纤维金属层合板冲压成形性能研究现状

陈 静,郭玉琴,陆 铭,吴雪莲,徐 凡,李富柱

(江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013)

1 前 言

纤维金属层合板（fiber metal laminates,FMLs）是由金属薄板和纤维复合材料交替铺设以后,在一定的温度和压力下固化形成的层间混杂复合材料[1-2]。FMLs由于综合了金属和纤维复合材料两者的性能优势,而具有高的比强度、比刚度、比模量及优异的疲劳性能和损伤容限,目前已有芳纶纤维强化铝合金层板（Arall）[3]、玻璃纤维强化铝合金层合板（Glare）[4]、碳纤维强化铝合金层合板（Carall）[5]、石墨纤维强化钛合金层合板（TiGr）[6]等几代FMLs在飞机机身的不同部位得到应用。但上述FMLs的中间芯层纤维复合材料大多以热固性树脂为基体,具有固化时间长、界面断裂韧性低、损伤后修复难度大、工艺自动化程度低等缺点[6-8]。因此近年来,积极研发适用于汽车、交通运输等工业及民用行业的热塑性FMLs新材料体系和构件制造工艺,以便在满足FMLs构件功能及性能要求的前提下,充分挖掘其轻量化潜能[9-10]。

有关FMLs材料研究,目前大多是通过单向拉伸实验来研究该材料的基本力学性能（包括拉伸强度、刚度、屈服强度、弹性模量等）、变形行为及其影响因素[11-22]；通过弯曲成形实验,研究预热温度、保压时间、冲头速度、成形载荷以及压边力等成形工艺条件、模具结构参数、及铺层方案对弯曲成形性能,尤其是弯曲回弹的影响[17-18,23-24]；通过圆筒形件、方盒形件拉深和半球胀形实验,采用实验、统计分析以及CAE 有限元仿真等手段探究温度、压边力等工艺条件及坯料几何形状尺寸对FMLs材料拉延成形性能的影响[25-32]。当前研究仍以实验法为主,仿真手段为辅,存在研究材料成本高、试错性差、效率低等缺点。

近年来,提出将常用的两种汽车轻量化材料,即高强度钢和碳纤维复合材料（CFRP）预浸料作为组分材料,交替铺放制成Steel/CFRP体系的FMLs材料后,再利用冲压工艺制成轻量化Steel/CFRP构件,已成为车身构件研发领域的重要研究方向之一[21]。但是,由于冲压成形过程中CFRP预浸料的粘弹性面内剪切变形与钢板的弹塑性变形同时存在,势必对FMLs材料的变形行为、成形性能,尤其是对成形后构件的力学性能产生复杂影响,这在现有研究中还未予以充分考虑,使仿真研究的精度和可靠性大大受限。因此,亟需全面了解FMLs材料在不同加载历史下的变形行为和失效模式,建立材料性能预测模型、本构关系方程、成形极限理论、破裂失效判据,形成相应的FMLs材料模型库,以借助CAE技术进行FMLs构件成形过程仿真模拟、缺陷预测及成形质量控制,为保证新型轻量化FMLs构件的制造质量、提高其服役性能提供可靠的理论依据。

2 FMLs基本力学性能及变形行为

2.1 FMLs基本力学性能及其主要影响因素

为了评价FMLs材料的变形行为及成形能力,目前主要通过单向拉伸实验来测定其拉伸强度、屈服强度、弹性模量、断裂应变等基本力学性能参数。现有研究[11-14]表明,FMLs材料的拉伸强度和弹性模量基本符合复合材料的混合规则,因此这两项性能参数也介于两种主组分材料之间。目前,FMLs材料的单拉实验已经研究了碳纤维复合材料种类、体积分数、中间纤维铺层方向与铺层方式、拉伸变形速率等主要工艺条件及金属板材表面预处理对上述基本力学性能的影响（如图1所示）,具体研究结果如下:

图1 FMLs基本力学性能的主要影响因素Fig.1 Main influencing factors of basic mechanical properties of FMLs

