Glare層板基本成形性能研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

田精明， 李華冠， 劉 成， 陶 剛， 張麗清，鄭興偉， 劉紅兵， 陶 杰

(1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106； 2. 上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436)

Glare層板基本成形性能研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

田精明1， 李華冠1， 劉 成1， 陶 剛1， 張麗清1，鄭興偉2， 劉紅兵2， 陶 杰1

(1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106； 2. 上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436)

為了探索Glare層板的成形性能特點(diǎn)，采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，分析研究了Glare 2A，Glare 2B和Glare 3層板的基本成形性能，并借助掃描電子顯微鏡分析了Glare層板的失效特征。結(jié)果表明：纖維鋪層方向?qū)Σ牧系某尚涡阅艽嬖陲@著影響，Glare 2A層板抵抗塑性變形的能力強(qiáng)，且難以發(fā)生厚向變形：采用σ=σy+Kεn硬化模型擬合真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其相關(guān)系數(shù)最大，擬合結(jié)果最好：Glare2A的彎曲回彈量最大，其彎曲破壞時(shí)，內(nèi)表層受壓應(yīng)力，以皺縮和壓縮斷裂為主，外表層受拉應(yīng)力，以纖維拉伸斷裂和分層為主；對(duì)于Glare2B層板，其彎曲回彈量最小，主要以基體破壞為主：通過滾彎成形驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的準(zhǔn)確性。

復(fù)合材料；Glare層板；基本成形性能；硬化模型；回彈

纖維金屬層板 (Fiber Metal Laminates，F(xiàn)MLs) 是一種由金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪層后，在一定的固化工藝下制備而成的層間混雜復(fù)合材料。FMLs具有高比剛度和比強(qiáng)度的特點(diǎn)，并且擁有優(yōu)良的疲勞性能[1]，已應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。作為第二代FMLs，Glare (glass fiber reinforced aluminium laminates) 層板結(jié)合了鋁合金與玻璃纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高損傷容限、優(yōu)異疲勞性能等特點(diǎn)，在空客A380已大面積應(yīng)用Glare層板[2]。由于Glare層板在機(jī)身減重及抗疲勞方面具有突出優(yōu)勢(shì)，并綜合其在國外寬體客機(jī)上的廣泛使用，將在我國的大飛機(jī)項(xiàng)目中發(fā)揮舉足輕重的作用。

作為大型客機(jī)機(jī)身、機(jī)翼蒙皮的重要選材，Glare層板引起了研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[3-10]。纖維金屬層板根據(jù)樹脂基體的不同分為熱塑性和熱固性兩種[11]，針對(duì)熱塑性層板，國外已開展其成形工藝研究，優(yōu)化了其成形工藝、模具設(shè)計(jì)，并采用了有限元模擬進(jìn)行輔助分析[12]；Glare層板作為熱固性層板，目前其成形工藝主要有激光成形[13]、彎曲成形[14]、噴丸成形[15]和自成形[16]。其中，Carey等[13]激光成形工藝的研究發(fā)現(xiàn)，纖維鋪排方向和復(fù)合材料的熱效應(yīng)等因素對(duì)成形工藝均有影響；Kim等[14]研究了彎曲成形，結(jié)果表明，加載速度、載荷和溫度對(duì)Glare層板的回彈有不同程度的影響；Russig等[15]利用SPF和鎖相紅外檢測(cè)法證明,Glare層板在噴丸成形中與金屬有相似的變形行為。而國內(nèi)對(duì)于Glare層板在成形工藝方面的研究尚有欠缺，對(duì)于熱塑性層板，西北工業(yè)大學(xué)介蘇朋提出，成形溫度對(duì)其成形有較大影響，其相對(duì)鋁板具有更為優(yōu)良的機(jī)械性能，適合于沖壓成形[17]；對(duì)于Glare層板，馬宏毅對(duì)其制備過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，包括鋁合金薄板的底膠含量、預(yù)浸料的纖維體積含量、烘干條件和層板壓制工藝[18]；南京航空航天大學(xué)陶杰等采用自成形技術(shù)嘗試成形了商用飛機(jī)的機(jī)翼前緣蒙皮構(gòu)件[19]，如圖1；曹子振研究了Glare層板單搭接接頭受準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷時(shí)的失效模式和擠壓強(qiáng)度[20]；但國內(nèi)針對(duì)Glare層板的成形工藝相關(guān)研究總體較少。對(duì)于Glare層板來說，纖維的破壞應(yīng)變較小[21]，層板容易產(chǎn)生層間破壞，因此Glare層板成形工藝存在諸多技術(shù)難題亟待解決。廖建[22]研究了Glare層板的基本成形性能，但僅研究了溫度對(duì)最小彎曲半徑和回彈角的影響。為了克服上述存在的問題，本工作通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比等基本成形性能指標(biāo)，通過3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究纖維鋪層和壓頭半徑對(duì)最小相對(duì)彎曲角和彎曲回彈的影響，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)分析Glare層板的失效特征。我國已啟動(dòng)的遠(yuǎn)程寬體客機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)工程將論證采用Glare構(gòu)件作為機(jī)翼前緣，本工作為Glare復(fù)雜構(gòu)件的塑性成形提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的Glare 2A,Glare 2B和Glare 3層板鋪層結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬層是厚度為0.3 mm的2024-T3鋁合金，復(fù)合材料層為四川新萬興有限公司生產(chǎn)的S4/E302-1型高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。鋁合金板經(jīng)過磷酸陽極氧化處理后，與預(yù)浸料交替鋪疊，在一定溫度和壓力下固化制成Glare層板。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

