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        不同層厚比的銅/鋁層狀復(fù)合板剪切特性研究

        2021-05-13 11:43:38路家斌閻秋生郭曉輝
        輕合金加工技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:鋁層銅層復(fù)合板

        路家斌,徐 超,閻秋生,郭曉輝

        (廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        銅/鋁復(fù)合材料不但具有銅的高導(dǎo)電率、好導(dǎo)熱性及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也具備鋁的質(zhì)輕、耐磨、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),在冶金、機(jī)械、汽車、電子、電力、電器及生活用品等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中金屬復(fù)合板材需要通過剪切加工剪切成特定的長度和形狀,銅/鋁復(fù)合板剪切后的斷面質(zhì)量對(duì)材料的導(dǎo)電性及力學(xué)性能有著很大的影響,這就需要嚴(yán)格控制其剪切斷面質(zhì)量。

        研究表明,復(fù)合板材的層厚比對(duì)板材組織及力學(xué)性能有著較大的影響[4-5],力學(xué)性能的改變又直接影響了其剪切性能及斷面質(zhì)量。黃宏軍等[6]在銅/鋁/銅復(fù)合板的模擬計(jì)算中發(fā)現(xiàn)復(fù)合板的導(dǎo)電性隨著銅層厚度的增加而提高。柴炎福等[7]研究了層厚比對(duì)鎂/鋁復(fù)合材料彎曲成型性能的影響,結(jié)果表明鎂/鋁復(fù)合板材整體的拉壓不對(duì)稱性能隨著鋁含量的增加而呈下降趨勢。吳偉剛等[8]對(duì)不同層厚比的TA1/X80復(fù)合板進(jìn)行了彎曲和拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著TA1、X80層厚比增加,復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、韌性、正彎強(qiáng)度、正彎撓度均呈線性降低趨勢,背彎強(qiáng)度和背彎撓度線性增大。許多研究表明,層狀復(fù)合板剪切后的斷面形貌與單層板存在較大差異,復(fù)合板材的剪切斷面在各層都會(huì)形成塌角[9-11],對(duì)于界面層結(jié)合強(qiáng)度較弱的板材,甚至?xí)l(fā)生分層現(xiàn)象[12]。在剪切過程中,不同組分的應(yīng)力狀態(tài)不同,形成的斷面特征帶也不相同。高東亮[12]等采用斜刃橫剪實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了雙層銅/鋁復(fù)合板的正、反剪切的斷面形貌,發(fā)現(xiàn)銅層在上時(shí)銅層只有剪切帶產(chǎn)生,而銅層在下時(shí)銅層有剪切帶和斷裂帶產(chǎn)生,這說明復(fù)合板材的各層材料性能差異會(huì)直接影響剪切斷面。

        為研究不同層厚比的復(fù)合板材的剪切斷面特征,本文作者進(jìn)行了三種層厚比的銅/鋁雙層復(fù)合板的斜刃橫剪實(shí)驗(yàn),考察了不同層厚比下復(fù)合板材剪切斷面形貌、加工硬化及剪切力的變化規(guī)律,為進(jìn)一步認(rèn)知復(fù)合板材加工機(jī)制提供了依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)方法

        1.1 斜刃橫剪加工原理

        圖1 斜刃橫剪加工原理Fig.1 Machining principle of oblique cutting

        1.2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

        實(shí)驗(yàn)所用材料為板厚1 mm、寬度60 mm的銅/鋁雙層復(fù)合板材,銅/鋁層厚比分別為1∶9、2∶8、3∶7。其中銅的牌號(hào)為T2,鋁的牌號(hào)為1060,其力學(xué)性能如表1所示。

        表1 T2紫銅板和1060鋁板力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of T2 copper and 1060 aluminum plates

        復(fù)合板材的剪切加工裝置為KYDJ-400型單頭精密數(shù)控剪床(如圖2所示)。剪切加工時(shí),設(shè)定剪切間隙為0.04 mm,剪切速度為28 mm/s。為研究不同層厚比下剪切力的變化規(guī)律,利用Kistler 5073A三向力測試儀測量剪切過程中的三個(gè)方向的力(如圖2所示),其中Fx是平行刀具方向的力,F(xiàn)y是垂直于刀具側(cè)面的正壓力,F(xiàn)z是垂直于板材面的剪切力。

