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)國家重點實驗室,武漢，430074

0 引言

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

碳纖維增強復(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，具有比強度高、抗疲勞、比模量高、耐腐蝕、可設(shè)計性強和便于整體成形等特點，這些優(yōu)異的性能可使材料在減小質(zhì)量的同時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、制造周期長等缺點[9],難以單獨制作成零件，實現(xiàn)大批量自動化生產(chǎn)。使用熱沖壓高強鋼制造的汽車零部件具有超高的強度，但不能有效吸收碰撞過程中的能量[10]。而汽車零部件中的部分產(chǎn)品使用高強鋼/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)中鋼的高強度維護司乘安全，利用CFRP層減小系統(tǒng)質(zhì)量和增強系統(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織碳纖維作為增強體，浸潤在熱固性或熱塑性樹脂基體中制得的。環(huán)氧樹脂是分子中包含兩個或者兩個以上的環(huán)氧基團的有機高分子化合物，它的主要成分是氨基樹脂、酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂等[12]。環(huán)氧樹脂與碳纖維或鋼板之間界面形成的過程可以分為兩個步驟：①碳纖維和鋼板在樹脂基體中接觸和浸潤；②樹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)合成一個整體[13]。

傳統(tǒng)的高強鋼/CFRP多材料零件制造工藝主要通過膠粘[14]或者機械自鎖實現(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)劑進行黏結(jié)。該工藝需要兩種部件在單獨的工藝中制造，既不能保證兩個零件的尺寸精度要求，也很難保證配合關(guān)系，同時工藝路線復(fù)雜，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)[15-16]。機械連接主要是通過標準緊固件將兩個或多個零部件連接在一起[17]，該工藝需要對材料進行穿孔，其機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高強鋼和CFRP預(yù)浸料進行連接并成形的工藝方法，該方法利用高強鋼模具淬火后的余熱對預(yù)浸料中的樹脂進行加熱，并使用沖壓方法進行高強鋼與CFRP預(yù)浸料的連接與成形。

1 試驗

1.1 材料與設(shè)備

本試驗中使用的鋼材為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱成形高強鋼板22MnB5，板料厚度為1.5 mm。使用直讀光譜儀(PDA-1000)測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 試驗用鋼板的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(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)

試驗使用的伺服壓力機及模具如圖1所示，壓力機的保壓壓力和保壓時間可調(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]，同時除掉一些雜質(zhì)。

圖2 高強鋼板和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，壓力機下行進行淬火和保壓，保壓時間為20 s。為驗證淬火溫度即預(yù)浸料預(yù)熱溫度對彎曲性能的影響，選取上下模溫度分別為190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃進行試驗。

(4)淬火保壓完畢后，伺服壓力機上行，迅速鋪設(shè)合適尺寸的CFRP預(yù)浸料，移動到冷模進行二次沖壓，保壓時間為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，形成整體的高強鋼/CFRP板料。試驗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)方向為[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)將制備好的高強鋼/CFRP復(fù)合板置于熱風爐中固化，固化溫度為180 ℃，時間為60 min。

1.3 三點彎曲試驗

三點彎曲試驗是檢測汽車零件抗彎性能以及吸能性能的主要方法。在三點彎曲試樣中，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)金屬材料彎曲試驗方法標準GB/T232—2010規(guī)定，支輥間距離計算如下：

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，計算可得l=23.5 mm。

使用Zwick/Roell Z020型萬能拉伸試驗機對鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP的多材料復(fù)合板進行三點彎曲試驗，試驗過程如圖3所示。試樣總長為180 mm，寬度為10 mm。試驗中碳纖維材料主要受到拉應(yīng)力，因此碳纖維層朝下進行彎曲試驗。測試時壓頭位移速度為4 mm/min。

圖3 三點彎曲試驗Fig.3 Three-point bending test

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 淬火保壓時間對試樣的影響

圖4所示是不同淬火溫度條件下制備的多材料試件。當上下模溫度為190 ℃時(圖4a)，CFRP與鋼板之間結(jié)合不完全，說明在該溫度下，預(yù)浸料中的環(huán)氧樹脂流動性較差，導(dǎo)致黏結(jié)效果差，發(fā)生開裂。當上下模溫度為220℃時(圖4d)，制備出的高強鋼/CFRP多材料試樣表面的CFRP發(fā)生破壞，這是由于溫度過高造成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程在高溫下中斷，金屬板的最終力學(xué)性能不會受到影響的結(jié)論一致。說明本文所提出的工藝方法具有合理性，熱沖壓工藝實現(xiàn)連接的過程不會影響鋼板的性能。

(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)不同的三點彎曲試驗結(jié)果

表4所示是鋪設(shè)不同層數(shù)CFRP的多材料復(fù)合件三點彎曲試驗結(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]。沒有鋪設(shè)CFRP的試樣，當載荷達到750 N，位移為1.31 mm時，載荷-位移曲線開始彎曲。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，當載荷達到900 N，位移為1.62 mm時，載荷-位移曲線開始彎曲。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%。三點彎曲試驗結(jié)果表明，CFRP的粘貼層數(shù)大于2時，試件的抗彎能力增大不明顯，但可以增大斷裂破壞時的最大位移。

表4 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)三點彎曲試驗結(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

另外對圖6中三種情況下的力-位移曲線進行積分，所得曲線與橫軸圍成的面積為三點彎曲試驗下材料吸收的能量[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%。試驗結(jié)果說明，使用CFRP材料可以增強整體系統(tǒng)的能量吸收能力。

圖7是三組試樣三點彎曲試驗彎曲角的對比圖。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，彎曲強度越大，說明CFRP能夠有效增強整體系統(tǒng)的彎曲力學(xué)性能。

(a)實物圖

(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

汽車輕量化是國內(nèi)外研究熱點，使用輕質(zhì)材料制造汽車零件實現(xiàn)減重仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來研究主要在于使用本文所提出的工藝，利用CFRP等輕質(zhì)材料實現(xiàn)汽車零件的整體或局部的增強。由于淬火后鋼板的強度增大，故目前本文提出的工藝僅適合成形比較簡單的零件，如制造更復(fù)雜的零件,需要進一步改善工藝。但通過本文研究，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現(xiàn)鋼板與CFRP材料連接工藝是可行的，不會降低或者大幅降低鋼板的強度。

(2)增加CFRP層數(shù)，對高強鋼/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)斷裂破壞時的最大位移。

(3)三點彎曲試驗表明，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%，說明鋪設(shè)CFRP對整體系統(tǒng)的彎曲性能和吸能性能有較高的提升。