熱軋制鎂基疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能

楊婷慧，張新平，顧春飛,羅秀芳，郁偉恒，廖益?zhèn)?/p>

熱軋制鎂基疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能

楊婷慧，張新平，顧春飛,羅秀芳，郁偉恒，廖益?zhèn)?/p>

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

采用熱軋制備7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，材料的拉伸強度達300 MPa?；诮?jīng)典疊層板理論計算該材料的首層失效強度，其計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，表明經(jīng)典疊層板理論可用于預(yù)測軋制制備的疊層復(fù)合材料首層失效強度。結(jié)果表明：隨著鋁合金厚度的增加，鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲剛度、壓縮強度和彎曲比強度增加，彎曲比剛度和拉伸比強度先增加后降低，且 7075Al/MGY/7075Al、7075Al/AZ31/7075Al和3003Al/ MGY/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度增加，但3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小。

軋制復(fù)合；鎂基疊層復(fù)合材料；力學(xué)性能

鎂合金耐腐蝕性差是限制其廣泛應(yīng)用的原因之一[1?3]，若在鎂合金表面覆蓋一層耐腐蝕性好的鋁合金形成疊層復(fù)合材料，則在保護鎂合金的同時又能發(fā)揮鎂合金比強度高的優(yōu)點?，F(xiàn)已有鎂基疊層復(fù)合材料研究出來，如 Al/Mg-Li[4]、AZ31B/Al6061[5]、Mg/Cu與Mg/Pd[6]和Mg-Ni-Mg2Ni[7]等疊層復(fù)合材料。軋制作為一種高效的復(fù)合方法也大量地應(yīng)用在疊層復(fù)合材料制備中[6,8]。

疊層復(fù)合材料各組元層保持相對的獨立性，通過科學(xué)的選擇材料組元，合理設(shè)計復(fù)層結(jié)構(gòu)，可滿足各種需求[9?15]。金屬疊層狀復(fù)合材料的特點之一是可進行材料設(shè)計以獲得所需的性能。關(guān)于鎂基疊層復(fù)合材料的現(xiàn)有研究主要集中在制備與性能表征方面[4?7]，有關(guān)該材料的性能設(shè)計尚未見到報道。本文作者擬采用經(jīng)典疊層復(fù)合材料理論研究幾種軋制復(fù)合鎂基疊層復(fù)合材料室溫下準靜態(tài)剛度和強度，并實際制備鎂基疊層復(fù)合材料，測量其強度，驗證其計算結(jié)果。本研究工作對于鎂基疊層復(fù)合材料研制與設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 計算與實驗方法

1.1 鎂基疊層復(fù)合材料剛度的理論計算

鎂基疊層復(fù)合材料為對稱結(jié)構(gòu)，且Al合金、Mg合金可認為為各向同性，如圖1所示，t1和t2分別是鋁合金與鎂合金單層板的厚度。根據(jù)經(jīng)典疊層復(fù)合材料理論，對于各向同性材料，剛度表達為[8?9]

圖1 Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料示意圖Fig.1 Schematic diagram of Al/Mg/Al laminate composite

式中：zk從第1層到第k層的總厚度；n為板的總層數(shù)；Qij是剛度矩陣系數(shù)，Q11=E/(1?ν2)，Q12=νE/(1?ν2)，Q66=G=E/2(1+ν)；E為彈性模量；G為剪接模量；ν為泊松比；Aij是面向內(nèi)力與中面應(yīng)變有關(guān)的剛度系數(shù)，統(tǒng)稱為拉伸剛度；Dij是內(nèi)力矩與曲率及扭曲率有關(guān)的剛度系數(shù)，統(tǒng)稱為彎曲剛度；Bij表示彎曲和拉伸間的耦合關(guān)系，統(tǒng)稱耦合剛度。因本研究均基于平面應(yīng)力假設(shè)，所以Bij耦合剛度為0。

1.2 鎂基疊層復(fù)合材料強度的計算方法

實測結(jié)果表明該材料在拉伸過程中發(fā)生鋁合金板或者鎂合金板斷裂后承載能力急劇下降的情況，如圖2所示。因此，本研究只計算首層失效強度(First layer failure strength)[8]。

圖2 鎂基疊層復(fù)合材料的典型拉伸曲線Fig.2 Typical tensile curve of Mg-based laminate composite

具體計算過程為[8?9]

1) 由原始數(shù)據(jù)計算Qij和Aij

由 A′=A?1/|A|得：

2) 求 εx0、ε0和γ0yxy

3) 求各層應(yīng)力

4) 采用最大應(yīng)力法求拉伸強度

同樣也可以求出剪切強度和彎曲強度。

優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強度和比剛度，才能以較小的截面滿足強度要求，同時大幅度減輕結(jié)構(gòu)體本身的質(zhì)量。因此，本研究中主要考察材料的比強度和比剛度。

