楊婷慧，張新平，顧春飛,羅秀芳，郁偉恒，廖益?zhèn)?/p>

熱軋制鎂基疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能

楊婷慧，張新平，顧春飛,羅秀芳，郁偉恒，廖益?zhèn)?/p>

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

采用熱軋制備7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)300 MPa。基于經(jīng)典疊層板理論計(jì)算該材料的首層失效強(qiáng)度，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明經(jīng)典疊層板理論可用于預(yù)測(cè)軋制制備的疊層復(fù)合材料首層失效強(qiáng)度。結(jié)果表明：隨著鋁合金厚度的增加，鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲剛度、壓縮強(qiáng)度和彎曲比強(qiáng)度增加，彎曲比剛度和拉伸比強(qiáng)度先增加后降低，且 7075Al/MGY/7075Al、7075Al/AZ31/7075Al和3003Al/ MGY/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度增加，但3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小。

軋制復(fù)合；鎂基疊層復(fù)合材料；力學(xué)性能

鎂合金耐腐蝕性差是限制其廣泛應(yīng)用的原因之一[1?3]，若在鎂合金表面覆蓋一層耐腐蝕性好的鋁合金形成疊層復(fù)合材料，則在保護(hù)鎂合金的同時(shí)又能發(fā)揮鎂合金比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已有鎂基疊層復(fù)合材料研究出來(lái)，如 Al/Mg-Li[4]、AZ31B/Al6061[5]、Mg/Cu與Mg/Pd[6]和Mg-Ni-Mg2Ni[7]等疊層復(fù)合材料。軋制作為一種高效的復(fù)合方法也大量地應(yīng)用在疊層復(fù)合材料制備中[6,8]。

疊層復(fù)合材料各組元層保持相對(duì)的獨(dú)立性，通過(guò)科學(xué)的選擇材料組元，合理設(shè)計(jì)復(fù)層結(jié)構(gòu)，可滿(mǎn)足各種需求[9?15]。金屬疊層狀復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是可進(jìn)行材料設(shè)計(jì)以獲得所需的性能。關(guān)于鎂基疊層復(fù)合材料的現(xiàn)有研究主要集中在制備與性能表征方面[4?7]，有關(guān)該材料的性能設(shè)計(jì)尚未見(jiàn)到報(bào)道。本文作者擬采用經(jīng)典疊層復(fù)合材料理論研究幾種軋制復(fù)合鎂基疊層復(fù)合材料室溫下準(zhǔn)靜態(tài)剛度和強(qiáng)度，并實(shí)際制備鎂基疊層復(fù)合材料，測(cè)量其強(qiáng)度，驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果。本研究工作對(duì)于鎂基疊層復(fù)合材料研制與設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 鎂基疊層復(fù)合材料剛度的理論計(jì)算

鎂基疊層復(fù)合材料為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且Al合金、Mg合金可認(rèn)為為各向同性，如圖1所示，t1和t2分別是鋁合金與鎂合金單層板的厚度。根據(jù)經(jīng)典疊層復(fù)合材料理論，對(duì)于各向同性材料，剛度表達(dá)為[8?9]

圖1 Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料示意圖Fig.1 Schematic diagram of Al/Mg/Al laminate composite

式中：zk從第1層到第k層的總厚度；n為板的總層數(shù)；Qij是剛度矩陣系數(shù)，Q11=E/(1?ν2)，Q12=νE/(1?ν2)，Q66=G=E/2(1+ν)；E為彈性模量；G為剪接模量；ν為泊松比；Aij是面向內(nèi)力與中面應(yīng)變有關(guān)的剛度系數(shù)，統(tǒng)稱(chēng)為拉伸剛度；Dij是內(nèi)力矩與曲率及扭曲率有關(guān)的剛度系數(shù)，統(tǒng)稱(chēng)為彎曲剛度；Bij表示彎曲和拉伸間的耦合關(guān)系，統(tǒng)稱(chēng)耦合剛度。因本研究均基于平面應(yīng)力假設(shè)，所以Bij耦合剛度為0。

