（航空宇航制造工程专业论文）纤维金属层板（fmls）基本力学性能试验研究.pdf

摘要纤维金属层板( f m l s ) 是一种由金属薄板和纤维材料交替铺层后，在一定温度和压力下固化而成的一种层间混杂复合材料。f m l s 综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，克服了单一复合材料和金属材料的不足，不但有高的比强度和比刚度，还具有金属材料的韧性和可加工性，而优良的疲劳性能和损伤容限性能是f m l s 的最主要的特点。f m l s 在国外已得到成功应用，但我国对f m l s 的研究目前几乎还是一个空白。针对g l a r e 层板的基本成形性进行了试验研究。通过g l a r e 层板的拉伸、弯曲试验，得到g l a r e 层板的基本成形参数与性能；通过拉伸试验测得了四种层板的性能参数；通过对应力一应变曲线分析，发现这四种材料没有明显的屈服现象，纤维的不同方向，影响着层板的强度和模量；通过对拉伸试件破坏形式分析，分析了四种层板拉伸破坏的原因。通过弯曲实验研究了四种层板的弯曲半径和回弹角，研究了温度对最小弯曲半径和回弹角的影响。对热塑性纤维金属层板a 1 t w i n t e x 和a i c u r v 的铆接性能，进行试验研究，得到纤维金属层板的铆接工艺参数。试验研究表明，冲压速度、润滑剂、压边力对a 1 t w i n t e x 和a 1 c u r v 这两种热塑性纤维金属层板的冲压成形有一定的影响。但主要影响因数还是温度。适当的提高温度可以使得a 1 t w i n t e x 层板冲压成形性能得以提高，温度在8 0 1 2 0 之间比较合适。温度对于a i c u r v 层板的影响不明显。本文研究方法和研究成果为f m l s 材料的进一步研究奠定了基础，对这种新材料的应用具有指导意义。关键词：f m l s ，基本性能试验，铆接性能，冲压a b s t r a c tu n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，f i b e rm e t a ll a m i n a t e sa r es o l i d i f i e db yu s i n gm e t a ls h e e ta n df i b e rl a y e ra l t e r n a t e l y f m l s ( f i b e rm e t a ll a m i n a t e s ) e x h i b i tam i x t u r eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o t l lm e t a l sa n dc o m p o s i t em a t e r i a l s ta n do v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fb o t hm e t a l sa n dc o m p o s i t em a t e r i a l s ；t h ef m l s n o to n l yh a v et h eh i i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds p e c i f i cr i g i d ，b u ta l s oh a v eg o o dt o u g h n e s sa n dm a c h i n i n g 嬲t h em e t a l sh a v e e s p e c i a l l y t h em o s ta d v a n t a g eo ff m l si st h a ti th a se x c e l l e n tf a t i g u ea n di m p a c t a l t h o u 曲f m l sh a v eb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yo u to fo u rc o u n t r y , f e wp e o p l eh a v es t u d i e dt h ef m l si no u rc o u n t r y t h eb a s i cf o r m i n gp r o p e r t yo fg l a r eh a v eb e e ns t u d i e d t h ep a r a m e t e ra b o u tf o r m i n ga n dp r o p e r t yo fg l a r ew e r eg o tb yd r a w i n ge x p e r i m e n t ，b e n d i