1.3 實驗材料與過程

熱軋方式軋制復(fù)合 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，預(yù)熱溫度為400~500 ℃，單道次軋制，壓下率為50%。在復(fù)合軋制過程中由于鎂和鋁層變形的不均勻性，不同區(qū)域的各板材厚度比不一致，因此，在拉伸實驗前測量試樣各層厚度，并計算單層鋁合金的相對厚度。這也是只有一個壓下率卻有多個單層鋁合金相對厚度的原因。室溫拉伸性能采用三思萬能實驗機測試，應(yīng)變速率為 5×10?3s?1。AZ31鎂合金與3003Al合金的密度ρ，縱向拉伸強度Rm，縱向壓縮強度Rbc和剪切強度Rb如表1所列。其中7075鋁合金與Mg12Gd3Y0.5Zr鎂合金(MGY)的 Rm、Rbc和 Τb為實測值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強度驗證

7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料的拉伸強度實測結(jié)果如圖3所示，在實驗范圍內(nèi)拉伸強度達到了300 MPa，最高達370 MPa，高于常見的鎂合金。隨著單層鋁合金板厚度的增加，拉伸強度增加。

該復(fù)合材料的拉伸強度計算與實驗結(jié)果的對比如圖3所示，最大誤差為19%，總體上接近理論值，說明采用經(jīng)典疊層板理論可計算軋制復(fù)合制備的鋁/鎂/鋁疊層復(fù)合材料拉伸強度。

誤差原因分析如下：

1) 基板的質(zhì)量

在經(jīng)典疊層板理論中假設(shè)疊層板各單層之間粘結(jié)良好，可作為一整體結(jié)構(gòu)板，且粘結(jié)層很薄，各單層板之間變形連續(xù)。這在軋制制備的疊層復(fù)合材料中難以完全保證。實驗發(fā)現(xiàn)同一塊疊層復(fù)合材料不同部位時結(jié)合強度差異較大。

2) 層間應(yīng)力

計算時假設(shè)疊層復(fù)合材料各單層之間粘結(jié)良好，但實際疊層復(fù)合材料中存在著層間應(yīng)力，層間應(yīng)力是引起脫層失效的一種形式，所以也影響著拉伸強度，最終影響計算精度。

3) 基板的不均勻性

經(jīng)典疊層板理論中假設(shè)整個疊層板等厚度，但軋制制備的疊層復(fù)合材料合金板各處厚度不一致。

2.2 鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸剛度

各疊層復(fù)合材料的拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖4(a)所示，這里只給出了A11結(jié)果，其它方向的與這類似。由圖 4(a)可看出，在相同厚度分布下，7075Al增強的疊層復(fù)合材料拉伸剛度相同，且隨鋁合金厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸剛度逐漸增加。3003Al增強的疊層復(fù)合材料拉伸剛度也有相同的規(guī)律，但各疊層復(fù)合材料的拉伸剛度均高于相應(yīng)的鎂合金的。

疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖4(b)所示。由圖4(b)可看出，隨鋁合金厚度的增加，3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小，其它3種疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度則逐漸增加。

2.3 鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度

疊層復(fù)合材料的彎曲剛度隨單層鋁合金板厚度的變化情況如圖 5(a)所示，這里只給出了 D11的結(jié)果，其它方向的與這類似。在相同厚度分布下，7075Al增強的鎂基層復(fù)合材料彎曲剛度相同，且隨著鋁合金厚度的增加，彎曲剛度逐漸增加。3003Al增強的鎂基層復(fù)合材料彎曲剛度也有相同的規(guī)律。

表1 實驗用的鋁合金和鎂合金的性能Table 1 Properties of Al and Mg alloys

圖3 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料拉伸強度計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較Fig.3 Comparison of calculated tensile strength with experimental results of 7075Al/MGY/7075Al laminate composite

圖4 鎂基疊層復(fù)合材料拉伸剛度、拉伸比剛度隨單層鋁合金板厚度變化Fig.4 Variations of tension rigidity (a) and special tension rigidity (b) of Al/Mg/Al laminate composites with relative thickness of Al single plate

各疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化如圖5(b)所示。由圖5(b)可看出，隨鋁合金板厚度的增加，彎曲比剛度先增加后降低。MGY基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度在鎂合金厚度約占總厚度的1/2時達到最大值，而AZ31基疊層復(fù)合材料在鎂合金厚度約占總厚度40%時達到最大值。這一結(jié)果對于某些需要更高彎曲比剛度具有指導(dǎo)性意義。

圖5 鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲剛度、彎曲比剛度隨單層鋁合金板厚度的變化Fig.5 Variations of bending rigidity (a) and special bending rigidity (b) of Al/Mg/Al laminate composites with relative thickness of Al single plate

2.4 疊層復(fù)合材料的強度

疊層復(fù)合材料的壓縮、拉伸、彎曲比強度隨單層鋁合金板厚度的變化如圖6所示。由圖6可看出，隨鋁合金板厚度的增加，疊層復(fù)合材料的壓縮、彎曲比強度增加，且基本上是線性增加；拉伸比強度則先增加后減少。7075Al增強的鎂基層復(fù)合材料拉伸比強度在鎂合金厚度約占總厚度的 1/2時達到最大值，而3003Al增強的鎂基層復(fù)合材料拉伸比強度則在鎂合金厚度約占總厚度的40%時達到最大值。