        圖2 剪切加工測力裝置Fig.2 Force gauge of shearing machine

        剪切后的試樣斷面特征采用SEM及Keyence VHX600超景深顯微鏡觀察和測量。為觀察剪切試樣截面,利用線切割沿垂直剪切斷面方向切取截面,尺寸為12 mm×8 mm,鑲樣、打磨、拋光至鏡面狀態(tài),采用VHX600超景深顯微鏡觀察截面形貌和特征。各特征帶高度通過檢測試樣的斷面和截面形貌綜合確定。為分析剪切加工硬化狀況,利用HVS-1000Z型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計(jì)在試樣截面上沿剪切方向依次測量硬度,測試點(diǎn)間距為50 μm, 如圖3所示,加載載荷為10 g力,保荷時(shí)間為10 s, 測量結(jié)果均取5次測量的平均值。

        圖3 硬度檢測點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardness test points

        2 剪切斷面形貌特征

        2.1 斷面特征分析

        圖4為超景深顯微鏡下觀測的不同層厚比的銅/鋁復(fù)合板材剪切斷面及截面圖。從整體看,復(fù)合板材的上下兩層都產(chǎn)生了塌角,斷面較為平整、垂直,隨著層厚比增大,上下兩側(cè)的塌角高度均增加,剪切斷面平整性變好,剪切帶與斷裂帶所在平面之間的剪切夾角逐漸減小,毛刺逐漸增大。由圖4的斷面形貌圖可看出,不同的層厚比時(shí),銅/鋁復(fù)合板剪切斷面形貌有較大差異。層厚比為1∶9時(shí),銅層只有剪切帶,而在層厚比為2∶8和3∶7時(shí),銅層中出現(xiàn)了明顯的斷裂帶。而且,隨著層厚比增大,銅層的剪切帶和斷裂帶的高度都在增加,斷裂帶與剪切帶交線越趨明顯。對(duì)于鋁層,隨著層厚比增大,剪切帶高度在增加,斷裂帶高度在減小,剪切帶與斷裂帶交線逐漸變得不明顯,整個(gè)斷面逐漸變得光滑、平直。

        圖4 不同層厚比的銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面形貌Fig.4 Section topography of different layer-thickness ratios

        一般認(rèn)為剪切斷面剪切帶高度越大,塌角、斷裂帶、毛刺高度越小,則斷面質(zhì)量越好。為了評(píng)估不同層厚比的斷面質(zhì)量,統(tǒng)計(jì)了不同層厚比銅/鋁復(fù)合板材的剪切斷面各特征帶高度,如圖5所示。

        圖5 剪切斷面特征帶高度變化圖Fig.5 Height variation diagram of shear section characteristic zone

        由圖5可知,隨著層厚比的增加,銅層、鋁層塌角相對(duì)高度變化趨勢幾乎一致,即呈緩慢的增大趨勢,分別由層厚比1∶9時(shí)的11.93%、12.96%增加到層厚比3∶7時(shí)的16.05%、15.11%,銅層塌角相對(duì)高度的增加量略高于鋁層。銅層和鋁層的剪切帶相對(duì)高度也幾乎為線性增加,當(dāng)層厚比由1∶9增大到3∶7時(shí),銅層由9.3%增大到21.8%,鋁層由35%增加到47.2%。復(fù)合層的斷裂帶變化較為特別,銅層斷裂帶增加趨勢較為緩慢,由0%增大到4.5%,而鋁層斷裂帶幾乎呈線性減小趨勢,由39.6%迅速減小到9%。鋁層毛刺高度增大趨勢較緩慢,由0%增大到2.4%。綜合比較而言,在剪切間隙為0.04 mm、剪切速度為28 mm/s的條件下,銅/鋁層厚比為3∶7時(shí)板材整體的剪切帶高度最大,斷裂帶高度最小,此時(shí)板材斷面質(zhì)量最好。