n ge x p e r i m e n ta n df a t i g u ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ef o u rd i f f e r e n tl a m i n a t e sw a so b t a i n e dt h r o u g hd r a w i n gt e s t t h ea n a l y s i so fs t r e s s s t r a i nc u r v ei n d i c a t e d ，t h a tt h e s ef o u rk i n do fm a t e r i a l sd on o th a v eo b v i o u sy i e l dp h e n o m e n o n ，t h a td i f f e r e n tf i b e rd i r e c t i o na f f e c t st h ei n t e n s i t ya n dt h em o d u l eo fl a m i n a t e s t h er e a s o no ft e n s i o nf a i l u r ew a so b t a i n e df r o mt h ea n a l y s i so fd e s t r u c t i o nf o r mo f t h et e s ts a m p l e t h eb e n dr a d i u sa n dr e b o u n da n g l eo f t h ef o u rl a m i n a t e s ，a n dh o wt h e ya r ea f f e c t e db yt e m p e r a t u r ew a sg o tb yb e n d i n ge x p e r i m e n t r i v e t i n gp r o p e r t yo ft h e r m o p l a s t i cf i b e rm e t a lp l y w o o da 1 t w i n t e xa n dt h ea 1 一c u r vw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t ，t h er i v e t i n gp r o c e s sp a r a m e t e rw a sg o t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi n d i c a t e dt h a t ，t h ed a m p i n gs p e e d ，t h el u b r i c a n t ，t h ep r e s s u r e ，t h es t r e n g t hh a st h ec e r t a i ni n f l u e n c et oa i t w i n t e xa n dt h ea i c n r vo f t h e s et w ok i n d so ft h e r m o p l a s t i cf i b e rm e t a l p l y w o o dd a m p i n gf o r m i n g e n h a n c e so fd a m p i n gt e m p e r a t u r et oc a u s et h ea i t w i n t e xt oe n h a n c e t h et e m p e r a t u r eb e t w e e n8 0 - - 1 2 0 0i sq u i t ea p p r i a t e t h et e m p e r a t u r ei sn o tm u c ho b v i o u sr e g a r d i n ga 1 一c u r v t h em e t h o d sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e rw a sh e l p f u li ns t u d y i n gt h ef o r m i n go ft h e s ek i n g so f f m l si ne x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f m l s ，e x p e r i m e n to f b a s i cp r o p e r t y ，r i v e t i n gp r o p e r t y ，d a m p i n g西北工业大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：叼年牛月z 日指导教师签名：d 栅7 年中月日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢昀地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名衍中月z 日f西北工业大学硕士学位论文第一章绪论1 1 文献综述第一章绪论近几十年来，随着航空航天工业的迅猛发展，新型材料的研制与应用也就变得越来越迫切了。