高聚合物樹脂復(fù)合鋼板材料的力學(xué)性能研究與分析＊

金泉軍，張武，陳忠軒，李鑫

（1.浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000）

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(jìn)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(jī)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?zhǔn)浇Y(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(jī)械能，使得鋼板的受迫振動大幅衰減。當(dāng)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(dá)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[1-2]（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(qiáng)度、減振降噪、又能實現(xiàn)車體輕量化的要求，目前已成為當(dāng)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[3]。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(qiáng)度的分析對后續(xù)數(shù)值模擬模型的建立相當(dāng)重要[4]。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[5]，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(jìn)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(jìn)行有效判斷。因此，有必要對其黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度、剝離黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度H180Y，此材料具有較高的強(qiáng)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)事宜圖如圖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(jìn)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(qiáng)度為189MPa，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度為221MPa，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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

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（Mode I）、切向受力I（Mode II）、切向受力II（Mode III），見圖4所示[6]。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。

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)[7]。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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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=25 mm，粘接區(qū)域的厚度T=0.05mm。試驗在WD-P4504電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)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(qiáng)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。

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(jī)上得到的位移來表示應(yīng)變。具體公式如公式（2）所示。

Ushr是從材料測試機(jī)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(qiáng)度通過計算獲得樹脂復(fù)合鋼板的平均最大剪切強(qiáng)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)?8.8。同時，在較小的相對位移階段，拉伸張力存在部分硬化。在進(jìn)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(dá)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(dāng)達(dá)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(qiáng)度的研究通常采用T-剝離強(qiáng)度試驗方法。采用ASTM D3163-01標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)如下：

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(dá)如下：

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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度均勻性相對較好。