溫/熱成形Steel/CFRP構(gòu)件的宏微觀缺陷及其成形機(jī)理

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引 言

輕量化作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵手段之一，已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。目前，得到廣泛應(yīng)用的兩種車用輕量化材料，一是碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)，二是高強(qiáng)度鋼板(High Strength Steel, HSS)。前者由于材料及工藝成本高、存貯周期短、生產(chǎn)周期長[1]、易發(fā)生脆性斷裂、材料可回收利用率低和報(bào)廢回收能耗高等[2]缺點(diǎn)無法滿足汽車構(gòu)件批量化高效率生產(chǎn)；而后者通過采用較薄的高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板進(jìn)行車體構(gòu)件減重，但存在成形性能差、成形抗力大、回彈嚴(yán)重和貼模性差等缺點(diǎn)。另外，由于受到車體構(gòu)件剛度要求的限制，高強(qiáng)鋼的輕量化潛能無法得到充分發(fā)揮[3]。

因此，Schmidt等[4]最先引入復(fù)合沖壓成形工藝來制造由鋼板和碳纖維預(yù)浸料層合而成的Steel/CFRP車身構(gòu)件，在改善純CFRP構(gòu)件脆性斷裂特性的同時(shí)，有效減輕等厚度純鋼制構(gòu)件的重量。此外，Steel/CFRP構(gòu)件中使用鋼板，使現(xiàn)有高效焊接技術(shù)仍然適用， 大幅度降低了工藝成本。目前，Steel/CFRP構(gòu)件的研究大多集中在成形工藝可行性驗(yàn)證、工藝參數(shù)對構(gòu)件成形性能影響規(guī)律、構(gòu)件的安全性和減重潛能評價(jià)等方面[5]。有關(guān)Steel/CFRP構(gòu)件結(jié)合界面的研究，更多集中在接頭強(qiáng)度、損傷演化和疲勞斷裂行為方面[6-14]。然而，應(yīng)該注意到：在溫?zé)岢尚蜸teel/CFRP構(gòu)件過程中，兩種不同的變形機(jī)制，即鋼板的彈塑性變形和碳纖維預(yù)浸料的粘彈性面內(nèi)剪切變形，是同時(shí)發(fā)生的，且兩者之間存在相對滑動，這決定了Steel/CFRP構(gòu)件特有的宏、微觀成形缺陷產(chǎn)生機(jī)理和破壞行為[15-16]。因此，深入理解和揭示溫?zé)岢尚蜸teel/CFRP構(gòu)件的典型缺陷及其形成機(jī)制，是對新型輕量化Steel/CFRP構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量控制及促進(jìn)其在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

Steel/CFRP構(gòu)件的溫?zé)岢尚螌?shí)驗(yàn)是在Y28-200四柱液壓機(jī)上完成，實(shí)驗(yàn)裝置、模具幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。實(shí)驗(yàn)用材料為1mm厚的DC03鋼板，厚度為0.33mm、面密度為150g/m2的3K斜紋編織碳纖維預(yù)浸料和528A脫模劑。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置照片(a)和模具形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸示意圖(b)Fig.1 Photos of experimental setup (a) and diagram of mould geometry, structure and dimension (b)

圖2 Steel/CFRP構(gòu)件溫/熱成形工藝示意圖Fig.2 Warm/hot forming process for Steel/CFRP structures