單向拉伸實(shí)驗(yàn)在配有引伸計(jì)的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，參照GB/T 15825—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法》，控制拉伸速率為1 mm/min。試樣尺寸如圖3所示。通過引伸計(jì)自動(dòng)記錄應(yīng)變值，以獲得準(zhǔn)確的應(yīng)變參數(shù)值。

3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)參照GB/T 15825.5—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第5部分：彎曲試驗(yàn)》，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，跨距取30 mm，加載速率為1 mm/min，支座半徑2 mm。試樣尺寸如圖4，單位為mm。

顯微觀察分析采用Hitachi臺(tái)式高分辨率TM3000型SEM。為獲得較高對(duì)比度的圖像，樣品經(jīng)過噴金后進(jìn)行觀察分析。

最后，利用對(duì)稱式三輥滾彎設(shè)備對(duì)Glare 2A,Glare 2B,Glare 3層板進(jìn)行滾彎成形。工藝參數(shù)如下：試樣尺寸為270 mm×20 mm×1.4 mm，上輥直徑為76 mm，控制上輥線速率為300 mm/min，下壓量為14.2 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 應(yīng)變硬化指數(shù)

應(yīng)變硬化指數(shù)n值，是評(píng)價(jià)材料成形性能的重要參數(shù)，可用來度量材料拉伸時(shí)塑性變形階段的應(yīng)變硬化能力。n值的獲取需取真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上塑性段曲線進(jìn)行數(shù)值擬合。Glare層板的拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，在塑性變形階段，產(chǎn)生相同的應(yīng)變時(shí)，Glare2A層板的應(yīng)力最大，Glare2B層板的應(yīng)力最小。在不發(fā)生破壞的情況下，Glare2B層板的真實(shí)應(yīng)變值可達(dá)到4%，Glare2A層板的真實(shí)應(yīng)變值可達(dá)到3%。表明Glare2A層板抵抗拉伸變形的能力強(qiáng)于Glare2B層板，原因是Glare2A層板中纖維的鋪層方向與拉伸方向平行，增強(qiáng)作用明顯；而Glare2B層板中的纖維的鋪層方向與拉伸方向垂直，未起到增強(qiáng)作用。

n值的獲取需采用合適的本構(gòu)方程對(duì)真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上塑性段曲線進(jìn)行擬合，目前常用的本構(gòu)方程有以下三種[25]：

σ=Kεn

(1)

σ=K(ε0+ε)n

(2)

σ=σy+Kεn

(3)

式中：K為材料的應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，σ為真實(shí)應(yīng)力，ε為真實(shí)應(yīng)變，ε0和σy為待定材料常數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變值，采用上述3種模型按最小二乘法對(duì)不同鋪層Glare層板獲得的拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，比較不同本構(gòu)方程對(duì)材料變形抗力的描述能力。

如表1，對(duì)于3種本構(gòu)方程，Glare2A層板的n值均最大，Glare2B層板的n值均最小，Glare3層板介于兩者之間，說明Glare2A層板抵抗塑性變形的能力強(qiáng)于其他鋪層層板。此外，對(duì)比不同鋪層Glare層板的擬合數(shù)據(jù)，采用本構(gòu)方程σ=σy+Kεn擬合所得到的變形抗力曲線，其相關(guān)系數(shù)最大，擬合結(jié)果最好。