一个国家新材料的研制与应用水平，在很大程度上体现了一个国家的国防和科研水平，因此许多国家都把新材料的研制与应用放在科研工作的首要地位。在已研究的大量新型材料中，各种先进复合材料占相当大的比例，它们的应用己不仅仅只局限于航空航天领域，目前在许多民用领域也已被广泛采用。复合材料是由两种或者两种以上性质不同而互补的材料组成，并被赋予新特性的结构材料。它具有比组成材料更优越的组合性能。在复合材料中，所有组成材料相互依赖，处于不可分割的状态，同时发挥着各自的作用。复合材料在国民经济中己发挥出重大作用，发达国家一直将其列为战略材料，列入为数有限的国防重点项目。本文所要研究的纤维金属层板( f i b r em e t a ll a m i n a t e s ，f m l s ) 是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的一种层间混杂复合材料| l 】。f m l s 综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，克服了单一复合材料和金属材料的不足，不但有高的比强度和比刚度，还具有金属材料的韧性和可加工性 2 1 ，而优良的疲劳性能和损伤容限性能是f m l s 的最主要的特点【3 4 1 。对于复合材料来讲，其按照用途可以分为结构复合材料和功能复合材料。目前结构复合材料占有绝大多数，功能复合材料有广阔的前途。在结构复合材料中，按照不同基体分类可分为：聚合物基体复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料、水泥基复合材料。在聚合物基体复合材料中又可以分为：热固性树脂、热塑性树脂、橡胶基三大类嘲。我们这里所研究的f m l s 材料就属于聚合物基复合材料。根据基体的不同，在f m l s 中所选用的树脂基主要有热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂具有较高的强度和刚度以及优异的超高温性能，f m l s 一般选用热固性树脂为基体。热固性树脂f m l s 主要用于航空航天领域，如早期的f 2 7 机翼下壁板及c 1 7 的舱门采用纺轮纤维金属层板a r a l l ，1 9 9 0 年波音7 7 7 的舱门内地西北工业大学硕士学位论文第一章绪论板开始采用玻璃纤维金属层板g l a i 也制造，包括目前最大的民机a 3 8 0 的机身上壁板已采用g l a r e 匍 造的。热塑性复合材料具有高韧性，适于快速自动化成型、可以加工和回收等传统热固性复合材料不可比拟的优点，已成为复合材料一个重要的发展方向。f m l s 和传统的复合材料在小批量生产的航空航天领域的应用取得了巨大成功。作为复合材料三大市场之一的工业领域，其中最活跃的汽车工业从热固性f m l s 材料在航空航天领域的成功应用中得到一定的启发：f m l s 材料具有高比强度和比刚度，以及显示出的优异减振降噪性能和非常突出的抗冲击性能，使其能够满足汽车工业的发展趋势一结构减重以降低能耗，安全性及舒适性提高及成本降低，因此计划用f m l s 代替汽车的金属覆盖件。其中热塑性复合材料具有较好的韧性，成形性好，可以采用冲压成形工艺，并能够回收利用，可用于大批量产品的制造。应用前景非常广阱”“。1 2 研究意义f m l s 己在国外得到成功应用，并取得巨大技术经济效益，但目前在我国的研究还是一个空白。热固性纤维金属层板，在国外已成功运用航天航空产品的制造。在国内对其研究还处于起步阶段。国内热塑性纤维金属层板的研究还是空白。因此对这两种热固性与热塑性纤维金属层板的研究极具意义。对热固性纤维金属层板的基本性能的研究，可为其成功运用于国内航天航空产业，提供很好的理论与技术支持。热塑性f m l s 材料，可以为其在大批量产品制造中，特别是汽车制造业中的广泛应用提供一种高效低成本制造方法，从而为f m l s 这一先进材料在大批量产品制造过程中的广泛应用提供技术基础，对降低汽车能耗，提高汽车安全性及舒适性有重要作用，对促进我国汽车产业发展有重要意义。1 3 研究背景本文以纤维金属层板f m l s 材料为对象，研究此类材料的成形性能及成形工艺，为f m l s 在我国航空航天领域的运用提供技术基础。