不同層厚比的銅/鋁層狀復(fù)合板剪切特性研究

路家斌，徐 超，閻秋生，郭曉輝

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

銅/鋁復(fù)合材料不但具有銅的高導(dǎo)電率、好導(dǎo)熱性及耐腐蝕等優(yōu)點，同時也具備鋁的質(zhì)輕、耐磨、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，在冶金、機(jī)械、汽車、電子、電力、電器及生活用品等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用[1-3]。在實際應(yīng)用中金屬復(fù)合板材需要通過剪切加工剪切成特定的長度和形狀，銅/鋁復(fù)合板剪切后的斷面質(zhì)量對材料的導(dǎo)電性及力學(xué)性能有著很大的影響，這就需要嚴(yán)格控制其剪切斷面質(zhì)量。

研究表明，復(fù)合板材的層厚比對板材組織及力學(xué)性能有著較大的影響[4-5]，力學(xué)性能的改變又直接影響了其剪切性能及斷面質(zhì)量。黃宏軍等[6]在銅/鋁/銅復(fù)合板的模擬計算中發(fā)現(xiàn)復(fù)合板的導(dǎo)電性隨著銅層厚度的增加而提高。柴炎福等[7]研究了層厚比對鎂/鋁復(fù)合材料彎曲成型性能的影響，結(jié)果表明鎂/鋁復(fù)合板材整體的拉壓不對稱性能隨著鋁含量的增加而呈下降趨勢。吳偉剛等[8]對不同層厚比的TA1/X80復(fù)合板進(jìn)行了彎曲和拉伸實驗，發(fā)現(xiàn)隨著TA1、X80層厚比增加，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、韌性、正彎強(qiáng)度、正彎撓度均呈線性降低趨勢，背彎強(qiáng)度和背彎撓度線性增大。許多研究表明，層狀復(fù)合板剪切后的斷面形貌與單層板存在較大差異，復(fù)合板材的剪切斷面在各層都會形成塌角[9-11]，對于界面層結(jié)合強(qiáng)度較弱的板材，甚至?xí)l(fā)生分層現(xiàn)象[12]。在剪切過程中，不同組分的應(yīng)力狀態(tài)不同，形成的斷面特征帶也不相同。高東亮[12]等采用斜刃橫剪實驗對比研究了雙層銅/鋁復(fù)合板的正、反剪切的斷面形貌，發(fā)現(xiàn)銅層在上時銅層只有剪切帶產(chǎn)生，而銅層在下時銅層有剪切帶和斷裂帶產(chǎn)生，這說明復(fù)合板材的各層材料性能差異會直接影響剪切斷面。

為研究不同層厚比的復(fù)合板材的剪切斷面特征，本文作者進(jìn)行了三種層厚比的銅/鋁雙層復(fù)合板的斜刃橫剪實驗，考察了不同層厚比下復(fù)合板材剪切斷面形貌、加工硬化及剪切力的變化規(guī)律，為進(jìn)一步認(rèn)知復(fù)合板材加工機(jī)制提供了依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 斜刃橫剪加工原理

圖1 斜刃橫剪加工原理Fig.1 Machining principle of oblique cutting

1.2 實驗材料和方法

實驗所用材料為板厚1 mm、寬度60 mm的銅/鋁雙層復(fù)合板材，銅/鋁層厚比分別為1∶9、2∶8、3∶7。其中銅的牌號為T2，鋁的牌號為1060，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 T2紫銅板和1060鋁板力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of T2 copper and 1060 aluminum plates

復(fù)合板材的剪切加工裝置為KYDJ-400型單頭精密數(shù)控剪床(如圖2所示)。剪切加工時，設(shè)定剪切間隙為0.04 mm，剪切速度為28 mm/s。為研究不同層厚比下剪切力的變化規(guī)律，利用Kistler 5073A三向力測試儀測量剪切過程中的三個方向的力(如圖2所示)，其中Fx是平行刀具方向的力，F(xiàn)y是垂直于刀具側(cè)面的正壓力，F(xiàn)z是垂直于板材面的剪切力。

