徐士新鄧素懷李釗胡海朝胡開廣孫齊松

（1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，唐山063200；3.天津中德應用技術大學機械工程學院，天津300350）

1 前言

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）具有抗拉強度高、比模量大、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點[1]，在各行各業(yè)普遍應用，但同時又存在剪切模量低、易發(fā)生脆性破壞等缺點[2]，制約了其在工程中的大規(guī)模應用。金屬材料（特別是鋼鐵材料）具有高塑韌性以及良好的加工性能，在各行各業(yè)也有廣泛應用。綜合對比2種材料的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)FRP與金屬材料具有很強的互補性，將FRP與金屬復合，形成1種新型的復合材料[3]，該復合材料不僅能充分發(fā)揮2種材料各自的優(yōu)勢，而且具有屈服后剛度的特征，并有著穩(wěn)定的“二次剛度”[4]。

目前，關于FRP與金屬材料的復合研究主要有以下方面：張志春等[5]采用拉擠成型工藝制備了鋼絞線與玻璃纖維的復合筋；羅云標等[6]采用手工包覆的方法制備了鋼筋與碳纖維的復合筋；關于FRP與金屬板材的應用研究多集中在航空領域中的Arall（芳綸纖維增強鋁合金層合板）[7]、Glare（玻璃纖維增強鋁合金層合板）[8]，而纖維增強鋼鐵材料的研究多集中在建筑結構領域[9]，在汽車車身上的應用較少，由報導[10]可知，第6代BMW7系部分結構件（B柱等）已采用了金屬/纖維混雜結構，通過合理的設計將輕質高強的纖維復合材料與良好塑韌性的金屬材料相結合，使整車在保持優(yōu)異力學和碰撞性能的前提下質量減輕130 kg[11]，隨著汽車對承載零部件材料疲勞、碰撞性能、損傷容限等要求的提高[12]，金屬/纖維混雜復合材料具有良好的應用前景[13]，具體的應用場景主要表現(xiàn)在A/B柱、前縱梁、車頂橫/縱梁等承力位置。而不同強度級別鋼板對Steel/FRP復合材料力學行為影響的研究尚未發(fā)現(xiàn)，通過單軸拉伸試驗，研究了不同強度級別汽車用鋼對Steel（鋼）/碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）復合材料力學行為的影響，為Steel/CFRP復合材料在汽車承載零部件設計及應用提供參考依據(jù)。

2 試驗材料與方法

試驗所用鋼板分別選取300 MPa、600 MPa、1 000 MPa強度級別汽車用鋼，鋼板厚度為0.8 mm。試驗所用纖維復合材料選用T700-24k碳纖維單向預浸布，其面密度為215 g/m2，樹脂含量為42%，單層厚度為0.14 mm。

Steel/CFRP復合材料采用“2+1”三明治結構（圖1），由模壓工藝制得，上、下面板均采用同一種鋼板，中間芯材采用碳纖維單向預浸布鋪層結構。其中鋼板靠近芯材側表面打磨粗化，然后用丙酮清洗干凈；芯材鋪層結構由碳纖維單向預浸布按照[0/90]3鋪層方式鋪設；鋪設完成后與鋼板組坯，在熱壓機上進行固化，固化工藝如圖2所示。

Steel/CFRP復合材料制備完成后按照ASTM D638加工試樣并在Instron萬能試驗機上進行單軸拉伸試驗。將Steel/CFRP復合材料切取10 mm×10 mm試樣沿截面鑲嵌，經(jīng)機械研磨拋光后采用光學顯微鏡觀察復合材料界面微觀形貌；采用掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣斷裂形貌。

圖1 Steel/CFRP復合材料結構示意

圖2 固化工藝

3 試驗結果與討論

3.1 微觀形貌

采用光學顯微鏡觀察Steel/CFRP復合材料界面結合情況，如圖3所示，白色圓形顆粒為徑向碳纖維，黑色區(qū)域為樹脂，上下白色區(qū)域為鋼板，鋼板單側表面經(jīng)打磨粗化后，表面呈現(xiàn)出一定的凹凸度，增加了鋼板與樹脂的接觸面積，凹坑處均由樹脂填充，屬于富樹脂區(qū)，且未見纖維填充；CFRP層中0°和90°方向的層厚保持一致，約110μm；不同鋼板強度對應試樣中CFRP層厚度基本一致，保持在670μm左右。鋼板層與CFRP層結合效果良好，未發(fā)現(xiàn)層間裂紋。