圖6 鎂基疊層復(fù)合材料的壓縮、拉伸、彎曲比強度隨單層鋁合金板厚度的變化Fig.6 Variations of special compressive strength (a), special tensile strength (b) and special bending strength (c) of Al/Mg/Al laminate with relative thickness of Al single plate

在上述疊層復(fù)合材料中，7075Al/ MGY /7075Al疊層復(fù)合材料的壓縮比強度均高于其它3種疊層復(fù)合材料。這主要是因為Mg12Gd3Y0.5Zr的壓縮強度遠高于AZ31的。這說明如果需要疊層復(fù)合材料有較高的壓縮比強度，則需要選擇高壓縮比強度的合金復(fù)合。同樣地，7075Al增強的鎂基層復(fù)合材料的拉伸比強度和彎曲比強度高于3003Al增強鎂基層復(fù)合材料的。

疊層材料的整體性能取決于各層板材的性能和各層板厚的分布。以疊層復(fù)合材料的拉伸剛度A11為例，由式(2)可知，當(dāng)單層鋁合金板占總厚度百分比為x時，A11可表示為

對x求導(dǎo)，則

對于給定的體系，式(8)右邊是個固定的常數(shù)?？梢?，拉伸剛度隨單層鋁合金板相對厚度的變化具有單調(diào)性。從圖 4(a)也可以看出，隨單層鋁合金板厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸剛度也單調(diào)增加。另外，當(dāng)式(8)右邊大于0時，則拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的增加而增加。采用表1中的數(shù)據(jù)，式(8)的右邊均為正數(shù)，因此拉伸剛度隨單層鋁合金板厚度的增加而增加。采用同樣的方法，可以分析出其它比剛度和比強度等性能參數(shù)隨單層鋁合金板相對厚度的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

1) 采用熱軋制備了 7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料，在實驗范圍內(nèi)，材料的拉伸強度達到300 MPa以上，最高達370 MPa，高于常見鎂合金的。

2) 采用經(jīng)典疊層板理論計算了軋制制備的7075Al/MGY/7075Al疊層復(fù)合材料的拉伸強度，最大誤差為20%，表明采用經(jīng)典疊層板理論可以預(yù)測軋制制備的鎂基疊層復(fù)合材料的拉伸強度。

3) 隨著鋁合金厚度的增加，疊層復(fù)合材料的拉伸和彎曲剛度逐漸增加，且拉伸剛度均高于相應(yīng)鎂合金的。隨著鋁合金厚度的增加，3003Al/ AZ31/3003Al疊層復(fù)合材料的拉伸比剛度逐漸減小，其它3種疊層復(fù)合材料的則逐漸增加，但上述4種鎂基疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度均先增加后降低。MGY系疊層復(fù)合材料的彎曲比剛度在鎂合金厚度約占1/2時達到最大值，而AZ31系疊層復(fù)合材料的則在鎂合金厚度約占40%時達到最大值。

4) 隨著鋁合金板厚度的增加，鎂基疊層復(fù)合材料的壓縮和彎曲比強度增加，而拉伸比強度則先增加后減小。

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Mechanical properties of magnesium-based laminates composites produced by hot rolling

YANG Ting-hui, ZHANG Xin-ping, GU Chun-fei, LUO Xiu-fang, YU Wei-heng, LIAO Yi-zhuan
(School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The tensile and bending properties of an 7075Al/MGY/7075Al tri-metallic laminates fabricated by hot rolling were investigated at quasi-static strain rates. The first layer failure strength of the laminates is larger than 300 MPa. Based on the classical laminate theory, the mechanical properties of the laminate were calculated. The prediction results of first layer failure strength agree with the experimental results, indicating that the first layer failure strength of the tri-metallic laminate can be the predicted by the classical laminate theory with the maximum stress criterion. The tensile modulus,bending rigidity, bending strength and specific compressive strength of 7075Al/MGY/7075Al, 7075Al/AZ31/7075Al,3003Al/MGY/3003Al and 3003Al/AZ31/3003Al laminates increase with the increase of relative thickness of Al alloy layer. The specific bending rigidities of 7075Al/MGY/7075Al, 7075Al/AZ31/7075Al and 3003Al/MGY/3003Al laminates increase with the increase of relative thickness of Al alloy layer while that of 3003Al/ AZ31/3003Al laminate decreases with the increase of relative thickness of Al alloy layer.

rolling cladding; magnesium-based laminate composite; mechanical properties

TG335.81；TG115.21

A

1004-0609(2010)10-1889-06

南京理工大學(xué)紫金之星計劃資助項目；中國空間技術(shù)研究院CAST基金資助項目(CAST200742)

2009-09-01；

2010-05-12

張新平，博士，副教授；電話：025-84303983；E-mail：zxp_0517@163.com

(編輯 李艷紅)