1.2 鎂基疊層復(fù)合材料強(qiáng)度的計(jì)算方法

實(shí)測(cè)結(jié)果表明該材料在拉伸過(guò)程中發(fā)生鋁合金板或者鎂合金板斷裂后承載能力急劇下降的情況，如圖2所示。因此，本研究只計(jì)算首層失效強(qiáng)度(First layer failure strength)[8]。

圖2 鎂基疊層復(fù)合材料的典型拉伸曲線(xiàn)Fig.2 Typical tensile curve of Mg-based laminate composite

具體計(jì)算過(guò)程為[8?9]

1) 由原始數(shù)據(jù)計(jì)算Qij和Aij

由 A′=A?1/|A|得：

2) 求 εx0、ε0和γ0yxy

3) 求各層應(yīng)力

4) 采用最大應(yīng)力法求拉伸強(qiáng)度

同樣也可以求出剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，才能以較小的截面滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，同時(shí)大幅度減輕結(jié)構(gòu)體本身的質(zhì)量。因此，本研究中主要考察材料的比強(qiáng)度和比剛度。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料與過(guò)程

熱軋方式軋制復(fù)合 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，預(yù)熱溫度為400~500 ℃，單道次軋制，壓下率為50%。在復(fù)合軋制過(guò)程中由于鎂和鋁層變形的不均勻性，不同區(qū)域的各板材厚度比不一致，因此，在拉伸實(shí)驗(yàn)前測(cè)量試樣各層厚度，并計(jì)算單層鋁合金的相對(duì)厚度。這也是只有一個(gè)壓下率卻有多個(gè)單層鋁合金相對(duì)厚度的原因。室溫拉伸性能采用三思萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試，應(yīng)變速率為 5×10?3s?1。AZ31鎂合金與3003Al合金的密度ρ，縱向拉伸強(qiáng)度Rm，縱向壓縮強(qiáng)度Rbc和剪切強(qiáng)度Rb如表1所列。其中7075鋁合金與Mg12Gd3Y0.5Zr鎂合金(MGY)的 Rm、Rbc和 Τb為實(shí)測(cè)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度驗(yàn)證

7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)拉伸強(qiáng)度達(dá)到了300 MPa，最高達(dá)370 MPa，高于常見(jiàn)的鎂合金。隨著單層鋁合金板厚度的增加，拉伸強(qiáng)度增加。

該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示，最大誤差為19%，總體上接近理論值，說(shuō)明采用經(jīng)典疊層板理論可計(jì)算軋制復(fù)合制備的鋁/鎂/鋁疊層復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度。

誤差原因分析如下：

1) 基板的質(zhì)量

在經(jīng)典疊層板理論中假設(shè)疊層板各單層之間粘結(jié)良好，可作為一整體結(jié)構(gòu)板，且粘結(jié)層很薄，各單層板之間變形連續(xù)。這在軋制制備的疊層復(fù)合材料中難以完全保證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一塊疊層復(fù)合材料不同部位時(shí)結(jié)合強(qiáng)度差異較大。

2) 層間應(yīng)力

計(jì)算時(shí)假設(shè)疊層復(fù)合材料各單層之間粘結(jié)良好，但實(shí)際疊層復(fù)合材料中存在著層間應(yīng)力，層間應(yīng)力是引起脫層失效的一種形式，所以也影響著拉伸強(qiáng)度，最終影響計(jì)算精度。

