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高聚合物樹脂復(fù)合鋼板材料的力學(xué)性能研究與分析

2019-09-14 19:33:43·  來源：金泉軍 ，張武等 汽車實用技術(shù)雜志社  
　
作者：金泉軍 ，張武 ，陳忠軒 ，李鑫單位：浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司;馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心摘 要：基于樹脂復(fù)合鋼板在汽車前圍板上的開發(fā)
作者：金泉軍 ，張武 ，陳忠軒 ，李鑫
單位：浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司;馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心
 
摘 要：基于樹脂復(fù)合鋼板在汽車前圍板上的開發(fā)應(yīng)用，文章針對高聚物樹脂復(fù)合鋼板的基礎(chǔ)性能進行試驗研究、并測試復(fù)合鋼板材料的力學(xué)性能以及兩表層鋼板之間的剪切粘結(jié)強度與法向黏結(jié)強度，得到材料的理化性能以及兩表層之間的結(jié)合強度。從而為復(fù)合減振鋼板材料的產(chǎn)品設(shè)計提供依據(jù)，同時也為改進復(fù)合減振鋼板的生產(chǎn)工藝以適應(yīng)其產(chǎn)品的生產(chǎn)要求提供參考。

1 引言
為了減少車體內(nèi)部的噪聲，汽車制造商通常采用大量增設(shè)隔音或者吸音層、涂覆吸音材料等措施來解決，雖然取得了一定的效果，但減振降噪能力還有待進一步提高。因此，開發(fā)出新的質(zhì)優(yōu)價廉的減振降噪的產(chǎn)品，提高企業(yè)市場競爭力，是各汽車主機廠需努力的方向。高聚物樹脂復(fù)合鋼板是一種由金屬/高分子阻尼材料/金屬復(fù)合而成的具有三明治結(jié)構(gòu)的功能性材料，該材料充分結(jié)合并發(fā)揮了金屬與高分子材料的優(yōu)異特性，既保持了金屬材料的加工成形特性，又具有高分子材料的阻尼特性。這種材料內(nèi)部為高分子鏈式結(jié)構(gòu)，在受到振動沖擊載荷的作用時，樹脂會產(chǎn)生阻尼，通過中間樹脂層發(fā)生剪切變形，吸收大量的振動機械能，使得鋼板的受迫振動大幅衰減。當中間層樹脂作反復(fù)剪切變形時，吸收的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而具有了減振效果，達到抑澡的功效。因此它在汽車工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用（如圖 1 所示）。對于汽車行業(yè)來說，樹脂復(fù)合鋼板即可滿足零件結(jié)構(gòu)強度、減振降噪、又能實現(xiàn)車體輕量化的要求，目前已成為當前國內(nèi)外研究的熱點。
圖 1 樹脂復(fù)合鋼板在汽車上的應(yīng)用
 
由于其復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊性，樹脂復(fù)合鋼板的性能特點與普通鋼板略有差異。適用于單層金屬板的生產(chǎn)工藝和失效判據(jù)等不一定適用于樹脂復(fù)合鋼板。樹脂復(fù)合鋼板在拉深、折彎等成形過程中很可能會出現(xiàn)層間滑移甚至脫離等情況，所以針對樹脂層力學(xué)性能包括黏結(jié)強度的分析對后續(xù)數(shù)值模擬模型的建立相當重要。對于樹脂夾層的復(fù)合減振鋼板，其在成型過程中出現(xiàn)的失效形式除了與普通鋼板相同（起皺、破裂）之外，還有一種失效形式為鋼板與黏結(jié)層的剝離，并且這種失效形式有可能先于起皺、破裂現(xiàn)象的發(fā)生，因而在采用有限元對其成形過程進行分析時，以往適用于單層基板的失效判據(jù)并不能夠?qū)@種脫層缺陷的發(fā)生進行有效判斷。因此，有必要對其黏結(jié)強度進行研究，從而為模擬分析提供失效判斷依據(jù)。
 