Steel/CFRP構(gòu)件成形工藝試驗(yàn)如圖2所示，按以下步驟實(shí)現(xiàn)：①將碳纖維預(yù)浸料和鋼板分別裁切成邊長為140mm、半徑為38mm的圓角正方形，將3層碳纖維預(yù)浸料疊層制成CFRP料坯，對鋼板依次進(jìn)行糙化(Ra6.3)、清洗、干燥處理；②分別加熱CFRP料坯和鋼板至基體樹脂融化溫度T1(120℃)和鋼板溫成形溫度T2(550℃)，同時(shí)將模具預(yù)熱到80℃并噴涂脫模劑；③將加熱的鋼板和CFRP料坯迅速轉(zhuǎn)移至經(jīng)過預(yù)熱的模具上(≤10s)，形成 Steel/CFRP料坯，注意CFRP料坯在上、鋼板在下并緊挨凹模模面，并確保纖維方向、鋼板軋制方向及凹模入口直邊方向平行；④壓力機(jī)滑塊帶動凸模以300mm/min的速度下移，沖壓成形Steel/CFRP構(gòu)件，待沖壓行程終了，將模具溫度升高至150℃并保溫 45min，待CFRP完全固化后，冷卻、脫模、取件，制得如圖3(a)所示的Steel/CFRP盒形件。

圖3 取樣方案及測點(diǎn)布置 (a) 切割軌跡示意圖； (b) 觀察區(qū)域定義； (c) 截面S1和S2上的測點(diǎn)布置。Fig.3 Sampling scheme and the measured points arrangement (a) diagram of cutting path； (b) defination of observation zones and (c) location of measured points on section S1 and S2

對Steel/CFRP盒形件用數(shù)控水切割機(jī)沿圖3(a)中所示軌跡進(jìn)行切割，得到如圖3(b)所示的初始觀察樣品，并在其上定義觀察測量區(qū)域和圖3(c)所示相應(yīng)測點(diǎn)，以評價(jià)Steel/CFRP盒形件的壁厚分布；最后，從前述各區(qū)域截取觀察試樣，用 S-3400N型掃描電鏡(SEM)觀察其微觀截面缺陷。

3 結(jié)果和討論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用溫?zé)岢尚喂に囍圃斓腟teel/CFRP盒形件典型宏觀成形缺陷包括：起皺、貧/富樹脂區(qū)及壁厚分布不均等，微觀成形缺陷包括：孔隙、纖維束邊界、裂縫、碳纖維斷裂等。

3.1 Steel/CFRP盒形件的宏觀成形缺陷

3.1.1起皺 如圖4(a)所示，起皺主要發(fā)生在法蘭直邊中部區(qū)域(對應(yīng)圖3(b)中的區(qū)域②)。起皺發(fā)生的原因主要有：(1)在壓邊圈作用下，CFRP預(yù)浸料中部分熔融樹脂被擠入壓邊圈下表面的微觀孔隙中，與粘彈態(tài)CFRP預(yù)浸料一起，使鋼板與壓邊圈間的接觸條件由先前的干摩擦變?yōu)闈衲Σ痢Ｒ驗(yàn)闈衲Σ翖l件下的摩擦系數(shù)(0.03～0.1)比干摩擦條件下的摩擦系數(shù)(>0.3)小很多，在很大程度上減少了成形期間材料的變形阻力。根據(jù)塑性變形理論，當(dāng)鋼板從法蘭直邊部位流向圓角部位時(shí)，因流動阻力減小而使切向壓應(yīng)力持續(xù)增加，最終導(dǎo)致材料發(fā)生失穩(wěn)起皺。

(2)在 Steel/CFRP盒形件拐角部位，CFRP預(yù)浸料主要是通過纖維束的面內(nèi)剪切旋轉(zhuǎn)和重新取向成形，而在法蘭直邊區(qū)域，沒有前述纖維取向發(fā)生，部分纖維會從CFRP編織預(yù)浸料中脫離，使得此處材料厚度急劇減小，造成鋼板與壓邊圈之間瞬間失去接觸，缺少壓邊作用而起皺。