3) 基板的不均勻性

經(jīng)典疊層板理論中假設(shè)整個(gè)疊層板等厚度，但軋制制備的疊層復(fù)合材料合金板各處厚度不一致。

2.2 鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸剛度

各疊層復(fù)合材料的拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖4(a)所示，這里只給出了A11結(jié)果，其它方向的與這類(lèi)似。由圖 4(a)可看出，在相同厚度分布下，7075Al增強(qiáng)的疊層復(fù)合材料拉伸剛度相同，且隨鋁合金厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸剛度逐漸增加。3003Al增強(qiáng)的疊層復(fù)合材料拉伸剛度也有相同的規(guī)律，但各疊層復(fù)合材料的拉伸剛度均高于相應(yīng)的鎂合金的。

疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖4(b)所示。由圖4(b)可看出，隨鋁合金厚度的增加，3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小，其它3種疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度則逐漸增加。

2.3 鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度

疊層復(fù)合材料的彎曲剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖 5(a)所示，這里只給出了 D11的結(jié)果，其它方向的與這類(lèi)似。在相同厚度分布下，7075Al增強(qiáng)的鎂基層復(fù)合材料彎曲剛度相同，且隨著鋁合金厚度的增加，彎曲剛度逐漸增加。3003Al增強(qiáng)的鎂基層復(fù)合材料彎曲剛度也有相同的規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)用的鋁合金和鎂合金的性能Table 1 Properties of Al and Mg alloys

圖3 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.3 Comparison of calculated tensile strength with experimental results of 7075Al/MGY/7075Al laminate composite

圖4 鎂基疊層復(fù)合材料拉伸剛度、拉伸比剛度隨單層鋁合金板厚度變化Fig.4 Variations of tension rigidity (a) and special tension rigidity (b) of Al/Mg/Al laminate composites with relative thickness of Al single plate

各疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化如圖5(b)所示。由圖5(b)可看出，隨鋁合金板厚度的增加，彎曲比剛度先增加后降低。MGY基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度在鎂合金厚度約占總厚度的1/2時(shí)達(dá)到最大值，而AZ31基疊層復(fù)合材料在鎂合金厚度約占總厚度40%時(shí)達(dá)到最大值。這一結(jié)果對(duì)于某些需要更高彎曲比剛度具有指導(dǎo)性意義。

圖5 鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲剛度、彎曲比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化Fig.5 Variations of bending rigidity (a) and special bending rigidity (b) of Al/Mg/Al laminate composites with relative thickness of Al single plate

2.4 疊層復(fù)合材料的強(qiáng)度

疊層復(fù)合材料的壓縮、拉伸、彎曲比強(qiáng)度隨單層鋁合金板厚度的變化如圖6所示。由圖6可看出，隨鋁合金板厚度的增加，疊層復(fù)合材料的壓縮、彎曲比強(qiáng)度增加，且基本上是線(xiàn)性增加；拉伸比強(qiáng)度則先增加后減少。7075Al增強(qiáng)的鎂基層復(fù)合材料拉伸比強(qiáng)度在鎂合金厚度約占總厚度的 1/2時(shí)達(dá)到最大值，而3003Al增強(qiáng)的鎂基層復(fù)合材料拉伸比強(qiáng)度則在鎂合金厚度約占總厚度的40%時(shí)達(dá)到最大值。

圖6 鎂基疊層復(fù)合材料的壓縮、拉伸、彎曲比強(qiáng)度隨單層鋁合金板厚度的變化Fig.6 Variations of special compressive strength (a), special tensile strength (b) and special bending strength (c) of Al/Mg/Al laminate with relative thickness of Al single plate

在上述疊層復(fù)合材料中，7075Al/ MGY /7075Al疊層復(fù)合材料的壓縮比強(qiáng)度均高于其它3種疊層復(fù)合材料。這主要是因?yàn)镸g12Gd3Y0.5Zr的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于AZ31的。這說(shuō)明如果需要疊層復(fù)合材料有較高的壓縮比強(qiáng)度，則需要選擇高壓縮比強(qiáng)度的合金復(fù)合。同樣地，7075Al增強(qiáng)的鎂基層復(fù)合材料的拉伸比強(qiáng)度和彎曲比強(qiáng)度高于3003Al增強(qiáng)鎂基層復(fù)合材料的。