圖2 剪切加工測力裝置Fig.2 Force gauge of shearing machine

剪切后的試樣斷面特征采用SEM及Keyence VHX600超景深顯微鏡觀察和測量。為觀察剪切試樣截面，利用線切割沿垂直剪切斷面方向切取截面，尺寸為12 mm×8 mm，鑲樣、打磨、拋光至鏡面狀態(tài)，采用VHX600超景深顯微鏡觀察截面形貌和特征。各特征帶高度通過檢測試樣的斷面和截面形貌綜合確定。為分析剪切加工硬化狀況，利用HVS-1000Z型自動轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計在試樣截面上沿剪切方向依次測量硬度，測試點間距為50 μm, 如圖3所示，加載載荷為10 g力，保荷時間為10 s, 測量結(jié)果均取5次測量的平均值。

圖3 硬度檢測點示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardness test points

2 剪切斷面形貌特征

2.1 斷面特征分析

圖4為超景深顯微鏡下觀測的不同層厚比的銅/鋁復(fù)合板材剪切斷面及截面圖。從整體看，復(fù)合板材的上下兩層都產(chǎn)生了塌角，斷面較為平整、垂直，隨著層厚比增大，上下兩側(cè)的塌角高度均增加，剪切斷面平整性變好，剪切帶與斷裂帶所在平面之間的剪切夾角逐漸減小,毛刺逐漸增大。由圖4的斷面形貌圖可看出，不同的層厚比時，銅/鋁復(fù)合板剪切斷面形貌有較大差異。層厚比為1∶9時，銅層只有剪切帶，而在層厚比為2∶8和3∶7時，銅層中出現(xiàn)了明顯的斷裂帶。而且，隨著層厚比增大，銅層的剪切帶和斷裂帶的高度都在增加，斷裂帶與剪切帶交線越趨明顯。對于鋁層，隨著層厚比增大，剪切帶高度在增加，斷裂帶高度在減小，剪切帶與斷裂帶交線逐漸變得不明顯，整個斷面逐漸變得光滑、平直。

圖4 不同層厚比的銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面形貌Fig.4 Section topography of different layer-thickness ratios

一般認(rèn)為剪切斷面剪切帶高度越大，塌角、斷裂帶、毛刺高度越小，則斷面質(zhì)量越好。為了評估不同層厚比的斷面質(zhì)量，統(tǒng)計了不同層厚比銅/鋁復(fù)合板材的剪切斷面各特征帶高度，如圖5所示。

圖5 剪切斷面特征帶高度變化圖Fig.5 Height variation diagram of shear section characteristic zone

由圖5可知，隨著層厚比的增加，銅層、鋁層塌角相對高度變化趨勢幾乎一致，即呈緩慢的增大趨勢，分別由層厚比1∶9時的11.93%、12.96%增加到層厚比3∶7時的16.05%、15.11%，銅層塌角相對高度的增加量略高于鋁層。銅層和鋁層的剪切帶相對高度也幾乎為線性增加，當(dāng)層厚比由1∶9增大到3∶7時，銅層由9.3%增大到21.8%，鋁層由35%增加到47.2%。復(fù)合層的斷裂帶變化較為特別，銅層斷裂帶增加趨勢較為緩慢，由0%增大到4.5%，而鋁層斷裂帶幾乎呈線性減小趨勢，由39.6%迅速減小到9%。鋁層毛刺高度增大趨勢較緩慢，由0%增大到2.4%。綜合比較而言，在剪切間隙為0.04 mm、剪切速度為28 mm/s的條件下，銅/鋁層厚比為3∶7時板材整體的剪切帶高度最大，斷裂帶高度最小，此時板材斷面質(zhì)量最好。