3.1.2貧樹脂區(qū)形成 圖4(b)所示的貧樹脂區(qū)，主要出現(xiàn)在Steel/CFRP盒形件的底部圓角部位(對應(yīng)圖3(b)中的區(qū)域⑧)，形成過程如圖4(c)所示。即該區(qū)域CFRP預(yù)浸料在凸、凹模壓力作用下發(fā)生厚向壓縮變形，使碳纖維束寬度增加，厚度減小。同時(shí)，碳纖維束間孔隙變窄，其中的部分熔融樹脂會被擠出并向周邊區(qū)域流動，最終形成貧樹脂區(qū)。其存在可通過化學(xué)腐蝕法測得的區(qū)域⑧處55.08% 的樹脂含量得到證實(shí)(CFRP預(yù)浸料的樹脂含量為60%)。

3.1.3富樹脂區(qū)形成 如圖4(b)所示的富樹脂區(qū)，出現(xiàn)在Steel/CFRP盒形件側(cè)壁(對應(yīng)圖3(b)中的區(qū)域⑤和⑥)。其形成機(jī)制如圖4(e)所示，即當(dāng)CFRP預(yù)浸料流經(jīng)凹模入口圓角時(shí)，部分熔融樹脂會被擠出到未受任何約束作用的上表面形成樹脂滴；隨著CFRP預(yù)浸料流入型腔，樹脂滴朝側(cè)壁移動，并逐漸與凸模側(cè)面接觸，被涂抹于CFRP預(yù)浸料上表面，固化后即形成富樹脂區(qū)。其存在也可通過化學(xué)腐蝕法測得區(qū)域⑤、⑥處66.28%和69.74%的樹脂含量得到證實(shí)(CFRP預(yù)浸料的樹脂含量為60%)。

3.1.4非均勻厚度分布 圖4(e)為Steel/CFRP盒形件不同區(qū)域的平均厚度分布情況。從圖可見，最大和最小厚度分別出現(xiàn)在圖3(b)的區(qū)域④和區(qū)域⑧，變化幅度達(dá)到初始Steel/CFRP坯料厚度的56.3%。其中，區(qū)域④的厚度增加量占坯料初始厚度約26.6%，而區(qū)域⑧的厚度減少量約為坯料初始厚度的29.7%。由于Steel/CFRP坯料在成形過程中，鋼板始終為CFRP預(yù)浸料提供支撐作用，所以忽略CFRP預(yù)浸料懸垂性對Steel/CFRP盒形件厚度變化的影響?；诖饲疤?，測得Steel/CFRP盒形件在區(qū)域④和區(qū)域⑧的鋼板平均厚度分別為1.06和0.87mm，占對應(yīng)部位厚度變化的11.3%和22.03%，其余厚度變化主要由CFRP預(yù)浸料的橫向壓縮造成。由此可推斷，CFRP預(yù)浸料的橫向壓縮變形對Steel/CFRP盒形件厚度分布均勻性的影響遠(yuǎn)大于鋼板減薄，即CFRP預(yù)浸料的變形特征對Steel/CFRP盒形件厚度分布具有決定性影響。

造成這兩個(gè)區(qū)域厚度變化較大的原因很可能是：當(dāng)CFRP預(yù)浸料從受壓邊圈約束的法蘭區(qū)流入凹模入口圓角區(qū)(區(qū)域④)時(shí)，先前發(fā)生的部分厚向壓縮變形，由于失去必要的壓邊力約束作用而反彈，與該區(qū)域經(jīng)受的面內(nèi)剪切壓應(yīng)變一起，導(dǎo)致Steel/CFRP盒形件厚度顯著增加。而在Steel/CFRP盒形件的底部圓角區(qū)(區(qū)域⑧)，CFRP預(yù)浸料在經(jīng)歷“拉-剪-彎”復(fù)合變形和凸、凹模擠壓作用下發(fā)生的橫向壓縮變形，是造成該區(qū)域厚度嚴(yán)重減薄的主要原因。