3.2 單軸拉伸試驗結果

不同強度級別鋼板及其對應的Steel/CFRP復合材料單軸拉伸性能如表1所示，與單一鋼板對比，Steel/CFRP復合材料具有不同的增強效果，結合其應力-應變曲線（圖4），具體效果如下：當碳纖維預浸布按照[0/90]3的鋪層方式時，Steel（300 MPa）/CFRP可增強40.6%，斷后伸長率略有下降，仍可達43.5%；Steel（600 MPa）/CFRP的抗拉強度基本與鋼板持平，斷后伸長率為23.5%；Steel（1 000 MPa）/CFRP的抗拉強度有所減弱，達到891 MPa，斷后伸長率為13.5%。與鋼板出現(xiàn)抗拉強度對應的應變值相比，Steel/CFRP復合材料使出現(xiàn)抗拉強度的應變值大幅度前移，這使得該材料當遭遇低于Steel/CFRP復合材料抗拉強度而高于鋼板屈服強度的載荷時，可避免發(fā)生特別明顯的塑性變形，以Steel(600 MPa)/CFRP復合材料為例，當施加500 MPa的載荷時，對于單一鋼板，很容易進入塑性變形階段，形變無法恢復，而Steel/CFRP復合材料仍處于彈性變形階段，試樣撤銷載荷后可恢復原狀。

圖3 復合材料微觀形貌

表1 鋼板及復合材料的力學性能

將由不同強度級別鋼板制得的Steel/CFRP復合材料的應力-應變曲線放大，可將整個單軸拉伸過程分為4個階段（圖5）。

圖4 鋼板與對應復合材料的應力-應變曲線

圖5 復合材料的應力-應變曲線

a.在Steel/CFRP復合材料單軸拉伸變形初期，不同強度級別的鋼板層與CFRP層表現(xiàn)出良好的協(xié)同變形能力，兩者共同承擔拉伸載荷，試樣伸長量與拉伸載荷呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，此時處于彈性變形階段；

b.隨著拉伸載荷的逐漸增加，鋼板層開始進入塑性變形過程，此時拉伸載荷大部分由CFRP層承擔，在圖5中可以看出，試樣的伸長量與拉伸載荷仍呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律，但該階段在相同應變條件下應力增加幅度減小，且未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，此時表現(xiàn)出吳剛等[14]提出的“二次剛度”現(xiàn)象；

c.隨著應變的繼續(xù)增加，CFRP層中的樹脂開始斷裂，同時拉伸試樣伴隨著“噼啪”的響聲，繼續(xù)增大拉伸位移，拉伸試樣發(fā)出短暫的大聲“嘭”響，拉伸載荷迅速回落，CFRP層中纖維斷裂，但由于試樣外層鋼板的保護，CFRP層并未出現(xiàn)李耘宇等[15]出現(xiàn)的炸開現(xiàn)象；

d.隨后所有的拉伸載荷均由屈服后的鋼板承擔，應力-應變曲線形狀與單一鋼板基本保持一致，當應變達到鋼板斷裂應變時，拉伸試樣徹底失效。

不同強度級別鋼板對Steel/CFRP復合材料單軸拉伸性能的影響主要表現(xiàn)2個方面，一是在彈性變形階段，低強度級別鋼板進入塑性變形階段較早，導致CFRP層過早地承擔了大部分拉伸載荷，使拉伸載荷達到405 MPa時纖維即發(fā)生斷裂，因此低強度級別Steel/CFRP復合材料的抗拉強度定格在405 MPa，而高強度級別鋼板的彈性變形階段較長，加上CFRP層引起的“二次剛度”現(xiàn)象，使得整體抗拉強度達到891 MPa；二是CFRP層斷裂后，所有載荷集中在鋼板時，低強度級別鋼板具有較好的塑性，可使Steel/CFRP復合材料整體具有良好的塑性，而高強度級別鋼板由于本身塑性低于低強度級別鋼板，在與CFRP復合后，整體塑性效果不及低強度級別鋼板制得的復合材料。

3.3 單軸拉伸失效形式

與文獻[16]中復合材料CFRP層呈現(xiàn)的炸裂狀破壞形式不同，此Steel/CFRP復合材料由于外層鋼板的保護，未出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，鋼板與CFRP層呈現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象。采用掃描電子顯微鏡觀察Steel/CFRP復合材料單軸拉伸試樣斷裂后的形貌，如圖6所示，CFRP層斷面不平整，其中0°方向纖維絲束非常整齊地斷裂，屬于典型的平口斷裂形貌，絲束周圍緊緊包裹著1層基體樹脂，且樹脂表面非常粗糙，這說明纖維與樹脂間結合較好；90°方向纖維束發(fā)生剪切斷裂；鋼板層則為典型的塑性斷裂。