2.2 斷面微觀形貌分析

為了進(jìn)一步分析斷面的各個特征帶，利用掃描電鏡觀察各特征帶的微觀形貌，結(jié)果如圖6所示。其中圖6a1-c1分別為不同層厚比的整體斷面圖；圖6a2-c2、a3-c3、a4-c4、a5-c5分別為銅層剪切帶、銅/鋁界面、鋁層剪切帶、鋁層斷裂帶的局部放大圖。

圖6 不同層厚比的銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面微觀形貌Fig.6 Microstructure of shear section of Cu/Al composites with different layer-thickness ratios

從圖6a2-c2中可以看出，隨著層厚比的增加，銅層剪切帶表面變得越粗糙。層厚比為1∶9的銅層剪切帶表面縱向切削痕跡淺且少，層厚比為2∶8和3∶7的剪切帶表面切削痕跡深且多，特別是層厚比為3∶7的板材剪切帶表面較為粗糙，出現(xiàn)了較為明顯的階梯狀形貌。

Analysis on energy-saving transformation of air-conditioning system in a hotel in Qingdao

圖6a3-c3顯示不同層厚比的板材界面層均發(fā)生了不同程度的破損，破碎材料黏附在靠近界面層的鋁層一側(cè)。在層厚比3∶7時，界面層破損最為嚴(yán)重，靠近界面層鋁層一側(cè)出現(xiàn)了大量較深的橫向裂紋。

圖6a4-c4表明，與銅層剪切帶相比，鋁層剪切帶表面較為粗糙，縱向劃痕較為明顯，在層厚比較大時出現(xiàn)了非常明顯的橫向微裂紋，層厚比越大，橫向微裂紋越長和越深。整體而言，銅層占比越小，鋁層剪切帶表面更光滑，縱向劃痕和橫向裂紋均較淺。而層厚比為2∶8和3∶7的表面出現(xiàn)的劃痕和裂紋均較深較長，表面凹凸不平。

對比不同層厚比的鋁層斷裂帶放大圖(圖6a5-c5)可以看出，斷裂帶由大量大小不一的韌窩組成，大韌窩內(nèi)密集分布著大量小的卵形韌窩。層厚比為1∶9和2∶8復(fù)合材板材的鋁層斷裂帶由密集而細(xì)小的剪切韌窩和等軸韌窩構(gòu)成，而層厚比為3∶7復(fù)合材板材的鋁層斷裂帶由稀疏的剪切韌窩構(gòu)成。

3 剪切斷面的加工硬化

為研究剪切過程中各層材料的加工硬化情況，采用顯微維氏硬度計對復(fù)合板材端口處的硬度進(jìn)行測量，在Origin數(shù)據(jù)分析軟件中生成截面硬度云圖進(jìn)行分析，由于銅、鋁硬度值不相同，這里采用相對硬度值來處理數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，對于不同層厚比的復(fù)合板材，其硬度變化云圖有著較大的差異。當(dāng)銅層占比為1∶9時，沿剪切方向，材料邊緣加工硬化值出現(xiàn)一個波峰。而當(dāng)銅層占比為2∶8和3∶7時，材料邊緣加工硬化的值卻出現(xiàn)了兩個波峰。對比可知，隨著銅層占比的增加，材料的加工硬化程度及范圍都在增加，且最大硬度的位置逐漸下移，這與復(fù)合板材剪切斷面形貌特征相一致。

圖7 不同層厚比銅/鋁復(fù)合材料剪切斷面加工硬化云圖Fig.7 Work hardening clouds of shear section of Cu/Al composites with different layer-thickness ratios

