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        高強(qiáng)鋼/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱沖壓-連接一體化工藝可行性及試樣彎曲性能研究

        2021-12-31 01:19:40張宜生
        中國(guó)機(jī)械工程 2021年24期
        關(guān)鍵詞:層數(shù)高強(qiáng)鋪設(shè)

        朱 彬 劉 旺 田 豐 劉 勇 張宜生

        1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢,4300742.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢,430074

        0 引言

        為減少汽車(chē)的燃油消耗以及增強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力,汽車(chē)輕量化迫在眉睫。一方面,汽車(chē)車(chē)身的質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的40%以上,通過(guò)減小車(chē)身質(zhì)量可以更好地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化[1-4];另一方面,在減小汽車(chē)質(zhì)量的同時(shí),也要考慮汽車(chē)的安全性(高強(qiáng)度和耐撞性)。為同時(shí)達(dá)到輕量化和高耐撞性的目標(biāo),結(jié)構(gòu)件需采用具有高比強(qiáng)度和高能量吸收能力的先進(jìn)輕質(zhì)材料進(jìn)行整體或局部增強(qiáng)[5]。

        碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種新型輕質(zhì)材料,具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、比模量高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和便于整體成形等特點(diǎn),這些優(yōu)異的性能可使材料在減小質(zhì)量的同時(shí)最大限度地提高承載能力和吸能性能[6-8]。但是CFRP具有成本高、加工困難、制造周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[9],難以單獨(dú)制作成零件,實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。使用熱沖壓高強(qiáng)鋼制造的汽車(chē)零部件具有超高的強(qiáng)度,但不能有效吸收碰撞過(guò)程中的能量[10]。而汽車(chē)零部件中的部分產(chǎn)品使用高強(qiáng)鋼/碳纖維復(fù)合材料復(fù)合的多材料部件可利用整體系統(tǒng)中鋼的高強(qiáng)度維護(hù)司乘安全,利用CFRP層減小系統(tǒng)質(zhì)量和增強(qiáng)系統(tǒng)吸能性能[11]。

        碳纖維復(fù)合材料通常是以成束的單向碳纖維或者平面機(jī)織碳纖維作為增強(qiáng)體,浸潤(rùn)在熱固性或熱塑性樹(shù)脂基體中制得的。環(huán)氧樹(shù)脂是分子中包含兩個(gè)或者兩個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物,它的主要成分是氨基樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和不飽和聚酯樹(shù)脂等[12]。環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維或鋼板之間界面形成的過(guò)程可以分為兩個(gè)步驟:①碳纖維和鋼板在樹(shù)脂基體中接觸和浸潤(rùn);②樹(shù)脂基體在合適的溫度下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)(固化),將鋼板和碳纖維結(jié)合成一個(gè)整體[13]。

        傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼/CFRP多材料零件制造工藝主要通過(guò)膠粘[14]或者機(jī)械自鎖實(shí)現(xiàn)。使用黏結(jié)劑使得材料形成多材料零件的工藝,需首先分別制造鋼零件與CRPP零件,然后再使用黏結(jié)劑進(jìn)行黏結(jié)。該工藝需要兩種部件在單獨(dú)的工藝中制造,既不能保證兩個(gè)零件的尺寸精度要求,也很難保證配合關(guān)系,同時(shí)工藝路線復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[15-16]。機(jī)械連接主要是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)緊固件將兩個(gè)或多個(gè)零部件連接在一起[17],該工藝需要對(duì)材料進(jìn)行穿孔,其機(jī)械性能受到的影響因素很多,如幾何特征、模具壓力、夾緊力、熱處理程度、零件材料等,并且穿孔處容易形成應(yīng)力集中,產(chǎn)生缺陷。另外機(jī)械連接增加了整體零件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,并且材料密封性差[18]。因此本文采用熱沖壓工藝對(duì)高強(qiáng)鋼和CFRP預(yù)浸料進(jìn)行連接并成形的工藝方法,該方法利用高強(qiáng)鋼模具淬火后的余熱對(duì)預(yù)浸料中的樹(shù)脂進(jìn)行加熱,并使用沖壓方法進(jìn)行高強(qiáng)鋼與CFRP預(yù)浸料的連接與成形。

        1 試驗(yàn)

        1.1 材料與設(shè)備

        本試驗(yàn)中使用的鋼材為國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱成形高強(qiáng)鋼板22MnB5,板料厚度為1.5 mm。使用直讀光譜儀(PDA-1000)測(cè)得鋼板的主要成分如表1所示。采用的CFRP材料為威海光威復(fù)合材料股份有限公司生產(chǎn)的單向環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料,供應(yīng)商提供的碳纖維原絲力學(xué)性能和預(yù)浸料參數(shù)分別如表2和表3所示。

        表1 試驗(yàn)用鋼板的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        表2 碳纖維原絲性能參數(shù)

