratio on the properties of stainless steel clad aluminum sheet [J].Acta Metallurgica Sinica,2000,36(10)：1067- 1071.

[10] 夏琴香,祝昕.復(fù)合層板的拉深成形性研究 [J].航空制造技術(shù),1996(3):30- 31. XIA Qin-xiang,ZHU Xin.Cup-drawing formability of laminated sheet [J].Aeronautical Manufacturing Technology,1996(3)：30- 31.

[11] GBT 228.1—2010：金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法 [S].

[12] 寧愛林,申奇志,肖似蹼.多層復(fù)合板的成形性能研究 [J].邵陽高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2000,13(4)：245- 247. NING Ai-lin,SHEN Qi-zhi,XIAO Si-pu.Research on the formability of stainless-steel/aluminum multilayer composite plates [J].Journal of Shaoyang College,2000,13(4)：245- 247.

[13] 趙昌盛.不銹鋼的應(yīng)用及熱處理 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2010：1- 470.

[14] GBT 3880.2—2012：一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第2部分：力學(xué)性能 [S].

[15] 王孝培.沖壓手冊 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2003：1- 653.

[16] KAPIńSKI S.Analytical and experimental analysis of deep drawing process for bimetal elements [J].Journal of Materials Processing Technology,1996,60(1- 4):197- 200.

[17] GBT 15825.3—2008：金屬薄板成形性能與試驗方法第3部分：拉深與拉深載荷試驗 [S].

[18] 夏巨湛,李志剛.中國模具設(shè)計大典第3卷 [M].南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社,2003：236- 238.

Investigation into Mechanical and Deep Drawing Properties of Stainless Steel/Aluminum/Stainless Steel-Laminated Sheet

XIAQin-xiang1XIONGSheng-yong1KUANGNai-qiang2LIANGShu-quan2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. Guangzhou LINK FAIR group Co., Ltd., Yunfu 527400, Guangdong, China)

The influences of the metal component and its thickness ratio on the mechanical and deep drawing pro-perties of the stainless steel/aluminum/stainless steel-laminated sheet were investigated based on the uniaxial tensile and swift cup tests. The results show that (1) the mechanical and deep drawing properties of the laminated sheet come from an interplay of three kinds of metal components rather than a simple superposition of the performance of each component; (2) the mechanical and deep drawing properties of the laminated sheet are much closer to those of the components of the best properties; (3) the mechanical and deep drawing properties of the laminated sheet increase with the thickness ratio of the component of higher tensile stress; (4) as the strain-hardening index and the tensile strength of the component increase, the mechanical and deep drawing properties of the laminated sheet both tend to become better; and (5) the laminated sheet possesses a better deep drawing property when the component of higher tensile strength contacts with the die during deep drawing.

stainless steel/aluminum/stainless steel; laminated sheet; mechanical property; deep drawing pro-perty

2016- 06- 21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375172) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51375172)

夏琴香(1964-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事塑性加工及模具計算機技術(shù)研究．E-mail：meqxxia@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)12- 0001- 06

TG 113.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.12.001