為了進(jìn)一步分析不同層厚比下的加工硬化情況，提取截面邊緣沿剪切方向上的硬化值，如圖8所示。由圖8可知，對于鋁層，不同層厚比的沿剪切方向的硬度變化趨勢與單層板的情況一致，均呈先增大后減小趨勢，且最大硬度值出現(xiàn)在剪切帶與斷裂帶的交界處[13-14]，在層厚比為1∶9時鋁層的最大硬度值為35.3 HV，增大了35.8%；層厚比為2∶8時最大硬度值為37.1 HV，增大了42.7%；在層厚比為3∶7時最大硬度值為38.7 HV，增大了48.8%。

而銅層的變化趨勢卻不相同，當(dāng)層厚比為1∶9時，沿剪切方向的銅層最大硬度值為63.2 HV，增大了26.4%；層厚比為2∶8時，最大硬度值呈遞增的趨勢，最大硬度值為80.1 HV，增大了60.2%；當(dāng)層厚比為3∶7時，最大硬度值沿剪切方向呈先增大后減小的趨勢，最大硬度值為85.3 HV，增大了70.6%。

以上說明，隨著層厚比的增大，銅層和鋁層的最大硬度值都逐漸增大，即加工硬化越趨嚴(yán)重。

4 剪切力變化

為了研究不同層厚比復(fù)合板材剪切力的變化趨勢，利用Kistler 5073A三向力測試儀對剪切過程中的剪切力進(jìn)行了測量，其中Y方向力(板材側(cè)面正壓力)及Z方向力(板材所受的剪切力)的變化如圖9所示。

圖8 剪切邊緣硬度變化Fig.8 Hardness change of shear edge

由圖9可知，隨著銅/鋁層厚比的增大，Y、Z方向剪切力都呈增大趨勢，但垂直于板材表面的剪切力Fz要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刀具的側(cè)向壓力Fy。層厚比由1∶9增加到2∶8，F(xiàn)z由2 343 N增加到2 446 N，增加了4.4%，F(xiàn)y由595 N增加到638 N，增加7.2%；而層厚比增加到3∶7，F(xiàn)z增加到2 605 N，F(xiàn)y增加到686 N，相對于層厚比2∶8，F(xiàn)z和Fy分別增加了6.5%和7.5%。由此可知，隨著層厚比的逐漸增加，Z方向剪切力增加幅度變大，而Y方向剪切力幾乎呈線性增加。

圖9 銅/鋁復(fù)合板材剪切力Fig.9 Shear force of Cu/Al composite plates

5 分析和討論

文獻(xiàn)[15]的研究表明，剪切板材的塑性越好，則剪切時裂紋出現(xiàn)得越晚，剪切帶高度越大，剪切帶所占比例越大，塌角和毛刺也越大，斷裂帶越小。由于本課題中的T2紫銅的塑性及抗拉強(qiáng)度都大于1060鋁的，在界面層結(jié)合強(qiáng)度較好時，隨著銅層占比的增加，復(fù)合板材的塑性及抗拉強(qiáng)度都在增大，因此復(fù)合板材的塌角、剪切帶及毛刺在增加，斷裂帶在減小。

對于層厚比為1∶9的復(fù)合板材，塑性和抗拉強(qiáng)度相對較小，剪切時裂紋出現(xiàn)的較早，在還未達(dá)到銅層的抗拉強(qiáng)度之前就已經(jīng)發(fā)生了斷裂，因此銅層只有剪切帶。而對于層厚比為2∶8、3∶7的復(fù)合板材，整體塑性和抗拉強(qiáng)度較大，在剪切過程在發(fā)生塑性剪切的程度較大，裂紋出現(xiàn)的較晚，銅層所受應(yīng)力超過了銅的抗拉強(qiáng)度，因此銅層在剪切的過程中出現(xiàn)了裂紋，最后裂紋匯合產(chǎn)生了斷裂帶。對比圖6可知，隨著層厚比的增加，銅層剪切帶和鋁層剪切帶的表面越粗糙不平，結(jié)合圖9可知，層厚比越大，所受剪切力越大，在剪切過程中刀具側(cè)面對復(fù)合板材的擠壓更加明顯，而銅、鋁都是比較軟的金屬材料，其表面易產(chǎn)生刮痕，因此層厚比較大時，銅層、鋁層剪切帶表面更粗糙。