        表3 碳纖維預(yù)浸料材料參數(shù)

        試驗(yàn)使用的伺服壓力機(jī)及模具如圖1所示,壓力機(jī)的保壓壓力和保壓時(shí)間可調(diào)整。圖中模具為分塊模具,左側(cè)模具安裝加熱棒,模具最高可加熱到400 ℃,右側(cè)為冷模。

        圖1 壓力機(jī)和模具及其加熱系統(tǒng)Fig.1 Servo press and tools with heating system

        1.2 多材料試樣制備

        本文提出的使用熱沖壓工藝制備高強(qiáng)鋼/CFRP多材料零件的加工工藝方法如下文所示,其中鋼板和CFRP溫度變化如圖2所示。

        (1)用120號(hào)砂紙打磨鋼材表面,直到鋼材表面出現(xiàn)明顯紋路,以此增大鋼材表面粗糙度和鋼材表面與CFRP預(yù)浸料的接觸面積[11],同時(shí)除掉一些雜質(zhì)。

        圖2 高強(qiáng)鋼板和CFRP溫度變化圖Fig.2 Temperature history of high-strength steeland CFRP

        (2)將打磨后的鋼材試樣放入箱式加熱爐中加熱至930 ℃,保溫3 min,使其奧氏體化。

        (3)將加熱好的試樣迅速轉(zhuǎn)移至平模熱模部分,壓力機(jī)下行進(jìn)行淬火和保壓,保壓時(shí)間為20 s。為驗(yàn)證淬火溫度即預(yù)浸料預(yù)熱溫度對(duì)彎曲性能的影響,選取上下模溫度分別為190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

        (4)淬火保壓完畢后,伺服壓力機(jī)上行,迅速鋪設(shè)合適尺寸的CFRP預(yù)浸料,移動(dòng)到冷模進(jìn)行二次沖壓,保壓時(shí)間為30 s。二次沖壓的目的是為了將CFRP預(yù)浸料與鋼板表面緊密結(jié)合并成形,形成整體的高強(qiáng)鋼/CFRP板料。試驗(yàn)使用單向碳纖維材料,鋪設(shè)層數(shù)分別為2層和4層,鋪設(shè)方向?yàn)閇0°,90°]交叉鋪設(shè),0°表示碳纖維方向與鋼板軋制方向平行。

        (5)將制備好的高強(qiáng)鋼/CFRP復(fù)合板置于熱風(fēng)爐中固化,固化溫度為180 ℃,時(shí)間為60 min。

        1.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

        三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是檢測(cè)汽車(chē)零件抗彎性能以及吸能性能的主要方法。在三點(diǎn)彎曲試樣中,試樣的受力非常復(fù)雜,主要為壓縮、拉伸、剪切、彎曲四種模式[19]。根據(jù)金屬材料彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T232—2010規(guī)定,支輥間距離計(jì)算如下:

        l=(d+3a)±0.5a

        式中,a為試樣厚度或直徑,a=1.5 mm;d為彎曲壓頭直徑,d=23.5 mm;l為跨距,計(jì)算可得l=23.5 mm。

        使用Zwick/Roell Z020型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP的多材料復(fù)合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。試樣總長(zhǎng)為180 mm,寬度為10 mm。試驗(yàn)中碳纖維材料主要受到拉應(yīng)力,因此碳纖維層朝下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)壓頭位移速度為4 mm/min。

        圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.3 Three-point bending test

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 淬火保壓時(shí)間對(duì)試樣的影響

        圖4所示是不同淬火溫度條件下制備的多材料試件。當(dāng)上下模溫度為190 ℃時(shí)(圖4a),CFRP與鋼板之間結(jié)合不完全,說(shuō)明在該溫度下,預(yù)浸料中的環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)性較差,導(dǎo)致黏結(jié)效果差,發(fā)生開(kāi)裂。當(dāng)上下模溫度為220℃時(shí)(圖4d),制備出的高強(qiáng)鋼/CFRP多材料試樣表面的CFRP發(fā)生破壞,這是由于溫度過(guò)高造成CFRP層失效。其余溫度下上下模試樣黏結(jié)良好(圖4b和圖4c)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的組織,結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)中上下模溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度,因此材料試樣中鋼板為全馬氏體組織。這與DEMES等[20]研究中得出熱沖壓過(guò)程在高溫下中斷,金屬板的最終力學(xué)性能不會(huì)受到影響的結(jié)論一致。說(shuō)明本文所提出的工藝方法具有合理性,熱沖壓工藝實(shí)現(xiàn)連接的過(guò)程不會(huì)影響鋼板的性能。

        (a)θ=190 ℃ (b)θ=200 ℃

        (c)θ=210 ℃ (d)θ=220 ℃圖4 不同結(jié)合溫度下高強(qiáng)鋼/CFRP多材料復(fù)合板制備情況Fig.4 High-strength steel/CFRP multi-materialcomposite sheet under different bonding temperatures