表1 不同鋪層Glare層板的本構(gòu)模型擬合結(jié)果

2.2 塑性應(yīng)變比

塑性應(yīng)變比r值也是評(píng)價(jià)材料成形性能的重要指標(biāo)。利用公式(4)計(jì)算不同鋪層Glare層板的r值。

(4)

式中：b0為試樣的原始寬度，mm；b為試樣拉伸后的寬度，mm；L0為原始標(biāo)距，mm；L為試樣拉伸后標(biāo)距的長度，mm。

由表2可知，不同鋪層Glare層板的r值不同。r值愈大，板材抵抗厚向變形的能力愈強(qiáng)?？芍珿lare2A層板難以發(fā)生厚向變形，而Glare2B層板則容易發(fā)生厚向變形。原因是拉伸時(shí)，Glare2A層板中的基體未破壞，纖維承擔(dān)了大部分拉伸載荷，層板不易變形；Glare2B層板中的基體破壞，纖維幾乎不承受載荷，鋁合金的承載能力有限，層板容易變形。

表2 不同鋪層Glare層板的r值

n，r值需要在材料未發(fā)生破壞的情況下獲得。不同鋪層Glare層板鋁合金表面均無裂紋，掃描電鏡結(jié)果如圖6所示，均沒有出現(xiàn)明顯的分層，鋁合金層與基體之間的粘接效果良好，承載纖維并未發(fā)生明顯斷裂。雖然Glare2B層板基體受到擠壓，出現(xiàn)斷裂，但沒有出現(xiàn)分層失效，對(duì)n，r值沒有影響。

2.3 彎曲回彈

回彈是板材冷彎成形時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生的問題，對(duì)材料的成形穩(wěn)定性具有顯著影響。3點(diǎn)彎曲過程中，在彎曲變形區(qū)域內(nèi)，試樣內(nèi)表層(靠近壓頭一側(cè))受壓，外表層受拉，由于各部分變形不一致，一段時(shí)間后，試樣內(nèi)外表層首先發(fā)生塑性變形，而中心層仍處于彈性變形狀態(tài)，當(dāng)壓頭上升卸除外載荷后，則要經(jīng)過一個(gè)卸載和反向加載的過程，就會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)。回彈的存在嚴(yán)重影響彎曲件的尺寸精度，造成成形缺陷。

為了探究壓頭半徑和纖維鋪層對(duì)彎曲回彈的影響，采用壓頭半徑分別為2，3，4，5 mm進(jìn)行彎曲試驗(yàn)?；貜椇蟮脑嚇尤鐖D7所示。圖8表明，壓頭半徑對(duì)彎曲回彈的影響較小，纖維鋪層對(duì)回彈影響較大。Glare 2B層板回彈量最小，Glare 2A層板回彈量最大，Glare 3層板介于兩者之間。原因是不同鋪層Glare層板的彈性模量相差較大，抵抗變形的能力不同。對(duì)于Glare 2A層板，在大撓度彎曲時(shí)，鋁合金已經(jīng)發(fā)生塑性變形，而0°纖維抵抗變形能力強(qiáng)，發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致彈性變形量占彎曲總變形量的比例大，回彈量大；對(duì)于Glare 2B層板，應(yīng)力超過鋁合金的屈服極限后，鋁合金發(fā)生較大塑性變形，而90°纖維抵抗變形能力差，導(dǎo)致彎曲總變形量中彈性變形量所占比例小，回彈量??；而Glare 3層板抵抗變形的能力介于兩者之間，故回彈量也介于兩者之間。

2.4 最小相對(duì)彎曲角

最小相對(duì)彎曲角，即發(fā)生破壞時(shí)的相對(duì)彎曲角，是表征材料彎曲變形極限的重要參數(shù)。最小相對(duì)彎曲角與彎曲變形極限和彎曲回彈量有關(guān)。如圖9所示，Glare 2A層板的彎曲變形極限較小，同時(shí)回彈量最大，因此其最小相對(duì)彎曲角最大。對(duì)于同種鋪層層板，不同壓頭半徑導(dǎo)致層板的變形極限不同，壓頭半徑小容易造成應(yīng)力集中，壓頭半徑大就擴(kuò)大了變形區(qū)域，均容易引起破壞；而且不同壓頭半徑下層板的回彈量也不同，難以判斷壓頭半徑對(duì)最小相對(duì)彎曲角的影響規(guī)律。