在铺层方案相同的情况下,增加中间芯层碳纤维复合材料的体积分数,有利于提高FMLs材料的拉伸强度[15-16]；对于由铝板和自增强聚丙烯（Curv基）构成的FMLs材料而言,当中间芯层纤维复合材料相对于铝板轧制方向从0°增加至90°时,FMLs材料的弹性模量、屈服强度以及拉伸断裂强度都相应减小[11,17-18]；对于同样厚度的FMLs材料,中间芯层纤维复合材料集中铺放,比其被金属铝板分隔开来铺放,具有更高的拉伸强度[19]；以芳纶纤维复合材料作中间芯层时,随着铺设方向角的增加,FMLs弹性模量、屈服强度以及断裂强度都随之减小,但是若以玻璃纤维复合材料作中间芯层,其铺设方向角的变化对FMLs材料力学性能参数的影响不很明显；对于中间芯层由玻璃纤维与碳纤维复合材料混杂而成的FMLs材料,增加碳纤维复合材料体积分数,并相应地减少玻璃纤维复合材料的体积分数,会使其拉伸强度显著提高[15,20]；而由铝板及碳纤维复合材料作为主组分材料所构成FMLs的拉伸强度随着拉伸应变率的增加而增加[11]；此外,通过增加金属表面粗糙度来提高复合增强材料与金属板材之间的粘结性能,对外层铝板表面进行化学处理后所制成FMLs 的强度和刚度均优于脱脂处理后的FMLs,但脱脂处理后的FMLs断裂应变大于化学处理后的FMLs[21]。

2.2 FMLs的拉伸变形行为

FMLs材料的拉伸变形行为主要有图2所示的弹塑性变形行为[11]、双线性变形行为[12-13]和非线性渐进变形行为[19,21-22,33]三种。其中,FMLs材料呈现出弹塑性变形行为主要是因为其组分材料中自增强聚丙烯复合材料延展性好、变形阻力小,因而其外层铝板的弹塑性变形对FMLs材料的变形行为起着绝对主导作用。由热塑性玻璃纤维增强基复合材料与芳纶纤维增强基复合材料芯层构成的FMLs材料呈现出双线性变形行为,是因为在拉伸开始尚未发生塑性屈服时,FMLs材料作为一个整体承担拉伸载荷,表现为第一个线弹性变形阶段；随着拉伸过程的进行,外层铝板发生塑性屈服,由于其较低的塑性变形抗力和加工硬化效应,使中间纤维复合材料芯层的线弹性变形在FMLs材料拉伸变形中占据主导地位,出现了第二个线弹性变形阶段,MOUSSAVITorshizi S E 等[20]基于经典层合板理论提出一种FMLs理论分析模型,成功预测了这一双线性拉伸变形行为。而非线性渐进变失效行为,则是由于FMLs材料中间芯层纤维复合材料中的纤维断裂应变较小,当FMLs材料的总体应变达到相应的纤维断裂应变时,中间芯层纤维复合材料发生脆性断裂,不再承受拉伸载荷,从而使应力应变曲线出现了断崖式急剧下降,但此时外层金属板材仍处于具有典型加工硬化效应的弹塑性变形状态,并承受一定的载荷,直到应力增加至金属材料断裂强度时,FMLs材料才完全失效,该解释从FMLs材料在拉伸断裂失效时出现的分层和纤维拔出可得到证实。

图2 FMLs材料单向拉伸试验变形行为 （a）弹塑性变形；（b）双线性变形；（c）非线性渐进变形Fig.2 Deformation behavior of uniaxial tensile test of FMLs （a）elastoplastic deformation behavior；（b）bilinear deformation behavior；（c）nonlinear progressive deformation behavior