疊層材料的整體性能取決于各層板材的性能和各層板厚的分布。以疊層復(fù)合材料的拉伸剛度A11為例，由式(2)可知，當(dāng)單層鋁合金板占總厚度百分比為x時(shí)，A11可表示為

對(duì)x求導(dǎo)，則

對(duì)于給定的體系，式(8)右邊是個(gè)固定的常數(shù)?？梢?jiàn)，拉伸剛度隨單層鋁合金板相對(duì)厚度的變化具有單調(diào)性。從圖 4(a)也可以看出，隨單層鋁合金板厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸剛度也單調(diào)增加。另外，當(dāng)式(8)右邊大于0時(shí)，則拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的增加而增加。采用表1中的數(shù)據(jù)，式(8)的右邊均為正數(shù)，因此拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的增加而增加。采用同樣的方法，可以分析出其它比剛度和比強(qiáng)度等性能參數(shù)隨單層鋁合金板相對(duì)厚度的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

1) 采用熱軋制備了 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到300 MPa以上，最高達(dá)370 MPa，高于常見(jiàn)鎂合金的。

2) 采用經(jīng)典疊層板理論計(jì)算了軋制制備的7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，最大誤差為20%，表明采用經(jīng)典疊層板理論可以預(yù)測(cè)軋制制備的鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

3) 隨著鋁合金厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸和彎曲剛度逐漸增加，且拉伸剛度均高于相應(yīng)鎂合金的。隨著鋁合金厚度的增加，3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小，其它3種疊層復(fù)合材料的則逐漸增加，但上述4種鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度均先增加后降低。MGY系疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度在鎂合金厚度約占1/2時(shí)達(dá)到最大值，而AZ31系疊層復(fù)合材料的則在鎂合金厚度約占40%時(shí)達(dá)到最大值。

4) 隨著鋁合金板厚度的增加，鎂基疊層復(fù)合材料的壓縮和彎曲比強(qiáng)度增加，而拉伸比強(qiáng)度則先增加后減小。

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Mechanical properties of magnesium-based laminates composites produced by hot rolling

YANG Ting-hui, ZHANG Xin-ping, GU Chun-fei, LUO Xiu-fang, YU Wei-heng, LIAO Yi-zhuan
(School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The tensile and bending properties of an 7075Al/MGY/7075Al tri-metallic laminates fabricated by hot rolling were investigated at quasi-static strain rates. The first layer failure strength of the laminates is larger than 300 MPa. Based on the classical laminate theory, the mechanical properties of the laminate were calculated. The prediction results of first layer failure strength agree with the experimental results, indicating that the first layer failure strength of the tri-metallic laminate can be the predicted by the classical laminate theory with the maximum stress criterion. The tensile modulus,bending rigidity, bending strength and specific compressive strength of 7075Al/MGY/7075Al, 7075Al/AZ31/7075Al,3003Al/MGY/3003Al and 3003Al/AZ31/3003Al laminates increase with the increase of relative thickness of Al alloy layer. The specific bending rigidities of 7075Al/MGY/7075Al, 7075Al/AZ31/7075Al and 3003Al/MGY/3003Al laminates increase with the increase of relative thickness of Al alloy layer while that of 3003Al/ AZ31/3003Al laminate decreases with the increase of relative thickness of Al alloy layer.

rolling cladding; magnesium-based laminate composite; mechanical properties

TG335.81；TG115.21

A

1004-0609(2010)10-1889-06

南京理工大學(xué)紫金之星計(jì)劃資助項(xiàng)目；中國(guó)空間技術(shù)研究院CAST基金資助項(xiàng)目(CAST200742)

2009-09-01；

2010-05-12

張新平，博士，副教授；電話(huà)：025-84303983；E-mail：zxp_0517@163.com

(編輯 李艷紅)