圖6 單軸拉伸試樣斷口形貌

4 單軸拉伸過程的理論預測

WU G等[17]基于復合法則對由鋼筋和FRP復合而成的鋼-連續(xù)纖維復合筋增強材料（SFCB）本構關系進行了推導，并對其單軸拉伸性能進行了理論預測。結合試驗中的單軸拉伸過程，對其不同階段的應力-應變關系進行分析。

a階段，應變ε由0至鋼板開始塑性變形，此階段為彈性變形階段，Steel/CFRP復合材料的應力與應變成線性變化規(guī)律，其拉應力σ1計算如公式（1）。

式中，Es為鋼板層的彈性模量；As為鋼板層的橫截面積；Ec為CFRP層（鋪層方式為[0/90]3）的彈性模量；Ac為CFRP層（鋪層方式為[0/90]3）的橫截面積；α為該階段復合材料彈性模量的修正系數(shù)；A為Steel/CFRP復合材料的總橫截面積(A=As+Ac)；εy為鋼板開始塑性變形的應變。

b階段，應變ε由鋼板開始塑性變形至CFRP層發(fā)生斷裂，該階段應力-應變?nèi)员憩F(xiàn)為線性規(guī)律，但其斜率明顯低于a階段，此時其拉應力σ2計算如公式（2）。

式中，β為該階段復合材料彈性模量的修正系數(shù)；fy為鋼板開始塑性變形對應的應力；εcu為CFRP層斷裂時的應變。

c階段，CFRP層逐漸斷裂，載荷逐漸轉移到屈服的鋼板層，將此階段簡化為CFRP的瞬間斷裂。

d階段，由CFRP層完全斷裂至鋼板層完全斷裂，該階段所有載荷均由已經(jīng)屈服的鋼板承擔，其拉應力σ4計算如公式（3）。

式中，fs為鋼板的應力，εsu為鋼板斷裂時的應變。

計算該階段應力時，CFRP層雖已斷裂，為與a階段、b階段保持一致，面積仍采用復合材料的總橫截面積A。

在 本 試 驗 中，As=20 mm2，Ac=8.375 mm2，Ec=103 GPa，針對不同強度級別鋼板與CFRP制得的復合材料，對應不同的基本性能參數(shù)，如表2所示。

表2 基本性能參數(shù)

根據(jù)不同級別Steel/CFRP復合材料的基本性能參數(shù)，對其應力-應變曲線進行擬合，結果如圖7所示，擬合所得修正系數(shù)如表3所示，經(jīng)過修正的a階段、b階段理論值與試驗值吻合較好，d階段由于鋼板屈服后截面發(fā)生應力重分布[18]，以及CFRP層斷裂后相互間的摩擦力等原因，理論值與試驗值存在一定的偏差。

圖7 單軸拉伸過程理論預測值與試驗值對比

表3 修正系數(shù)

5 結論

通過單軸拉伸試驗，研究了不同強度級別鋼板對由其制得的Steel/CFRP復合材料力學性能的影響，得出以下結論。

a.當T700碳纖維預浸布采用[0/90]3鋪層方式鋪設時，與單一鋼板相比，低強度級別鋼板制得的Steel/CFRP復合材料增強效果顯著，中等強度級別鋼板制得的Steel/CFRP復合材料與鋼板抗拉強度相當，高強度級別鋼板制得的Steel/CFRP復合材料抗拉強度略有下降，但均可使其抗拉強度的應變值大幅度前移；

b.Steel/CFRP復合材料的單軸拉伸應力-應變曲線具有穩(wěn)定的“二次剛度”現(xiàn)象；

c.針對Steel/CFRP復合材料單軸拉伸過程中的不同階段，采用彈性模量修正系數(shù)α和β，可使單軸拉伸應力-應變曲線的理論值與試驗值吻合較好。

結合上述結論，對Steel/CFRP復合材料的推廣應用作以下可行性分析。

a.低強度級別鋼板通過少量碳纖維預浸布的增強，可達到中高強度鋼板的級別，并具有較好的剛度，從而實現(xiàn)低強度鋼板對高強度鋼板的替代，采用合適的配比甚至可達到熱成形鋼的效果；

b.Steel/CFRP復合材料應用于車身外板時，“二次剛度”現(xiàn)象可明顯提升復合材料的彈性變形階段，減少了外板鈑金的幾率。