3.2 Steel/CFRP盒形件的微觀成形缺陷

3.2.1孔隙和纖維束邊界 從圖5(a)可知：在區(qū)域③和④可觀察到不規(guī)則孔隙。通過化學(xué)腐蝕法和密度計(jì)算法可確定，上述兩個(gè)區(qū)域的孔隙率分別達(dá)到13.94%和7.18%。其形成原因主要是：在成形過程中卷入CFRP預(yù)浸料的小氣泡，持續(xù)朝不受壓邊圈和凸模約束作用的區(qū)域移動，并不斷聚合、變大，在基體樹脂固化后便形成孔隙。另外，在圖5(b)所示的區(qū)域⑤和區(qū)域⑥，可觀察到清晰的纖維束邊界，這很可能是由于固化過程中纖維束內(nèi)部與纖維束之間樹脂的不均勻收縮而引起的。

3.2.2裂縫 從圖5(c)所示的區(qū)域⑦可觀察到非常明顯的裂縫，這在坯料變形程度較大的區(qū)域③、④、⑤和⑧中都沒有出現(xiàn)?？紤]到區(qū)域⑦屬于彎曲變形區(qū)，與未發(fā)生裂縫區(qū)相比，變形歷史較簡單，變形程度較小，故推測鋼板的彎曲回彈是該區(qū)域裂縫形成的主要誘因，即鋼板因彈性恢復(fù)而產(chǎn)生的彈復(fù)力矩，會對與之粘結(jié)的CFRP材料施加一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，使CFRP材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)此內(nèi)應(yīng)力達(dá)到 CFRP材料的彎曲強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生破壞形成裂縫。為驗(yàn)證上述推測，在Abaquas軟件環(huán)境下，采用與實(shí)驗(yàn)相同的模具幾何參數(shù)(見圖1(b))和工藝條件，對四分之一純鋼制盒形件依次進(jìn)行成形過程仿真和回彈預(yù)測，然后將此回彈產(chǎn)生的彈復(fù)力矩，等效作用于區(qū)域⑦處的單位寬度純CFRP彎曲件，以獲知構(gòu)件的應(yīng)力分布情況。

所建立的CAE仿真模型如圖6(a)所示，材料參數(shù)見表1，回彈預(yù)測結(jié)果如圖6(b)所示。從圖6(b)可知，純鋼制盒形件最大回彈發(fā)生在法蘭直邊中間部位，對應(yīng)最大側(cè)壁回彈角Δθ≈3.7147°。由式(1)和(2)計(jì)算得到單位寬度彈復(fù)力矩ΔM=92.957kN·cm。將此彈復(fù)力矩作用于圖6(c)所示的單位寬度純CFRP彎曲件，在Abaquas中用靜力隱式算法進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖6(d)所示。從圖可知，最大應(yīng)力(54MPa)遠(yuǎn)大于用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)所測得的同樣鋪層 CFRP材料的彎曲強(qiáng)度(18MPa)。這一結(jié)論有力地證明了裂縫主要是由鋼板回彈引起的這一推測。

表1 鋼板材料參數(shù)Table 1 Material properties of steel sheet

圖6 鋼制盒形件回彈預(yù)測及CFRP彎曲件受力分析 (a) CAE模型； (b) 回彈預(yù)測結(jié)果； (c) 載荷與約束； (d) 變形與應(yīng)力分布Fig.6 Springback prediction of the steel box-shape structure and the analysis on stress and deflection of the CFRP U-shape specimen with unit width: (a) CAE model; (b) results of springback prediction; (c) load and constrains; (d) stress distribution after deflection

圖7 CFRP盒形件成形仿真結(jié)果 (a) 剪應(yīng)力分布； (b) Mises應(yīng)力分布Fig.7 Forming simulation result of the CFRP box-shape structure (a) shearing stress distribution; (b) Mises stress distribution

(1)

(2)

3.2.3碳纖維斷裂 為揭示圖5(d)中區(qū)域⑧處碳纖維斷裂的產(chǎn)生原因，在Abaquas 軟件環(huán)境下，采用與3.2.2節(jié)相同的模具幾何參數(shù)和工藝條件，對四分之一CFRP盒形件進(jìn)行成形過程仿真。所用CFRP預(yù)浸料材料參數(shù)由式(3)～(6)給出的復(fù)合材料混合規(guī)則確定：E1=93GPa，E2=2.68GPa，v12=0.35GPa，G12=27.5GPa。仿真所得剪應(yīng)力及應(yīng)力分布分別如圖7所示。