西北工业大学硕士学位论文第一章绪论1 4 研究现状1 4 1 国外研究现状对于热固性纤维金属层板的应用研究，国外开始得比较早，到目前为止已经比较成熟。其在航空航天上的成功应用，表明热固性纤维金属层板适合于进行小批量生产，并且其制造方法以及工艺已经比较成熟。但是作为复合材料主要的应用领域之一的汽车工业对复合材料提出了高效低成本制造方法的要求。基于以上原因，到目前为止各大主要的汽车生产商希望能够将热塑性f m l s 层板成功地应用到汽车上面，以达到减轻结构重量改善汽车性能的目的。对于热塑性复合材料层板( f m l s ) 的研究，在国外也是最近才开始。作为材料主要成形工艺的冲压成形工艺，到目前为止利用f m l s 进行研究所公开发表的论文很少。在这方面已进行的研究工作主要有：c h e n t l 2 1 等人研究了温度、成形速度、以及边界条件对纤维热塑性复合材料变形的影响，研究结果表明温度变化对于材料成型的影响最大。f r i e d r i e 等人研究了带曲率的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结构件的冲压成形，通过二维半管零件的成形对成形温度、成形速度及模具尺寸等工艺条件进行了研究，一般3 - - 4 分钟就可以完成一个零件的制造，并在最后又研究了三维零件的成形。n o w a c k i l l 3 】等人研究了纤维增强热塑性塑料的拉深工艺，研究结果表明研究结果表明：模具的几何尺寸、冲模圆角和拉深系数等都会影响材料的成形。目前，对于热塑性f m l s 的冲压成形研究成果还无法直接进行应用。澳大利亚国立大学c a r d e w - h a l l i “15 j 等对热塑性f m l s 材料的制造工艺、机械性能、冲击性能和基本的成形性进行了一定的研究，采用a 1 t w i n t e x和a i c u r v 两种热塑性f m l s 进行研究，发现在进行冲压时，温度、成形的速度、压边力等对成形有很大的影响，并且认为a 1 1 n t e x 和a i c u r v 这两种热塑性f m l s 比较适合于汽车等大批量产品的制造。1 4 2 国内研究现状到目前为止，我国仅对于热固性f m l s 进行了初步的研究，对于热塑性f m l s的系统研究还属于空白。在热固性f m l s 的研究中，也仅对芳纶纤维金属层压板a r a l l 进行了研究试用，而对于玻璃纤维层压板g l a r e 的研究到目前为止研究的内容也很少。西安飞机工业公司黄侠等曾对a r a l l 在飞机结构上的应用进行了一定西北工业大学硕士学位论文第一章绪论研究。对于热塑性f m l s 的研究国内进行得较少，鲜见针对研究此类材料所公开发表的论文。到目前为止，曹增强作为访问学者在澳大利亚国立大学工程系进行访问期间曾对复合材料夹层板进行了初步的研究，并且参与澳方的f m l s 研究课题，对汽车用热塑性f m l s 及其铆接工艺进行了初步的研究。所以，进行热塑性f m l s 材料的研究在国内也属于新的课题。1 5 本文研究内容及方法通过对国内外研究现状的分析，我们可以看到：国外热固性纤维金属材料已经成功运用于航天航空产业，并已产生很大的经济效益。如早期的f 2 7 机翼下壁板及c 1 7 的舱门采用纺轮纤维金属层板a r a l l ，1 9 9 0 年波音7 7 7 的舱门内地板开始采用玻璃纤维金属层板g l a r e 制造，包括目前最大的民机a 3 8 0 的机身上壁板已采用g l a r e 制造的。热塑性f m l s 材料在国外也是新近才开始的课题，针对此类材料所公开发表的论文很少，属于一个比较新的研究方向；在国内对此类材料的研究也鲜见有相关文章发表，同样属于一个新的研究课题。以北京航空材料研究院研制的国产热固性纤维金属层板g l a r e 为研究对象，本文所作的主要工作包括：通过基本的力学性能试验及相关成形性评估试验，完成对g l a r e 层板的成形性评估。本文所采用的具体研究方法如下：首先进行g l a r e 层板的成形性能研究，通过基本的单向拉伸试验完成对材料的机械性能测试，通过典型的弯曲试验以对其成形性作进一步的研究，通过g l a r e 材料的偏轴拉伸试验，得到不同纤维铺层方向的力学性能与规律。对于热塑性纤维金属层板以澳大利亚国立大学为f o r d 汽车公司新近开发出来的两种热塑性f m l s 材料：a i t w i n t e x 和a l c u r v 为对象。对其两种材料的铆接性能与冲压性能进行试验研究。得到其铆接的工艺参数与冲压的成形规律。4西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性第二章试验材料及板料成形性2 1 纤维金属层板及其成型方法介绍2 1 1f m l s 材料介绍众所周知，已经得到广泛应用的各种金属、塑料、陶瓷等材料各有其独特的功能特点，但也有其不足之处。