        2.2 斷面微觀形貌分析

        為了進(jìn)一步分析斷面的各個(gè)特征帶,利用掃描電鏡觀察各特征帶的微觀形貌,結(jié)果如圖6所示。其中圖6a1-c1分別為不同層厚比的整體斷面圖;圖6a2-c2、a3-c3、a4-c4、a5-c5分別為銅層剪切帶、銅/鋁界面、鋁層剪切帶、鋁層斷裂帶的局部放大圖。

        圖6 不同層厚比的銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面微觀形貌Fig.6 Microstructure of shear section of Cu/Al composites with different layer-thickness ratios

        從圖6a2-c2中可以看出,隨著層厚比的增加,銅層剪切帶表面變得越粗糙。層厚比為1∶9的銅層剪切帶表面縱向切削痕跡淺且少,層厚比為2∶8和3∶7的剪切帶表面切削痕跡深且多,特別是層厚比為3∶7的板材剪切帶表面較為粗糙,出現(xiàn)了較為明顯的階梯狀形貌。

        Analysis on energy-saving transformation of air-conditioning system in a hotel in Qingdao

        圖6a3-c3顯示不同層厚比的板材界面層均發(fā)生了不同程度的破損,破碎材料黏附在靠近界面層的鋁層一側(cè)。在層厚比3∶7時(shí),界面層破損最為嚴(yán)重,靠近界面層鋁層一側(cè)出現(xiàn)了大量較深的橫向裂紋。

        圖6a4-c4表明,與銅層剪切帶相比,鋁層剪切帶表面較為粗糙,縱向劃痕較為明顯,在層厚比較大時(shí)出現(xiàn)了非常明顯的橫向微裂紋,層厚比越大,橫向微裂紋越長和越深。整體而言,銅層占比越小,鋁層剪切帶表面更光滑,縱向劃痕和橫向裂紋均較淺。而層厚比為2∶8和3∶7的表面出現(xiàn)的劃痕和裂紋均較深較長,表面凹凸不平。

        對(duì)比不同層厚比的鋁層斷裂帶放大圖(圖6a5-c5)可以看出,斷裂帶由大量大小不一的韌窩組成,大韌窩內(nèi)密集分布著大量小的卵形韌窩。層厚比為1∶9和2∶8復(fù)合材板材的鋁層斷裂帶由密集而細(xì)小的剪切韌窩和等軸韌窩構(gòu)成,而層厚比為3∶7復(fù)合材板材的鋁層斷裂帶由稀疏的剪切韌窩構(gòu)成。

        3 剪切斷面的加工硬化

        為研究剪切過程中各層材料的加工硬化情況,采用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)復(fù)合板材端口處的硬度進(jìn)行測量,在Origin數(shù)據(jù)分析軟件中生成截面硬度云圖進(jìn)行分析,由于銅、鋁硬度值不相同,這里采用相對(duì)硬度值來處理數(shù)據(jù),結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,對(duì)于不同層厚比的復(fù)合板材,其硬度變化云圖有著較大的差異。當(dāng)銅層占比為1∶9時(shí),沿剪切方向,材料邊緣加工硬化值出現(xiàn)一個(gè)波峰。而當(dāng)銅層占比為2∶8和3∶7時(shí),材料邊緣加工硬化的值卻出現(xiàn)了兩個(gè)波峰。對(duì)比可知,隨著銅層占比的增加,材料的加工硬化程度及范圍都在增加,且最大硬度的位置逐漸下移,這與復(fù)合板材剪切斷面形貌特征相一致。

        圖7 不同層厚比銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面加工硬化云圖Fig.7 Work hardening clouds of shear section of Cu/Al composites with different layer-thickness ratios

        為了進(jìn)一步分析不同層厚比下的加工硬化情況,提取截面邊緣沿剪切方向上的硬化值,如圖8所示。由圖8可知,對(duì)于鋁層,不同層厚比的沿剪切方向的硬度變化趨勢與單層板的情況一致,均呈先增大后減小趨勢,且最大硬度值出現(xiàn)在剪切帶與斷裂帶的交界處[13-14],在層厚比為1∶9時(shí)鋁層的最大硬度值為35.3 HV,增大了35.8%;層厚比為2∶8時(shí)最大硬度值為37.1 HV,增大了42.7%;在層厚比為3∶7時(shí)最大硬度值為38.7 HV,增大了48.8%。