(3)

(4)

v12=vfVf+vm(1-Vf)

(5)

(6)

式中：E1、E2分別為CFRP預(yù)浸料的縱、橫向彈性模量，G12、v12分別為剪切模量和泊松比，Ef、Em分別為纖維和基體樹脂的彈性模量，Gf、Gm為對應(yīng)的剪切模量，vf、vm分別為對應(yīng)的泊松比，Vf、Vm分別為對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)。

從圖7可見，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在盒形件的法蘭拐角處，而最大等效應(yīng)力則出現(xiàn)在盒形件的底部圓角處。也就是說，CFRP盒形件在成形過程中，隨著材料流入凹模，法蘭拐角處的剪切變形和剪應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到剪切鎖死角之后，急劇增加的變形抗力會導(dǎo)致材料內(nèi)部拉應(yīng)力的增大。尤其在應(yīng)變最大的拉-剪-彎曲耦合變形區(qū)域 ⑧，當(dāng)式(7)所示的最大應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則滿足時(shí)，碳纖維發(fā)生斷裂。

(7)

式中：σ1、σ2分別為第1、2主方向上的拉應(yīng)力，τ12為面內(nèi)剪切應(yīng)力，Xt/Yt、Xc/Yc分別為第1/2主方向上的拉伸和壓縮強(qiáng)度，S為面內(nèi)剪切強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1．采用溫/熱成形工藝制造 Steel/CFRP盒形件時(shí)，出現(xiàn)的宏觀成形缺陷主要有：起皺、貧樹脂區(qū)、富樹脂區(qū)、壁厚分布不均勻等；微觀成形缺陷主要包括：孔隙、纖維束邊界、裂縫、碳纖維斷裂等。

2．起皺主要發(fā)生在法蘭直邊中部區(qū)域，其產(chǎn)生原因：一是該區(qū)域濕摩擦條件引起的變形阻力減少，二是該區(qū)域在成形過程中部分沒有發(fā)生重新取向的纖維束從CFRP預(yù)浸料中脫離，使鋼板與壓邊圈之間瞬間失去接觸。

3．在凸、凹模壓力作用下，CFRP預(yù)浸料的厚向壓縮變形、熔融樹脂向無約束區(qū)域流動，是貧樹脂區(qū)形成的主要原因；而富樹脂區(qū)則主要是在無約束凹模入口處，CFRP預(yù)浸料表面產(chǎn)生的樹脂液滴，在流入凹模型腔時(shí)被凸模側(cè)面涂抹引起。

4. 在凹模入口圓角區(qū)域：CFRP預(yù)浸料先前發(fā)生的厚向壓縮變形，由于失去必要的壓邊力約束作用而反彈，與所經(jīng)受的面內(nèi)剪切壓應(yīng)變一起，使Steel/CFRP盒形件厚度增加；而在底部圓角區(qū)域：在經(jīng)歷“拉-剪-彎”復(fù)合變形和凸、凹模擠壓作用下，CFRP預(yù)浸料發(fā)生的橫向壓縮變形，使Steel/CFRP盒形件厚度嚴(yán)重減薄。

5. 成形過程中卷入CFRP預(yù)浸料的小氣泡不斷聚集、變大并固化，是微觀孔隙形成的主要成因；而固化過程中纖維束內(nèi)部與纖維束間樹脂的不均勻收縮，造成了明顯的纖維束邊界；另外，成形期間在CFRP預(yù)浸料中產(chǎn)生的超過纖維斷裂強(qiáng)度的最大拉應(yīng)力及成形后鋼板回彈所產(chǎn)生的彈復(fù)力矩，分別引起了纖維斷裂和裂縫的形成。