但是如果将两种或者多种材料复合为一体，将可能获得单一种类材料无法比拟的具有优异综合性能的复合材料。因此金属和聚合物夹层复合材料的研制与应用越来越受到人们的关注，并成为材料工程领域的一个重要研究课题。f m l s ( 纤维金属层板) 是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺设后，在一定温度和压力下固化而成的一种层间混杂复合材料。其常见形式通常在两层平板间，抑或者在一些具有一定形状轮廓的两板材中间加入聚合物夹层，其大体结构如图2 1 所示：图2 - 1 纤维金属层板结构图目前研究与应用中表面金属材料主要采用钢、铝及铝合金薄板材。中间常见的夹层物为：1 ) 实心体，如玻璃纤维增强塑料，聚乙烯p e 和聚丙烯p p 等热塑性材料；2 ) 泡沫体，如聚苯乙烯p s 、聚氨酯p u 和聚氯乙烯p v c 等泡沫；3 ) 蜂窝体，如聚酰胺纤维、玻纤酚醛等蜂窝体叫1 。纤维金属层板的性能决定了它的研制与具体的应用价值。针对不同的纤维金属层板，有时是利用这种层板的某一方面5西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性的优异性能，而有时则可以达到多种使用目的。纤维金属材料有以下特点：一、减轻重量目前很多国家对于汽车的能源消耗、废气排放和噪音等实行了立法限制。这就使得汽车制造业尤其是小轿车制造厂家不断地研制和应用新型结构与功能材料，由于轿车自重远大于载荷，因此轿车自重的减轻尤其重要。按照现在轿车的重量计，轿车的重量每减轻1 0 ，那么燃油消耗可以降低8 - 1 0 。美国要求截至到2 0 0 3 年，每升油的行驶里程要从原先平均的1 2 k m 提高到3 5 k m ，要达到这个目标，其中很大一部分是要靠轿车本身的轻量化来得以解决的。为了减轻轿车自重，除了采用高强度钢板以减小板厚外，采用低密度材料制造车身是轿车轻量化的一个重要发展方向。日本、荷兰、德国等正在研制和试用在两平板间加入聚合物的纤维金属层板及由其加工成型的各种车身零件。日本所采用的是o 2 m m 或o 2 3 厚的钢板和0 4 m m 或o 3 4 m m 厚的尼龙和p p 塑料。荷兰采用的是0 2 r m n 厚的铝合金板和o 4 m m 厚的p p 塑料。p p 的密度约为0 9 9 c m ，尼龙的密度也明显小于钢和铝材的密度。与同样厚度的钢板相比，采用这种层板可减重6 5 ，与同样的铝板相比，可减重3 0 。二、隔热保温塑料是热的绝缘体，其热导率低，大大低于金属材料的热导率。因此，纤维金属层板在垂直于金属板面方向上具有优良的隔热保温性能。三、消音、吸震由于塑料分子结构引起应力和应变的滞后特性，使塑料表现出较高的阻尼能力，因此塑料是性能优良的消音、减震材料。在振动期间、粘弹性塑料层的变形能将转变为热而引起减震作用。如果粘弹性塑料层承受剪切变形，其阻尼特性将大大增强。在振动期间，中问的粘弹性层主要承受两种金属板间的剪应力。因此，纤维金属层板及其制件将表现出优良的吸震减震特性和优良的隔音性能。四、力学性能一般来讲，对于均匀的板料，其拉伸和弯曲弹性模量是相同的。而对于纤维金属层板来说，其拉伸时的弹性模量符合复合材料的迭加准则：e r = e ，+ e ( 1 一)而弯曲模量为：e 口= e ，ll 一( 1 一) 3i + e 。( 1 一) 3式中，e 弹性模量，v 体积百分率，f 表面金属材料，c 中间塑料材料。至于纤维金属层板的断裂延伸率，当中间塑料材料为塑性较好的p p 、p e 时，其延伸率比钢板材料要高。当中间塑料为塑性较差的尼龙等时，在o 3 0 范围内拉伸时，尼龙先断，延伸率低；而在0 c 以上拉仲时，钢板先断裂，延伸率有所西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性提高。五、刚性尽管塑料材料比起金属材料的密度要低很多，但是塑料的弹性模量普遍低于金属的弹性模量。经过研究，由金属板和塑料制成的纤维金属层板，其刚性较之单纯金属板来讲，得到了很大的提高。六、应力状态纤维金属层板主要用来制作各种结构件，因此还需要分析它在载荷作用下的应力状态和使用过程中的失效形式，这样才能设计制造出特定载荷作用下具有一定功能特点的纤维金属层板及其结构件。一般情况下，纤维金属层板构件需与其他构件连接起来，它所承受的主要载荷有两种：1 ) 弯曲载荷；2 ) 沿板面的拉伸或压缩载荷。这些载荷可能是安装过程或者使用过程中所引起的，也可能是由于金属和塑料的热膨胀系数差异过大由温度变化而引起的。纤维金属层板中表面金属层和中间夹层的主要作用是：1 ) 金属层必须足以满足承受载荷引起的拉应力、压应力和面内剪切应力；2 ) 若上下金属层薄，几乎不能承受剪应力，中心夹层必须足以承受载荷引起的两金属层间的剪应力。