本文基于前圍板零部件的性能要求，定制開發(fā)適合前圍板的樹脂復(fù)合鋼板材料，并開展該材料基礎(chǔ)力學(xué)性能研究，并測試樹脂復(fù)合減振鋼板兩表層鋼板之間的剪切黏結(jié)強度、剝離黏結(jié)強度進行試驗測試，從而為其沖壓工藝設(shè)計提供參考。
 
2 樹脂復(fù)合鋼板力學(xué)性能
 
2.1 樹脂復(fù)合鋼板材料力學(xué)性能 
 
基于前圍板 NVH 性能要求，樹脂復(fù)合鋼板表層是由不等厚表層組成，上層鋼板厚度為 0.2mm，下層鋼板采用0.5mm。上、下表層材料均為高強度 H180Y，此材料具有較高的強度，同時又具有優(yōu)越的成形性，中間層是主要起減振降噪功能的 0.05mm 厚樹脂高分子材料，將不等厚的上、下層基材與中間層樹脂通過熱復(fù)合方式形成三明治結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。
圖 2 樹脂復(fù)合鋼板結(jié)構(gòu)示意圖
 
為更好的掌握樹脂復(fù)合鋼板與表層鋼板材料特性，對表層基材的性能與復(fù)合鋼板材料的進行對比分析，具體測試結(jié)果如表 1、圖 3 所示。通過分析可以看出：上、下基材屈服強度為 189MPa，抗拉強度為 370MPa，延伸率為 36%， r90為 0.25，n90 為 1.69；樹脂復(fù)合鋼板的材料性能：屈服強度為221MPa，抗拉強度為 378MPa，延伸率為 33%，r90 為 1.25，n90 為 0.21。通過材料性能對比分析發(fā)現(xiàn)：三明治的靜音鋼 板的材料性能與表面覆蓋層鋼板從性能來講：基材的屈服強度、延伸率略低于靜音鋼板，基材的 n90、r90 優(yōu)于樹脂復(fù)合鋼板。
 
表 1 材料性能特性對比表
注：中間層樹脂厚度 50um。
圖 3 幾種材料拉伸曲線對比示意圖
 
2.2 樹脂復(fù)合鋼板層間力學(xué)性能
樹脂復(fù)合鋼板的樹脂層界面的成型過程中的受力狀況比較復(fù)雜。因此，一般主要有 3 種受力形式：法向受力（ModeI）、切向受力 I（Mode II）、切向受力 II（Mode III），見圖 4 所示。該三種受力方式有可能同時存在，需要使用混合模型來描述樹脂層的變形行為。因此單獨研究樹脂復(fù)合材鋼層間的的切向剪切性能與法向黏結(jié)性能尤為重要。
(a) Mode I 
 
(b) Mode II 
(c) Mode III 
圖 4 靜音鋼板樹脂界面的受力形式
 
2.2.1 樹脂復(fù)合鋼板切向剪切性能
在復(fù)合板折彎過程中，中間樹脂層主要承受剪切和壓縮變形，因而獲得其切向力學(xué)性能數(shù)據(jù)是研究其在復(fù)合板折彎回彈過程中所起作用的基礎(chǔ)。搭接剪切試驗是為了獲得復(fù)合板切向力學(xué)性能數(shù)據(jù)而設(shè)計的。采用 ASTM D3163-01 標準進行搭接剪切試驗，如圖 5 所示為搭接板剪切試驗試樣的幾何形狀和尺寸。粘結(jié)區(qū)域的長度為 L=25mm，寬度 w=25mm，粘接區(qū)域的厚度 T=0.05mm。試驗在 WD-P4504 電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為 2.5mm/min，試驗重復(fù) 3 次獲得的載荷力與位移曲線關(guān)系如圖 5 所示。再將試樣的剪切載荷除以粘結(jié)面積即為待測粘結(jié)面的剪切強度，其中試驗的粘結(jié)面是粘結(jié)區(qū)域的長度乘以寬度，如公式（1）所示。
  （1）
Fshr 為剪切力，L 和 W 分別為粘結(jié)區(qū)域的長度和寬度。其樹脂層的應(yīng)變，可通過材料測試機上得到的位移來表示應(yīng)變。具體公式如公式（2）所示。
    （2）
Ushr 是從材料測試機上得到的位移，T 是樹脂層的厚度。通過公式（1）、（2）將樹脂復(fù)合鋼板的力-位移曲線轉(zhuǎn)化為樹脂層材料模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 5 所示。
由圖 6 可知，樹脂層的切向黏結(jié)強度通過計算獲得樹脂復(fù)合鋼板的平均最大剪切強度為 2.875MPa。樹脂層的切向黏結(jié)應(yīng)變通過計算獲得平均最大應(yīng)變?yōu)?28.8。同時，在較小的相對位移階段，拉伸張力存在部分硬化。在進一步加載位移，拉伸張力硬化被激化，曲線開始有一個明顯的轉(zhuǎn)折點。在達到一定的位移時，曲線又出現(xiàn)了一個明顯的轉(zhuǎn)折點，主要是拉伸張力硬化效果逐步下降趨勢。當達到最大值后，拉伸張力迅速下降，樹脂層發(fā)生脫層。
圖 5 剪切試樣示意圖 
圖 6 剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖
 