彎曲變形過程中，相對(duì)彎曲角小于最小相對(duì)彎曲角時(shí)，Glare層板將發(fā)生破壞，如圖10所示，Glare 2A層板內(nèi)表層受到擠壓，試樣持續(xù)彎曲過程中，由于壓應(yīng)力的作用，鋁合金發(fā)生大幅度皺縮，而鋁合金和纖維未能協(xié)同變形，隨后纖維受壓斷裂，繼而分層；外表層纖維受到拉伸作用，隨著彎曲程度增大，達(dá)到承載極限，隨后纖維發(fā)生大量斷裂，繼而分層。Glare 2B層板在彎曲過程中，纖維并不承受載荷，主要是鋁合金和樹脂基體承載，而鋁合金容易發(fā)生塑性變形，纖維不發(fā)生塑性變形，因此基體受到擠壓，引起破壞。Glare 3層板綜合了Glare 2A和Glare 2B層板的破壞形式，彎曲過程中外表層受拉，當(dāng)載荷超過層板承載極限時(shí)，基體受壓開裂，纖維發(fā)生拉伸破壞，繼而分層。

2.5 滾彎成形

對(duì)Glare層板來說，一方面不同鋪層層板抵抗變形的能力不同，另一方面它們的回彈不同，滾彎成形后的曲率則不同。

滾彎成形后發(fā)現(xiàn)，Glare層板均未發(fā)生分層破壞，但不同鋪層層板的成形曲率具有顯著差異。如圖11所示，Glare 2A層板的n，r值最大，抵抗變形的能力強(qiáng)，且其回彈量最大，因此其成形曲率最小。由此可見，本研究所得出的實(shí)驗(yàn)規(guī)律準(zhǔn)確，對(duì)Glare構(gòu)件的塑性成形具有一定的指導(dǎo)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滾彎成形也可作為Glare層板的一種成形方式。

3 結(jié) 論

(1)通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到Glare層板的力學(xué)性能參數(shù)，擬合發(fā)現(xiàn)本構(gòu)方程σ=σy+Kεn能夠更為準(zhǔn)確地描述Glare層板的變形抗力曲線，為后期的數(shù)值模擬提供依據(jù)。

(2)纖維的鋪層方向?qū)lare層板的成形性能具有顯著影響。Glare2B層板的塑性成形能力優(yōu)于Glare2A和Glare3層板。

(3)纖維鋪層方向?qū)澢貜椀挠绊戄^大，壓頭半徑對(duì)回彈的影響較小?？傮w來說，Glare2A層板的彎曲回彈量最大，Glare2B層板的彎曲回彈量最小。此外，Glare2A層板的最小相對(duì)彎曲角最大，成形性能較差。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Basic Formability Research and Experimental Test of Glass Fiber Reinforced Aluminium Laminates

TIAN Jingming1, LI Huaguan1, LIU Cheng1, TAO Gang1, ZHANG Liqing1,ZHENG Xingwei2, LIU Hongbing2, TAO Jie1

(1. College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China; 2. Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

The basic formability of Glare 2A, Glare 2B and Glare 3 laminates was investigated by unidirectional tensile and three-point bending tests to explore the formability characteristics of Glare. Meanwhile, the failure characteristic of Glare was studied by scanning electron microscopy (SEM). The results indicate that the direction of the fiber has strong effects on the formability of Glare. The Glare 2A laminates exhibit the strongest resistance to plastic deformation. Meanwhile, it is also hard to deform in thickness direction.σ=σy+Kεnisusedtofittherealstress-straincurvesofthreevariantsandprovesthemostsuitablemodel,presentingthemaximumcorrelationcoefficient.Furthermore,Glare2Alaminatesexhibitthemostseriousbendingspringback.Shrinkageandcompressionfracturearevisibleintheinnerlayerwhichbearscompressivestress,andfiberfractureanddelaminationarefoundintheouterlayerwhichbearstensilestress.Onthecontrary,Glare2Blaminatesshowtheminimumspringback,followingwiththeobservedfiber-matrixcracks.Finally,theaccuracyoftestresultsisverifiedbyrollbending.

composite; Glare laminates; basic formability; hardening model; springback

2015-10-29；

2016-04-03

國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(SAMC 13-JS-15-032)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX_0259)；江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(ASMA201401)；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510287033)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

陶杰(1963—)，男，教授，主要從事復(fù)合材料成形研究，(E-mail)taojie@nuaa.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.000213

TB333

A

1005-5053(2017)01-0086-07