        而銅層的變化趨勢卻不相同,當(dāng)層厚比為1∶9時(shí),沿剪切方向的銅層最大硬度值為63.2 HV,增大了26.4%;層厚比為2∶8時(shí),最大硬度值呈遞增的趨勢,最大硬度值為80.1 HV,增大了60.2%;當(dāng)層厚比為3∶7時(shí),最大硬度值沿剪切方向呈先增大后減小的趨勢,最大硬度值為85.3 HV,增大了70.6%。

        以上說明,隨著層厚比的增大,銅層和鋁層的最大硬度值都逐漸增大,即加工硬化越趨嚴(yán)重。

        4 剪切力變化

        為了研究不同層厚比復(fù)合板材剪切力的變化趨勢,利用Kistler 5073A三向力測試儀對(duì)剪切過程中的剪切力進(jìn)行了測量,其中Y方向力(板材側(cè)面正壓力)及Z方向力(板材所受的剪切力)的變化如圖9所示。

        圖8 剪切邊緣硬度變化Fig.8 Hardness change of shear edge

        由圖9可知,隨著銅/鋁層厚比的增大,Y、Z方向剪切力都呈增大趨勢,但垂直于板材表面的剪切力Fz要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刀具的側(cè)向壓力Fy。層厚比由1∶9增加到2∶8,F(xiàn)z由2 343 N增加到2 446 N,增加了4.4%,F(xiàn)y由595 N增加到638 N,增加7.2%;而層厚比增加到3∶7,F(xiàn)z增加到2 605 N,F(xiàn)y增加到686 N,相對(duì)于層厚比2∶8,F(xiàn)z和Fy分別增加了6.5%和7.5%。由此可知,隨著層厚比的逐漸增加,Z方向剪切力增加幅度變大,而Y方向剪切力幾乎呈線性增加。

        圖9 銅/鋁復(fù)合板材剪切力Fig.9 Shear force of Cu/Al composite plates

        5 分析和討論

        文獻(xiàn)[15]的研究表明,剪切板材的塑性越好,則剪切時(shí)裂紋出現(xiàn)得越晚,剪切帶高度越大,剪切帶所占比例越大,塌角和毛刺也越大,斷裂帶越小。由于本課題中的T2紫銅的塑性及抗拉強(qiáng)度都大于1060鋁的,在界面層結(jié)合強(qiáng)度較好時(shí),隨著銅層占比的增加,復(fù)合板材的塑性及抗拉強(qiáng)度都在增大,因此復(fù)合板材的塌角、剪切帶及毛刺在增加,斷裂帶在減小。

        對(duì)于層厚比為1∶9的復(fù)合板材,塑性和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小,剪切時(shí)裂紋出現(xiàn)的較早,在還未達(dá)到銅層的抗拉強(qiáng)度之前就已經(jīng)發(fā)生了斷裂,因此銅層只有剪切帶。而對(duì)于層厚比為2∶8、3∶7的復(fù)合板材,整體塑性和抗拉強(qiáng)度較大,在剪切過程在發(fā)生塑性剪切的程度較大,裂紋出現(xiàn)的較晚,銅層所受應(yīng)力超過了銅的抗拉強(qiáng)度,因此銅層在剪切的過程中出現(xiàn)了裂紋,最后裂紋匯合產(chǎn)生了斷裂帶。對(duì)比圖6可知,隨著層厚比的增加,銅層剪切帶和鋁層剪切帶的表面越粗糙不平,結(jié)合圖9可知,層厚比越大,所受剪切力越大,在剪切過程中刀具側(cè)面對(duì)復(fù)合板材的擠壓更加明顯,而銅、鋁都是比較軟的金屬材料,其表面易產(chǎn)生刮痕,因此層厚比較大時(shí),銅層、鋁層剪切帶表面更粗糙。

