基于單向拉伸的glare板力學(xué)性能測(cè)試

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100089）

纖維金屬層板(Fibres Metal Laminates,FMLs)是一種新型復(fù)合材料[1]，是由較薄的輕合金金屬片和纖維相互鋪層后在一定的壓力和溫度下固化而成的。普通輕合金疲勞性能差、強(qiáng)度低，纖維材料剛度低、拉深成形性能差，因此兩者都不能滿足實(shí)際需求。而纖維金屬層板不僅避免了二者的缺點(diǎn)，同時(shí)還融合了纖維和輕合金共同的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的損傷容限性能、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗疲勞、抗磨、減振、高導(dǎo)電(熱)、尺寸穩(wěn)定、不吸潮等諸多優(yōu)良性能，且有些性能比基體金屬材料高幾倍，甚至幾十倍[2]。

由于具有良好的性能，纖維金屬層板在航空航天、汽車等多個(gè)領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在較為成熟的纖維金屬層板成形方法為真空袋-熱壓罐法和滾彎成形法。真空袋-熱壓罐法[3—7]成形零件質(zhì)量高，但只適用于成形大尺寸的層板零件，且成本較高、效率較低；滾彎成形法[8]成形工藝簡(jiǎn)單、成本較低、效率較高，但只適用于成形單曲率的零件，且曲率大小也受到限制[9—10]。此外，不太成熟的方法是含有熱塑性樹脂的纖維金屬層板拉深成形技術(shù)，該方法可用于成形小尺寸、大曲率及較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，但目前尚處于研究階段，還有很多問題尚未解決[11]。

隨著金屬拉深成形技術(shù)的逐漸普及、逐漸成熟以及拉深設(shè)備的現(xiàn)代化和普遍化，可以考慮將現(xiàn)有的拉深設(shè)備應(yīng)用于纖維金屬層板的成形[12—14]。在國(guó)外，有學(xué)者[15—16]使用拉深成形的方法將含有熱塑性樹脂的復(fù)合材料成形成零件。北京航空航天大學(xué)朗利輝教授和Rizwan[17]等提出用2層金屬層板加橡膠板成形，然后使用真空袋-熱壓罐技術(shù)來成形小型且形狀相對(duì)復(fù)雜的零件，其中橡皮板的作用是留出填充纖維的間隙。

文中旨在研究通過使用傳統(tǒng)的模具來充液成形[18]/普通拉深成形含有半固化玻璃纖維預(yù)浸料的 glare板，成形后再固化的方法來制造小型大曲率glare板零件的可能性，并研究使用該方法成形纖維金屬層板時(shí)板料的最佳狀態(tài)；隨后分析含有半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板和已經(jīng)固化了的glare板的失效形式和成形性能，優(yōu)選出較好的glare板；最后與其本體金屬的成形性能進(jìn)行對(duì)比，以期得出一些指導(dǎo)性結(jié)論，為以后的成形研究提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料有 2024-T3鋁合金板料，厚度為 0.5 mm；含EWR200-100玻璃纖維的預(yù)浸料，厚度為0.2 mm。試驗(yàn)設(shè)備為北京科技大學(xué)電子材料分析測(cè)試中心單拉試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)件共9件，編號(hào)分別為0-1,0-2,0-3,45-1,45-2,45-3,90-1,90-2,90-3。在試件的標(biāo)號(hào)中，橫線之前的數(shù)字0,45,90表示拉伸方向和金屬軋制方向的夾角；橫線之后的數(shù)字1,2,3分別表示金屬試件、含有半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板、固化之后的glare板，具體情況見表1。

表1 成形基礎(chǔ)試驗(yàn)試件Tab.1 Specimen of forming foundation test

glare板采用2+1層疊方式，也就是2層金屬板加1層玻璃纖維預(yù)浸料。同一個(gè)試件中的2層金屬板其軋制方向是相同的，glare板試件中玻璃纖維和拉伸方向的夾角是 0°和 90°。依據(jù) GB/T 228—2002對(duì)2024-T3態(tài)鋁板進(jìn)行等離子束線切割加工，加工成0-1,45-1,90-1單拉試樣；依據(jù)HB 7616—1998對(duì)2024-T3態(tài)鋁板進(jìn)行等離子束線切割加工，加工成 0-2,45-2,90-2,0-3,45-3,90-3單拉試樣，試樣寬度都為12.34 mm，并按照廠家提供的固化工藝參數(shù)對(duì) 0-3,45-3,90-3等3種試件進(jìn)行固化。試樣示意見圖1，上下分別為GB/T 228—2002和HB 7616—1998試樣圖，拉伸速度為5 mm/min。