2 1 2 纤维金属层板成型的基本原理目前，纤维金属层板及其构件成型的方法主要有以下三种：一、先分别成型加工金属与塑料件，再经表面处理后用粘结剂将其粘结为纤维金属层板；二、先成型加工金属件，再将其放入塑料模中进行塑料成型，并与金属件连接成一体；三、先将金属板与塑料板粘结成复合层板，再进行冲压加工成结构零件，目前，在日本、荷兰着重从这方面着手准备研究。此外，中南大学曾经提出一种新的方法：将两块经过表面处理的金属板料放在复合成型模具内，并通过注塑机的合模系统闭合模具、将金属板边缘压紧，并锁紧模具，然后通过注塑机注射螺杆将已塑化的塑料熔体经模具中心浇口注入后，由于注塑机注射压力的作用，塑料熔体将迫使金属板料变形，随着塑料熔体的不断注入，金属板料的变形不断增大，直至注塑机注塑压力达到设定值为止，随后在注塑机保压压力作用下，塑料熔体冷却凝固成型，并与金属板料粘结构成金属与塑料的夹层复合件【1 6 】。在这几种成型方法中，第一种方法的缺点较多，尤其是形状复杂的结合面的完全粘结对金属与塑料件的尺寸精度和形位公差提出了严格的要求。第二种成型方法的缺点是工序比较多。中南大学所提出的成型方法同时也存在诸多的困难，比如：塑料与金属板料间的界面结合强度及其传递应力的能力提高与改善，同时7西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性在塑料注入的时候，成型过程的控制等都存在着比较大的困难。对于第三种成型方法所制造的复合夹层板，它的成型过程尽管到目前的研究中也发现了一些问题，但是总体比较起来，其成型及后继加工相比其他方式而言要方便一些。本文所研究的层板就属于采用第三种成型方法成型出的纤维金属层板，研究内容就是研究其成形性及冲压工掣1 7 1 。2 1 3f m l s 的制造与加工将铝合金薄板和纤维增强胶粘剂预浸料交替铺层粘接在一起，放在压力罐中固化即可制成f m l s 。在粘接、铺层前，铝合金表面要进行预处理，以改善预浸料和铝金属的粘接效果。预处理包括下列几步：碱脱脂，在硫酸铬溶液中浸渍，铬酸阳极化，再用b r - 1 2 7 ( 改性环氧酚醛) 打底。这种预处理符合铝合金粘接前的a s t md 一3 9 3 3 8 0 标准。这种胶粘预浸料可由纤维织物的两面涂上胶粘膜制成。这种预浸料大约厚o 2 m m ，纤维体积含量( v f ) 约为5 0 。层板厚度取决于铺层结构。2 l 铺层( 两层金属层预浸料) 约厚o 8 m m 。铺层数越多，层合板的厚度就越厚。层合板铺叠好后，要放在压力罐中固化。固化压力0 6 m p a 周化时间1 小时。与非金属纤维复合材料的加工方法相比，f m l s 的主要优点是它能像常规航天用铝合金薄板那样进行处理和加工，它在常规车间里就可进行车、切、铣、锯和钻。不过在这种层合板上钻孑l 时要加帖面，以防孔周围脱层；切削f m l s 时则要求有锋利的切削刀，不然就有可能从胶粘层中拉出纤维。另外刀具不快，也可能增加热量，导致脱层。由于纤维的破坏应力要比铝合金低，因此在纤维方向粘接f m l s 要特别注意，以防高剪切应力导致其脱层。f m l s 结构件可采用铆接或粘接法连接。f m l s 经过固化，在金属层中会存在残余拉伸应力，在纤维胶粘剂层中则会有残余压缩应力。这些残余应力是因铝合金层的热膨胀系数( 0 【a l ) 与纤维胶粘剂层的热膨胀系数( 伍。) 不同造成的。铝合金中的残余应力( a ， l ) 取决于固化温度( t 。) 、层合板最终温度( d 和铝合金层与预浸料层的刚度( e ) 及厚度( t ) ，其具体关系如公式( 2 1 ) 所示：tfq 凡2 k ( 1 + 半皆) _ l 飞炳卸( 2 - 1 )由于纤维胶粘剂层的横截面比铝合金层的横截面小，在这些层中的平均压缩8西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性应力大约要比铝合金层高2 2 5 倍左右。层合板厚度增加，金属部分所占比例就下降，因而金属层中的残余应力就增加，纤维胶粘剂层中的残余应力大约要下降一半。减少金属层和预浸料层中残余应力最常用的方法是后拉伸法，既在固化后拉伸层合板产生少量塑性变形。此法的缺点是后拉伸层合板在压缩时，由于包辛格效应会降低层合板的屈服强度。不过其疲劳性能可得到较大改观。压缩残余应力也会导致f m l s 中纤维的破坏，因它能引起纤维卷缩，造成纤维拉伸强度的下降。f m l s 可以根据实际需要制作。可以选取不同的纤维一树脂体系、合金及厚度、堆叠顺序、纤维方向( 单向或正交) 、表面制备工艺和后固化压延程度。构成f m l s的材料多种多样，但主要是合金、纤维和胶粘剂。2 2f m l s 疲劳性能f m l s 的一大优点是它有良好的抗疲劳性能。如果疲劳裂纹在铝合金中产生，那么，韧性纤维可起到防止裂纹进一步扩展的作用。裂纹搭桥机理见图2 2 。