        圖5 多材料復(fù)合板中高強(qiáng)鋼板的SEM顯微組織Fig.5 SEM image of steel in high-strengthsteel/CFRP sheet

        2.2 CFRP層數(shù)不同的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        表4所示是鋪設(shè)不同層數(shù)CFRP的多材料復(fù)合件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果,圖6為相應(yīng)的載荷-位移曲線圖。由圖6可知,在施加載荷初期,三組試樣的載荷-位移均成線性關(guān)系[21]。沒(méi)有鋪設(shè)CFRP的試樣,當(dāng)載荷達(dá)到750 N,位移為1.31 mm時(shí),載荷-位移曲線開(kāi)始彎曲。鋪設(shè)2層CFRP的試樣與鋪設(shè)4層CFRP的試樣變化基本一致,當(dāng)載荷達(dá)到900 N,位移為1.62 mm時(shí),載荷-位移曲線開(kāi)始彎曲。由表4及圖6可知,未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP和鋪設(shè)4層CFRP的試樣最大載荷分別為1085 N、1136 N和1184 N。相對(duì)于未鋪設(shè)CFRP試樣的試樣,鋪設(shè)2層的CFRP試樣和鋪設(shè)4層的CFRP試樣最大載荷分別增大4.7%和9.12%。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層的CFRP試樣和鋪設(shè)4層的CFRP試樣最大位移分別為2.9 mm、3.3 mm和3.7 mm。相比未鋪設(shè)CFRP的鋼板,鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣最大位移分別增大了13.79%和27.58%。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明,CFRP的粘貼層數(shù)大于2時(shí),試件的抗彎能力增大不明顯,但可以增大斷裂破壞時(shí)的最大位移。

        表4 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        圖6 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves with differentlayers of CFRP

        另外對(duì)圖6中三種情況下的力-位移曲線進(jìn)行積分,所得曲線與橫軸圍成的面積為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下材料吸收的能量[22],結(jié)果如表4所示。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣的能量吸收量分別為9410 J、9692 J和10 050 J。試驗(yàn)表明,鋪設(shè)2層CFRP的試樣和鋪設(shè)4層CFRP的試樣相比于未鋪設(shè)CFRP的試樣,能量吸收量分別增大2.9%和6.8%。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,使用CFRP材料可以增強(qiáng)整體系統(tǒng)的能量吸收能力。

        圖7是三組試樣三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)彎曲角的對(duì)比圖。圖7a中從下到上分別為未鋪設(shè)CFRP、鋪設(shè)2層CFRP和鋪設(shè)4層CFRP的試樣。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣的彎曲角度分別為130°、110°和104°。隨著CFRP鋪設(shè)層數(shù)的增加,彎曲角明顯減小。鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP相比于未鋪設(shè)CFRP的鋼板,彎曲角分別減小15.38%和20.00%。彎曲角越小,表示變形區(qū)域越小,彎曲強(qiáng)度越大,說(shuō)明CFRP能夠有效增強(qiáng)整體系統(tǒng)的彎曲力學(xué)性能。

        (a)實(shí)物圖

        (b)彎曲情況圖7 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)的彎曲情況Fig.7 Bending of the samples with differentlayers of CFRP

        3 展望與結(jié)論

        汽車(chē)輕量化是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn),使用輕質(zhì)材料制造汽車(chē)零件實(shí)現(xiàn)減重仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來(lái)研究主要在于使用本文所提出的工藝,利用CFRP等輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零件的整體或局部的增強(qiáng)。由于淬火后鋼板的強(qiáng)度增大,故目前本文提出的工藝僅適合成形比較簡(jiǎn)單的零件,如制造更復(fù)雜的零件,需要進(jìn)一步改善工藝。但通過(guò)本文研究,仍可得到以下結(jié)論:

        (1)在190~220 ℃范圍內(nèi)改變高強(qiáng)鋼熱沖壓的模具溫度,可控制淬火溫度和兩種材料黏結(jié)時(shí)的溫度,最終淬火鋼板為全馬氏體組織,表明利用熱沖壓工藝實(shí)現(xiàn)鋼板與CFRP材料連接工藝是可行的,不會(huì)降低或者大幅降低鋼板的強(qiáng)度。

        (2)增加CFRP層數(shù),對(duì)高強(qiáng)鋼/CFRP的多材料系統(tǒng)最大抗彎能力影響不大,但隨著CFRP層數(shù)的增加,增大了整體系統(tǒng)斷裂破壞時(shí)的最大位移。

        (3)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明,鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP相比于未鋪設(shè)CFRP的鋼板,彎曲角分別減小15.38%和20.00%,能量吸收性能分別提高2.9%和6.8%,說(shuō)明鋪設(shè)CFRP對(duì)整體系統(tǒng)的彎曲性能和吸能性能有較高的提升。

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