2.2.2 樹脂復(fù)合鋼板法向粘結(jié)性能
 
目前，對于樹脂復(fù)合鋼板的法向黏結(jié)強度的研究通常采用 T-剝離強度試驗方法。采用 ASTM D3163-01 標準，按比例縮小試樣，幾何形狀與尺寸如圖 7 所示，拉伸速度為5mm/min，試驗重復(fù) 5 次，所得到的力-位移曲線如圖 8 所示。
 
通過圖 7 可以看出：各試樣拉伸極限載荷能夠反映其待測粘結(jié)面的法向粘結(jié)強度，極限載荷后的相對平緩區(qū)說明粘結(jié)層已被拉開，但夾層中的樹脂還在變形中，并未被拉斷，當載荷急劇下降時，樹脂已接近變形極限，并已開始斷裂。各試樣拉伸極限載荷（即各條曲線最高點）分布相對集中，其中最大值 150N、最小值 145N，其力值相差 3.4%。由曲線的光滑程度及其趨勢來看，樹脂復(fù)合鋼板的自身的粘結(jié)層法向粘結(jié)強度均勻性相對較好。
圖 7 T-剝離試樣示意圖 
圖 8 剝離力-位移曲線示意圖
為更好的反映法向剝離強度的性能，將力-位移關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由力轉(zhuǎn)化為應(yīng)力表達如下：
（3）
Fshr 為法向張力， W 為 T-剝離試樣的寬度。由位移轉(zhuǎn)換為應(yīng)變可表達如下：
（4）
Unor 為法向位移，T 為樹脂層的厚度。由于圖 8 中剝離位移超過 50mm 之后，極限載荷后的相對平緩區(qū)已說明粘結(jié)層被拉開，因此在換算樹脂法向粘結(jié)強度時，僅取 50mm 位移的應(yīng)變。
基于公式（1）、（2）將樹脂復(fù)合鋼板的力-位移曲線轉(zhuǎn)化為樹脂層材料模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 9 所示。
圖 9 剝離應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖
 
由圖 9 所示名義應(yīng)力應(yīng)變曲線可以計算得到樹脂層的平均法向粘結(jié)強度為 40.8N/cm。由曲線的光滑程度及其趨勢來看，是一個很明顯的彈性變形-剝離-剩余部分高分子鏈斷裂的過程。
 
3 結(jié)論
（1）高聚物樹脂復(fù)合鋼板的材料性能與表面覆蓋層鋼板從性能來講：基材的屈服強度、延伸率略低于靜音鋼板，基材的 n90、r90 優(yōu)于樹脂復(fù)合鋼板。
（2）通過搭接剪切試驗獲得了樹脂復(fù)合鋼板切向力學(xué)性能數(shù)據(jù)，其切向剪切強度為 5.875MPa。
（3）通過 T-剝離試驗獲得法向力學(xué)性能數(shù)據(jù)，其法向黏結(jié)強度為 40.8N/cm。
（4）基于曲線的光滑程度及其趨勢來看，高聚合物樹脂復(fù)合鋼板的自身的粘結(jié)層剪切與法向粘結(jié)強度均勻性相對較好。 
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