图2 - 2 裂纹搭桥机理f m l s 的疲劳特性主要取决裂纹搭桥机理的效果。它受下列因数影响：1 ) 胶粘剂剪切变形。裂纹搭桥应力通过胶粘剂剪切应力由纤维转移到铝合金，由此引起的胶粘剂剪切变形会造成一些裂纹增生。2 ) 分层。胶粘剂应力局部循环，可导致裂纹区铝合金和复合材料层之间有限疲劳脱胶。这种脱胶会减少裂纹侧面之间的连接刚度，因而也减少了裂纹搭桥机理的作用，有关裂纹搭桥的影响示意图如图2 - 3 ：9西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性图2 - 3 裂纹搭桥机理影响图裂纹搭桥效率还取决于裂纹搭桥纤维的刚度。在f m l s 中采用单向预浸料，疲劳裂纹仅在承载方向与纤维方向平行时可得到明显的改进。裂纹扩展速率会随着受载轴与纤维轴之间夹角的增加而增加。减少金属层和预浸料层中残余应力最常用的方法是后拉伸。即在固化后拉伸层合板直至金属层板产生少量塑性变形。对f m l s 后拉伸，可进一步改进f m l s 的疲劳性能。金属层中的压缩应力可抑制疲劳裂纹扩展，而纤维胶粘剂层中的拉伸应力则可减少裂纹搭桥纤维的损坏，尤其在受压缩载荷时更是如此。这是因为在受疲劳载荷时，施加在层合板上的压缩应力必须在纤维遭受任何压缩应力前，首先克服纤维层中的残余应力1 2 5 】。2 3 板料成形性能及相关试验介绍对于不同的层板来讲，其使用过程以及研究的侧重点是不同的。站在材料学的角度来讲，研究层板可能侧重于它的侧压强度、平拉强度等。而在本文研究过程中，根据层板在零件制造过程中应用情况，研究侧重于其作为一种新型夹层板板料在成形方面的应用情况，因此在研究思路方面，与普通板料相关的成形研究有相似之处。2 3 1 板料成形性能层板零件的制造方法很多，但是最主要的制造方法是冲压成形。当然，冲压成形的方式也很多，通常可以用四种基本成形方式来描述，即拉胀、拉延、伸长类翻边以及弯曲变形。在研究板料冲压成形的过程中，引入板料冲压成形性能的概念。板料成形性能包括狭义成形性、定形性以及抗起皱性。成形性是指板材适应各种成形加工的能力。大多数钣金零件都须经成形工序，使平板毛料变成具有一定形状的零件。o西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性定形性是指在成形外力卸去后，板料保持其已得形状的能力。由于塑性变形中包含有弹性分量，外力卸除时，已成形的板料会产生一定的回弹。由于回弹的互相牵制，还会出现残余应力，零件在贮存和使用期间这些残余的应力还可能引起零件的变形和开裂。板料成形性能可简单的定义为：板料通过塑性变形改变形状的能力。板料基本的机械性能可采用拉伸试验测量，通过测量得出两类不同的机械性能：一是强度特性，如屈服强度、平拉强度；二是延伸性。从狭义上来讲，板料成形性能的评价包括变形能力的测量和断裂前拉伸变形程度的测定。然而，要弄清楚板料成形性能，测量的重点是预测和测量断裂之前的变形能力。据此，板料成形性能表示着材料变形的等级，能在特定的板料成形过程中获得没有不良情况的变形，这些不良状况指起皱或断裂，但也可能是其它商业上不允许的情况。2 3 2 鉴定板材成形性能的指数与实验一种板料，是否存在一个能表明其成形性能好坏的特性指数呢? 这是研究成形性能时首先想到的一个问题。但是长期研究和实践的结论是：没有任何一个指数，能够说明板料在所有成形方法下的成形性能；经验表明，想找到一个能够全面评定一种板料成形性能的指数是白浪费时间【l 引。成形性能中最为重要的是材料的成形极限。成形极限可理解为板料在发生破裂前能够得到的变形程度，也就是普通所谓的“塑性”，也就似乎应该存在着评价这种“塑性”大小的指数。但是经过人们的研究表明：塑性是材料的一种状态。一种材料其塑性的大小不仅与其成分、组织有关，还与成形过程中材料的变形方式、变形条件、变形经历以及附近材料的应变梯度等因素有关【l 。不同的成形方法，其变形方式、变形条件、变形经历、应变梯度是不同的。故同一种牌号的板材对不同的成形方法，可能有不同的适应能力，即不同的成形性能。在具体的生产中，一种牌号材料的塑性，还与具体的生产条件有关。故同一种牌号的材料，即使对同一种成形方法，因具体生产条件不同，其适应能力还可能不同。因此评定一种板料成形性能指数，如果要求能与各种具体生产工艺参数定量地相对应则是非常繁多的。指数过分繁多了，就会失去评定的意义；但是评定的指数过少，则有很多因素的影响不能得到反映，评定的意义就将削弱。板料成形性能指数与诸多因素有关，这就使得在评定一种板料成形性能指数时存在着诸多的问题。目前评定一种板料成形性能好坏的指数和取得这些指数的实验方法很多，形式也比较繁多，但是总的概括起来有如下几类：l l西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性1 ) 基本成形性能指数及其实验2 ) 模拟成形性能指数及其实验3 ) 成形极限曲线及其实验4 ) 特定成形性能指数及其实验5 ) 金属学的成形性能指数及其实验。