        此外,由圖6a3-c3可知,隨著層厚比的增加,復(fù)合板材界面剪切破損更加嚴(yán)重,剪切時(shí)刀具表面會(huì)黏附更多的層間化合物,在剪切過程中對(duì)鋁層表面的刮擦程度更大,因此鋁層剪切帶表面會(huì)產(chǎn)生較多的微裂紋。

        由圖6a5-c5知,層厚比不同,復(fù)合板材的剪切斷裂模式也有所差別。層厚比為1∶9、2∶8時(shí),板材斷裂帶上的韌窩為剪切韌窩和等軸韌窩的混合型韌窩,說明此時(shí)復(fù)合板材的斷裂模式為剪切斷裂及微孔聚集型斷裂的混合型斷裂模式;而層厚比為3∶7時(shí),復(fù)合板材斷裂帶上的韌窩為剪切韌窩,此時(shí)板材的斷裂模式為剪切斷裂模式。

        金屬板材受到外力作用時(shí),金屬內(nèi)部晶粒會(huì)發(fā)生位錯(cuò)滑移變形,當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)位錯(cuò)相互纏結(jié)、交錯(cuò),從而造成板材的強(qiáng)度和硬度的提高,形成加工硬化[16]。銅/鋁復(fù)合板各層材料的物理性能不同,在剪切加工過程中晶粒變形程度不同,加工硬化程度也會(huì)不同。層厚比為1∶9時(shí),鋁層塌角相對(duì)高度要大于銅層的(見圖5),說明此時(shí)鋁層的變形程度要大于銅層的,因此鋁層沿剪切邊緣的最大硬度值的增加程度要大于銅層的(見圖8)。在層厚比為2∶8、3∶7時(shí),鋁層塌角相對(duì)高度要小于銅層的(圖5),此時(shí)鋁層的變形程度要小于銅層的,因此鋁層沿剪切邊緣的最大硬度值的增加程度要小于銅層的(圖8)。

        另外,隨著銅層占比的增加,復(fù)合板材整體的變形程度增加,銅、鋁各層沿剪切邊緣的最大硬度也逐漸增加。在剪切過程中,材料受到外力作用時(shí),發(fā)生彈塑性變形直至裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至斷裂,裂紋開始產(chǎn)生即說明剪切帶特征的終結(jié)、斷裂帶特征的開始。在剪切過程中,裂紋產(chǎn)生之前的晶粒一直在發(fā)生位錯(cuò)滑移變形,在裂紋產(chǎn)生時(shí)位錯(cuò)滑移量達(dá)到最大,因此裂紋產(chǎn)生時(shí)加工硬化程度最大,即加工硬化最大值發(fā)生在剪切帶與斷裂帶的交界處。層厚比為1∶9時(shí),由于只有鋁層有斷裂帶,因此其硬度云圖只有一個(gè)波峰出現(xiàn),波峰位置為鋁層剪切帶和斷裂帶的交匯處;而層厚比為2∶8、3∶7時(shí),銅層和鋁層都有斷裂帶產(chǎn)生,故其硬度云圖有兩個(gè)波峰出現(xiàn),波峰位置分別為銅層、鋁層剪切帶與斷裂帶的交匯處。

        6 結(jié) 論

        1)不同層厚比的銅/鋁復(fù)合板的剪切斷面特征有一定差異。當(dāng)銅層占比較小(銅層厚度∶鋁層厚度=1∶9)時(shí),斷面形貌特征有銅層的塌角、剪切帶和鋁層的塌角、剪切帶、斷裂帶及毛刺。

        2)隨著銅層占比的增加,復(fù)合板材的塌角、剪切帶和毛刺在增加,斷裂帶在減小,加工硬化程度及范圍也在增加,剪切力也在增大。

        3)層厚比為1∶9、2∶8的復(fù)合板材斷裂模式為剪切斷裂及微孔聚集型斷裂的混合型斷裂模式;而層厚比為3∶7的復(fù)合板材斷裂模式為剪切斷裂模式。

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