高強(qiáng)鋼/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱沖壓-連接一體化工藝可行性及試樣彎曲性能研究

朱 彬 劉 旺 田 豐 劉 勇 張宜生

1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，4300742.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢，430074

0 引言

為減少汽車的燃油消耗以及增強(qiáng)電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，汽車輕量化迫在眉睫。一方面,汽車車身的質(zhì)量占整車質(zhì)量的40%以上，通過減小車身質(zhì)量可以更好地實(shí)現(xiàn)汽車輕量化[1-4]；另一方面，在減小汽車質(zhì)量的同時(shí)，也要考慮汽車的安全性(高強(qiáng)度和耐撞性)。為同時(shí)達(dá)到輕量化和高耐撞性的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)件需采用具有高比強(qiáng)度和高能量吸收能力的先進(jìn)輕質(zhì)材料進(jìn)行整體或局部增強(qiáng)[5]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種新型輕質(zhì)材料，具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、比模量高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和便于整體成形等特點(diǎn)，這些優(yōu)異的性能可使材料在減小質(zhì)量的同時(shí)最大限度地提高承載能力和吸能性能[6-8]。但是CFRP具有成本高、加工困難、制造周期長等缺點(diǎn)[9],難以單獨(dú)制作成零件，實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。使用熱沖壓高強(qiáng)鋼制造的汽車零部件具有超高的強(qiáng)度，但不能有效吸收碰撞過程中的能量[10]。而汽車零部件中的部分產(chǎn)品使用高強(qiáng)鋼/碳纖維復(fù)合材料復(fù)合的多材料部件可利用整體系統(tǒng)中鋼的高強(qiáng)度維護(hù)司乘安全，利用CFRP層減小系統(tǒng)質(zhì)量和增強(qiáng)系統(tǒng)吸能性能[11]。

碳纖維復(fù)合材料通常是以成束的單向碳纖維或者平面機(jī)織碳纖維作為增強(qiáng)體，浸潤在熱固性或熱塑性樹脂基體中制得的。環(huán)氧樹脂是分子中包含兩個(gè)或者兩個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物，它的主要成分是氨基樹脂、酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂等[12]。環(huán)氧樹脂與碳纖維或鋼板之間界面形成的過程可以分為兩個(gè)步驟：①碳纖維和鋼板在樹脂基體中接觸和浸潤；②樹脂基體在合適的溫度下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)(固化)，將鋼板和碳纖維結(jié)合成一個(gè)整體[13]。

傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼/CFRP多材料零件制造工藝主要通過膠粘[14]或者機(jī)械自鎖實(shí)現(xiàn)。使用黏結(jié)劑使得材料形成多材料零件的工藝，需首先分別制造鋼零件與CRPP零件，然后再使用黏結(jié)劑進(jìn)行黏結(jié)。該工藝需要兩種部件在單獨(dú)的工藝中制造，既不能保證兩個(gè)零件的尺寸精度要求，也很難保證配合關(guān)系，同時(shí)工藝路線復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[15-16]。機(jī)械連接主要是通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件將兩個(gè)或多個(gè)零部件連接在一起[17]，該工藝需要對(duì)材料進(jìn)行穿孔，其機(jī)械性能受到的影響因素很多，如幾何特征、模具壓力、夾緊力、熱處理程度、零件材料等，并且穿孔處容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生缺陷。另外機(jī)械連接增加了整體零件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且材料密封性差[18]。因此本文采用熱沖壓工藝對(duì)高強(qiáng)鋼和CFRP預(yù)浸料進(jìn)行連接并成形的工藝方法，該方法利用高強(qiáng)鋼模具淬火后的余熱對(duì)預(yù)浸料中的樹脂進(jìn)行加熱，并使用沖壓方法進(jìn)行高強(qiáng)鋼與CFRP預(yù)浸料的連接與成形。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)中使用的鋼材為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱成形高強(qiáng)鋼板22MnB5，板料厚度為1.5 mm。使用直讀光譜儀(PDA-1000)測(cè)得鋼板的主要成分如表1所示。采用的CFRP材料為威海光威復(fù)合材料股份有限公司生產(chǎn)的單向環(huán)氧樹脂基碳纖維預(yù)浸料，供應(yīng)商提供的碳纖維原絲力學(xué)性能和預(yù)浸料參數(shù)分別如表2和表3所示。

表1 試驗(yàn)用鋼板的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 碳纖維原絲性能參數(shù)

表3 碳纖維預(yù)浸料材料參數(shù)

試驗(yàn)使用的伺服壓力機(jī)及模具如圖1所示，壓力機(jī)的保壓壓力和保壓時(shí)間可調(diào)整。圖中模具為分塊模具，左側(cè)模具安裝加熱棒，模具最高可加熱到400 ℃，右側(cè)為冷模。