此外，由圖6a3-c3可知，隨著層厚比的增加，復(fù)合板材界面剪切破損更加嚴(yán)重，剪切時刀具表面會黏附更多的層間化合物，在剪切過程中對鋁層表面的刮擦程度更大，因此鋁層剪切帶表面會產(chǎn)生較多的微裂紋。

由圖6a5-c5知，層厚比不同，復(fù)合板材的剪切斷裂模式也有所差別。層厚比為1∶9、2∶8時，板材斷裂帶上的韌窩為剪切韌窩和等軸韌窩的混合型韌窩，說明此時復(fù)合板材的斷裂模式為剪切斷裂及微孔聚集型斷裂的混合型斷裂模式；而層厚比為3∶7時，復(fù)合板材斷裂帶上的韌窩為剪切韌窩，此時板材的斷裂模式為剪切斷裂模式。

金屬板材受到外力作用時，金屬內(nèi)部晶粒會發(fā)生位錯滑移變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時位錯相互纏結(jié)、交錯，從而造成板材的強(qiáng)度和硬度的提高，形成加工硬化[16]。銅/鋁復(fù)合板各層材料的物理性能不同，在剪切加工過程中晶粒變形程度不同，加工硬化程度也會不同。層厚比為1∶9時，鋁層塌角相對高度要大于銅層的(見圖5)，說明此時鋁層的變形程度要大于銅層的，因此鋁層沿剪切邊緣的最大硬度值的增加程度要大于銅層的(見圖8)。在層厚比為2∶8、3∶7時，鋁層塌角相對高度要小于銅層的(圖5)，此時鋁層的變形程度要小于銅層的，因此鋁層沿剪切邊緣的最大硬度值的增加程度要小于銅層的(圖8)。

另外，隨著銅層占比的增加，復(fù)合板材整體的變形程度增加，銅、鋁各層沿剪切邊緣的最大硬度也逐漸增加。在剪切過程中，材料受到外力作用時，發(fā)生彈塑性變形直至裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至斷裂，裂紋開始產(chǎn)生即說明剪切帶特征的終結(jié)、斷裂帶特征的開始。在剪切過程中，裂紋產(chǎn)生之前的晶粒一直在發(fā)生位錯滑移變形，在裂紋產(chǎn)生時位錯滑移量達(dá)到最大，因此裂紋產(chǎn)生時加工硬化程度最大，即加工硬化最大值發(fā)生在剪切帶與斷裂帶的交界處。層厚比為1∶9時，由于只有鋁層有斷裂帶，因此其硬度云圖只有一個波峰出現(xiàn)，波峰位置為鋁層剪切帶和斷裂帶的交匯處；而層厚比為2∶8、3∶7時，銅層和鋁層都有斷裂帶產(chǎn)生，故其硬度云圖有兩個波峰出現(xiàn)，波峰位置分別為銅層、鋁層剪切帶與斷裂帶的交匯處。

6 結(jié) 論

1)不同層厚比的銅/鋁復(fù)合板的剪切斷面特征有一定差異。當(dāng)銅層占比較小(銅層厚度∶鋁層厚度=1∶9)時，斷面形貌特征有銅層的塌角、剪切帶和鋁層的塌角、剪切帶、斷裂帶及毛刺。

2)隨著銅層占比的增加，復(fù)合板材的塌角、剪切帶和毛刺在增加，斷裂帶在減小，加工硬化程度及范圍也在增加，剪切力也在增大。

3)層厚比為1∶9、2∶8的復(fù)合板材斷裂模式為剪切斷裂及微孔聚集型斷裂的混合型斷裂模式；而層厚比為3∶7的復(fù)合板材斷裂模式為剪切斷裂模式。