圖1 材料性能試驗(yàn)試樣Fig.1 Specimen of material performance test

2 結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由于試件數(shù)目較多且同類型的試件具有相似性，所以以0-1,0-2,0-3等3個(gè)試件為例分析其變形過程，3者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2—4所示。

圖2 0-1試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of 0-1 specimen

圖3 0-2試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of 0-2 specimen

圖4 0-3試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of 0-3 specimen

0-2試件的應(yīng)力隨應(yīng)變變化的變化過程見圖3。首先應(yīng)力快速增大，隨后增速變慢，之后達(dá)到最大值，然后略微下降并保持平穩(wěn)，最后迅速下降。這可能由于金屬和玻璃纖維預(yù)浸料都處于彈性階段，因此剛開始應(yīng)力快速增大；之后金屬進(jìn)入了屈服階段，而預(yù)浸料仍然在彈性階段，因此應(yīng)力增速下降；再之后達(dá)到應(yīng)力最大值并下降，但是0-2試件纖維預(yù)浸料并未發(fā)生斷裂，見下圖5。這可能是以下原因造成的；① 預(yù)浸料中的樹脂起到一定的潤(rùn)滑作用，應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)玻璃纖維預(yù)浸料相對(duì)金屬開始滑動(dòng)，金屬和纖維的摩擦力相對(duì)不變，金屬單獨(dú)變形，直到達(dá)到其抗拉極限，此時(shí)層板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大；② 由于半固化的纖維預(yù)浸料中的樹脂可以變形，使得拉伸方向纖維從松弛狀態(tài)到拉直進(jìn)入彈性階段之間有一定的變形空間，而固化之后預(yù)浸料中樹脂不能變形，纖維被樹脂固定了位置，從而失去了半固化纖維的變形空間，所以含有半固化預(yù)浸料的層板有更高的斷裂伸長(zhǎng)率。

圖5 0-2試件預(yù)浸料Fig.5 Prepreg of 0-2 specimen

0-3試件的應(yīng)力隨應(yīng)變變化的變化過程見圖4。剛開始應(yīng)力快速增大，這是由于金屬和玻璃纖維預(yù)浸料都處于彈性階段；然后應(yīng)力增速變慢，這是由于金屬進(jìn)入了屈服階段；隨后由于固化之后金屬和玻璃纖維的粘結(jié)強(qiáng)度大大提高，所以玻璃纖維預(yù)浸料相對(duì)金屬不會(huì)滑動(dòng)，而是單純拉伸，直到玻璃纖維達(dá)到抗拉極限，此時(shí)層板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大；之后玻璃纖維斷裂，應(yīng)力劇烈下降。

綜上所述可以得出：含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板在單拉過程中主要的失效形式是金屬斷裂；固化之后的glare板在單拉過程中主要的失效形式是玻璃纖維斷裂。

2.2 伸長(zhǎng)率

伸長(zhǎng)率是判斷材料塑性好壞的直接性能指標(biāo)。伸長(zhǎng)率越大，允許的塑性變形程度越大。各個(gè)試件的斷后伸長(zhǎng)率見圖6，由于固化之后的 glare板的斷后伸長(zhǎng)率難以測(cè)量，因此以應(yīng)力最大處的應(yīng)變除以原始標(biāo)距（50 mm）作為斷后伸長(zhǎng)率。

圖6 試件斷后伸長(zhǎng)率Fig.6 Elongation of specimen after fracture

觀察對(duì)比圖6可知，就同金屬軋制角度的試件而言，含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare試件伸長(zhǎng)率和金屬的斷后伸長(zhǎng)率基本相同；固化的glare試件斷后伸長(zhǎng)率則遠(yuǎn)小于金屬的斷后伸長(zhǎng)率；就不同金屬軋制角度的試件而言，含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的 glare板的斷后伸長(zhǎng)率和同等軋制方向的金屬的斷后伸長(zhǎng)率基本相同，而固化之后的glare板其斷后伸長(zhǎng)率和金屬軋制方向關(guān)系不大，主要由玻璃纖維本身的斷后伸長(zhǎng)率決定。

綜上得出，由于含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板斷后伸長(zhǎng)率和金屬類似，因此其具有和金屬相近的塑性；未固化的glare板斷后伸長(zhǎng)率過小，塑性較差。

3 結(jié)論

1）含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板主要失效形式為金屬板斷裂，固化之后的glare板的主要失效形式為玻璃纖維斷裂。

2）含半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板有著和金屬相近的斷后伸長(zhǎng)率，有較好的塑性；固化之后的glare板的斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于金屬的斷后伸長(zhǎng)率，塑性較差。

3）通過使用傳統(tǒng)的模具來充液成形/普通拉深成形含有半固化玻璃纖維預(yù)浸料的glare板，成形后再固化的方法來制造小型大曲率glare板零件是有可能的。