圖1 壓力機(jī)和模具及其加熱系統(tǒng)Fig.1 Servo press and tools with heating system

1.2 多材料試樣制備

本文提出的使用熱沖壓工藝制備高強(qiáng)鋼/CFRP多材料零件的加工工藝方法如下文所示，其中鋼板和CFRP溫度變化如圖2所示。

(1)用120號(hào)砂紙打磨鋼材表面，直到鋼材表面出現(xiàn)明顯紋路，以此增大鋼材表面粗糙度和鋼材表面與CFRP預(yù)浸料的接觸面積[11]，同時(shí)除掉一些雜質(zhì)。

圖2 高強(qiáng)鋼板和CFRP溫度變化圖Fig.2 Temperature history of high-strength steeland CFRP

(2)將打磨后的鋼材試樣放入箱式加熱爐中加熱至930 ℃，保溫3 min，使其奧氏體化。

(3)將加熱好的試樣迅速轉(zhuǎn)移至平模熱模部分，壓力機(jī)下行進(jìn)行淬火和保壓，保壓時(shí)間為20 s。為驗(yàn)證淬火溫度即預(yù)浸料預(yù)熱溫度對(duì)彎曲性能的影響，選取上下模溫度分別為190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)淬火保壓完畢后，伺服壓力機(jī)上行，迅速鋪設(shè)合適尺寸的CFRP預(yù)浸料，移動(dòng)到冷模進(jìn)行二次沖壓，保壓時(shí)間為30 s。二次沖壓的目的是為了將CFRP預(yù)浸料與鋼板表面緊密結(jié)合并成形，形成整體的高強(qiáng)鋼/CFRP板料。試驗(yàn)使用單向碳纖維材料，鋪設(shè)層數(shù)分別為2層和4層，鋪設(shè)方向?yàn)閇0°，90°]交叉鋪設(shè)，0°表示碳纖維方向與鋼板軋制方向平行。

(5)將制備好的高強(qiáng)鋼/CFRP復(fù)合板置于熱風(fēng)爐中固化，固化溫度為180 ℃，時(shí)間為60 min。

1.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是檢測(cè)汽車零件抗彎性能以及吸能性能的主要方法。在三點(diǎn)彎曲試樣中，試樣的受力非常復(fù)雜，主要為壓縮、拉伸、剪切、彎曲四種模式[19]。根據(jù)金屬材料彎曲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T232—2010規(guī)定，支輥間距離計(jì)算如下：

l=(d+3a)±0.5a

式中，a為試樣厚度或直徑，a=1.5 mm；d為彎曲壓頭直徑，d=23.5 mm；l為跨距，計(jì)算可得l=23.5 mm。

使用Zwick/Roell Z020型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP的多材料復(fù)合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖3所示。試樣總長為180 mm，寬度為10 mm。試驗(yàn)中碳纖維材料主要受到拉應(yīng)力，因此碳纖維層朝下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)壓頭位移速度為4 mm/min。

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.3 Three-point bending test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火保壓時(shí)間對(duì)試樣的影響

圖4所示是不同淬火溫度條件下制備的多材料試件。當(dāng)上下模溫度為190 ℃時(shí)(圖4a)，CFRP與鋼板之間結(jié)合不完全，說明在該溫度下，預(yù)浸料中的環(huán)氧樹脂流動(dòng)性較差，導(dǎo)致黏結(jié)效果差，發(fā)生開裂。當(dāng)上下模溫度為220℃時(shí)(圖4d)，制備出的高強(qiáng)鋼/CFRP多材料試樣表面的CFRP發(fā)生破壞，這是由于溫度過高造成CFRP層失效。其余溫度下上下模試樣黏結(jié)良好(圖4b和圖4c)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的組織，結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)中上下模溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度，因此材料試樣中鋼板為全馬氏體組織。這與DEMES等[20]研究中得出熱沖壓過程在高溫下中斷，金屬板的最終力學(xué)性能不會(huì)受到影響的結(jié)論一致。說明本文所提出的工藝方法具有合理性，熱沖壓工藝實(shí)現(xiàn)連接的過程不會(huì)影響鋼板的性能。

(a)θ=190 ℃ (b)θ=200 ℃

(c)θ=210 ℃ (d)θ=220 ℃圖4 不同結(jié)合溫度下高強(qiáng)鋼/CFRP多材料復(fù)合板制備情況Fig.4 High-strength steel/CFRP multi-materialcomposite sheet under different bonding temperatures

圖5 多材料復(fù)合板中高強(qiáng)鋼板的SEM顯微組織Fig.5 SEM image of steel in high-strengthsteel/CFRP sheet