3 FMLs材料的弯曲、拉深及胀形性能研究

弯曲成形件不可避免地会发生回弹,所以定形性作为评价FMLs构件弯曲成形性能的重要指标之一,一直是冲压成形领域关注的焦点。目前,有关FMLs弯曲成形性能的研究,涉及到的弯曲件形状主要有Ω型、U 型以及V 型三种。研究重点主要集中在预热温度、保压时间、冲压速度、成形载荷、压边力、模具结构参数等工艺条件及中间芯层纤维复合材料铺层方向对弯曲回弹的影响。其中,对由碳纤维增强复合材料和钢板铺叠起来的FMLs进行V 形弯曲成形研究时发现:适当提高模内保压时间和中间芯层碳纤维增强复合材料的固化度,可以有效减小弯曲回弹[23]；提高预热温度,不仅可使FMLs金属层中的裂纹和起皱现象得到明显改善,而且弯曲回弹可降低19%左右[24]；而适当增加成形载荷、减小冲头圆角半径,也可显著减轻FMLs弯曲构件的回弹[17-18,23-24]；中间芯层纤维复合材料的铺层方向对FMLs的弯曲成形性也具有显著影响,如:0°纤维方向铺层的Glare层板的弯曲回弹明显大于90°纤维方向铺层的,0°/90°交替铺设的Glare层板介于前述之间[17-18]；此外,沿90°纤维方向铺层的Glare层板在弯曲部位的减薄率比0°纤维方向的FMLs要高[23]。

FMLs拉深成形研究主要涉及:圆筒形件、半球头和方形盒件三种,通常以最大拉深力与起皱来评价FMLs材料的拉深成形性能,采用实验、统计分析以及CAE有限元仿真等手段探究工艺条件、材料尺寸对FMLs拉深成形影响。现有研究结果表明:压边力较小时,FMLs凸缘部位起皱严重,而采用较大的压边力则容易过早地导致复合材料基体开裂和纤维断裂[25-26],这与单一金属板材的情况是类似的；一般来说,在介于基体树脂玻璃化转变温度至固化前的温度区间范围内,成形温度越高,所需要的拉深力越小,且压边力与成形温度存在耦合效应,即在较低温度下成形时,增加压边力会使FMLs容易撕裂,当成形温度较高时,压边力的增大对FMLs 撕裂的影响减弱[25,27-28]；Rajabi A 等[25]发现:拉深FMLs时,材料直径大小对起皱影响较小,但对最大拉深力影响显著,即材料直径越大,所需拉深力越大；随FMLs中间芯层厚度增加,最大拉深力也会相应增加且起皱现象减轻。另外,在相同铺层方案下,中间芯层纤维增强复合材料中增强纤维及树脂基体的种类不同也会造成FMLs拉深失效行为的显著变化,从而影响到FMLs构件的拉深成形能力和构件制造质量[29]。

半球胀形实验主要用来研究FMLs的成形极限。相关研究结果表明:与单一金属板材相比,FMLs中复合材料的成形极限图（FLD）只有安全成形区域和失效区域,没有明显的颈缩区[30]；对于短切玻璃纤维增强复合材料芯层的FMLs,当外层金属板材厚度不变时,随中间芯层厚度增加,FMLs的拉深成形能力提高；如果保持中间芯层厚度不变,仅增加外层金属板材的厚度,同样可提高FMLs的成形能力；当保持FMLs总厚度不变时,增加中间芯层纤维增强复合材料的厚度,会使FMLs的成形能力相应的提高[31]；此外,在单轴拉伸、平面应变以及双轴拉伸三种不同的应变路径下,FMLs的破裂位置与单一金属板材基本一致,但是FMLs会经历更大的断裂应变,因而具有更好的成形能力[32],采用不同种类的中间芯层纤维增强复合材料基体树脂的不同,会导致FMLs的成形能力显著改变[15]。

4 结 论

本文综述了国内外有关FMLs材料单向拉伸、弯曲成形、拉深成形以及半球胀形等性能方面的研究进展,重点分析了不同工艺条件、模具结构参数、组分材料及纤维铺层方向与铺层方式等对FMLs材料冲压成形性能的影响。但有关FMLs材料成形极限及破裂失效模式方面的研究却很少见。FMLs材料作为近年来汽车领域最具潜力的轻量化车身材料之一,由于其组分材料截然不同的变形行为和失效机制,给FMLs材料在车身构件的研发和生产带来一系列难题,如新型FMLs构件研发所需材料成本高、试错性强、效率低。因此,亟需开展有关FMLs材料本构模型和成形极限判据的建立工作,扩充材料模型库,提高CAE仿真的精度和可靠性。