2.2 CFRP層數(shù)不同的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表4所示是鋪設(shè)不同層數(shù)CFRP的多材料復(fù)合件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，圖6為相應(yīng)的載荷-位移曲線圖。由圖6可知，在施加載荷初期，三組試樣的載荷-位移均成線性關(guān)系[21]。沒有鋪設(shè)CFRP的試樣，當(dāng)載荷達(dá)到750 N，位移為1.31 mm時(shí)，載荷-位移曲線開始彎曲。鋪設(shè)2層CFRP的試樣與鋪設(shè)4層CFRP的試樣變化基本一致，當(dāng)載荷達(dá)到900 N，位移為1.62 mm時(shí)，載荷-位移曲線開始彎曲。由表4及圖6可知，未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP和鋪設(shè)4層CFRP的試樣最大載荷分別為1085 N、1136 N和1184 N。相對(duì)于未鋪設(shè)CFRP試樣的試樣，鋪設(shè)2層的CFRP試樣和鋪設(shè)4層的CFRP試樣最大載荷分別增大4.7%和9.12%。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層的CFRP試樣和鋪設(shè)4層的CFRP試樣最大位移分別為2.9 mm、3.3 mm和3.7 mm。相比未鋪設(shè)CFRP的鋼板，鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣最大位移分別增大了13.79%和27.58%。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP的粘貼層數(shù)大于2時(shí)，試件的抗彎能力增大不明顯，但可以增大斷裂破壞時(shí)的最大位移。

表4 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves with differentlayers of CFRP

另外對(duì)圖6中三種情況下的力-位移曲線進(jìn)行積分，所得曲線與橫軸圍成的面積為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下材料吸收的能量[22],結(jié)果如表4所示。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣的能量吸收量分別為9410 J、9692 J和10 050 J。試驗(yàn)表明，鋪設(shè)2層CFRP的試樣和鋪設(shè)4層CFRP的試樣相比于未鋪設(shè)CFRP的試樣，能量吸收量分別增大2.9%和6.8%。試驗(yàn)結(jié)果說明，使用CFRP材料可以增強(qiáng)整體系統(tǒng)的能量吸收能力。

圖7是三組試樣三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)彎曲角的對(duì)比圖。圖7a中從下到上分別為未鋪設(shè)CFRP、鋪設(shè)2層CFRP和鋪設(shè)4層CFRP的試樣。未鋪設(shè)CFRP試樣、鋪設(shè)2層CFRP試樣和鋪設(shè)4層CFRP試樣的彎曲角度分別為130°、110°和104°。隨著CFRP鋪設(shè)層數(shù)的增加，彎曲角明顯減小。鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP相比于未鋪設(shè)CFRP的鋼板，彎曲角分別減小15.38%和20.00%。彎曲角越小，表示變形區(qū)域越小，彎曲強(qiáng)度越大，說明CFRP能夠有效增強(qiáng)整體系統(tǒng)的彎曲力學(xué)性能。

(a)實(shí)物圖

(b)彎曲情況圖7 不同CFRP鋪設(shè)層數(shù)的彎曲情況Fig.7 Bending of the samples with differentlayers of CFRP

3 展望與結(jié)論

汽車輕量化是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，使用輕質(zhì)材料制造汽車零件實(shí)現(xiàn)減重仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來研究主要在于使用本文所提出的工藝，利用CFRP等輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)汽車零件的整體或局部的增強(qiáng)。由于淬火后鋼板的強(qiáng)度增大，故目前本文提出的工藝僅適合成形比較簡單的零件，如制造更復(fù)雜的零件,需要進(jìn)一步改善工藝。但通過本文研究，仍可得到以下結(jié)論：

(1)在190～220 ℃范圍內(nèi)改變高強(qiáng)鋼熱沖壓的模具溫度，可控制淬火溫度和兩種材料黏結(jié)時(shí)的溫度，最終淬火鋼板為全馬氏體組織,表明利用熱沖壓工藝實(shí)現(xiàn)鋼板與CFRP材料連接工藝是可行的，不會(huì)降低或者大幅降低鋼板的強(qiáng)度。

(2)增加CFRP層數(shù)，對(duì)高強(qiáng)鋼/CFRP的多材料系統(tǒng)最大抗彎能力影響不大，但隨著CFRP層數(shù)的增加，增大了整體系統(tǒng)斷裂破壞時(shí)的最大位移。

(3)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，鋪設(shè)2層CFRP和4層CFRP相比于未鋪設(shè)CFRP的鋼板，彎曲角分別減小15.38%和20.00%，能量吸收性能分別提高2.9%和6.8%，說明鋪設(shè)CFRP對(duì)整體系統(tǒng)的彎曲性能和吸能性能有較高的提升。