其中，前四种是从宏观的力学角度提出来的，第五种是从微观角度提出来的。下面就对每一种评定的指数及其实验作简单的介绍：一、基本成形性能指数及其试验板料的基本成形性能指数主要是指板料的基本力学性能方面相关的指数。对于这类指数的评定通过单拉试验和硬度试验来进行的。通过单拉实验可以求得板料的主要性能指数有：屈服强度、极限强度、还有延伸性，弹性模量、均匀伸长率、屈强比等。同时通过单拉试验也可以得到一些特定的性能指数，如：厚向异性指数、应变强化指数、以及应变速率敏感性指数。其中，厚向异性指数以及应变强化指数已得到许多国家的认可，其在成形过程中，对于成形结果影响比较大。应变速率敏感性指数是指在单拉实验中，变形抗力增长率对应变速度增长率的比值是评定材料热成形( 包括超塑性成形) 性能好坏的一个重要指数。但是对于室温下成形来讲，评定的意义不大。通过压痕方法可以得到材料硬度相关指数，其试验过程简单、快捷、不破坏试件。但是，硬度指数只能在同种类板金之间，作成形性能相对好坏的比较，而不能用在不同种类的材料之间作比较，所以在本文研究过程中对于材料的硬度不做研究。二、模拟成形性能指数及其试验模拟试验又称相似试验，是在相似的条件下，以小尺寸的典型零件来模拟某一类成形方法的变形方式，由试验求得此类板料在这类成形方法下的极限变形程度，以此作为评定该板料对这类成形方法适应能力的指数。模拟成形性能比基本成形性能，能更直接并较准确的说明某板料对此类成形方法的成形性能，因此对于板料的成形性能评估，通常通过单拉试验以及相应典型的模拟成形试验来完成，本文中对于g l a r e 的成形性能研究也是在这一思路下进行的。当然，模拟成形性能试验与实际生产过程存在着一定的差异，其所得的一些参数须经过一定的修正才能指导实际生产过程。三、成形极限曲线及其试验由于模拟成形试验只能模拟几种典型的成形试验，而实际生产中变形方式很多，不可能一一进行模拟。因此，人们将不同应力状态下测得的两个主应变的许2西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性用值分别标在以面板内较小的那个主应变为横坐标、较大的那个主应变为纵坐标的坐标系里，定下这些点，由这些点连成的曲线就称为板料的成形极限曲线f l c ( f o r m i n gl i m i td i a g r a m ) 。成形极限曲线提供了一个可接受的应变极限，在板料成形中，当两个主应变超出由此两个应变联合构成的应变极限范围时，就会出现板料变薄、断裂等缺陷。目前对于成形极限曲线测定的试验方法主要是通过将不同宽度的矩形板条在球头凸模上拉延成形来测定的。近些年来，随着坐标网格制备方法的改进，与试验研究过程相结合，形成了一套比较成熟的坐标网应变分析技术来测定材料的成形极限曲线。具体做法如下：在测定成形极限曲线的过程中，采用接触照相法或电化学腐蚀方法在试验件上印制网格进而进行试验研究。四、金属学的成形性能指数及其试验金属学的成形性能指数目前在金属板料的成形研究过程当中得到了一定的关注，它主要是从微观的角度来研究板金的成形性能，并且到目前已经取得了很大的进展。目前提出的评判板料成形性能好坏的金属学方面的指数有：晶粒的大小，晶粒的方位，表面粗糙度，晶界杂质和均质性等。同时在相关的研究过程中也发现，板料的其它表面质量，如划伤、分层、气泡等都会使板材在成形过程中提前发生破裂，从而降低板料的成形性能。五、特定成形性能指数以及试验特定成形性能指数主要是根据用户有某种特殊需要而提出的，要与钣金供应商协商，由其提供所需指数，因此这类指数名目繁多，相应的试验也比较多。其中具有普遍意义的指数和试验有：1 ) 凸耳试验及由其测定的凸耳数，其能够灵敏地反映板材平面各向异性的大小，对于评定板材成形性能是否稳定具有一定的意义；2 ) 下陷成形试验( j o g g l et e s t ) 及其指数，此类成形是将角材或者薄壁挤压型材在某局部突然下折一段距离而成形，其在飞机制造过程中经常遇到，评定指数是以不出现破裂和起皱的下陷深度和长度( ，) 一作为成形性能指数【2 0 - 2 4 1 。2 3 3 本文所采用的成形性研究方法对于纤维金属层板来讲，对其进行试验研究的方法以及侧重点有很多：材料学方面重点考虑其平拉、侧压、界面强度等性能研究，而我们重点从使用的角度考虑其作为一种层板在成形性能方面的研究。考虑实验室现有条件和针对板料成形研究所通常采用的研究思路，本文在成形性能研究过程中所采用的试验研究方法主要是通过基本成形性能试验以及典1 3西北工业大学硕士学位论文第二章试验材料及板料成形性型的模拟成形性能试验来进行研究的。当然，考虑到所研究的层板属于一种新型的纤维金属层板，在试验研究过程当中，较之普通金属板的成形性能研究在研究细节方面又有所不同。4西北工业大学硕士学位论文第三章g l a r e 层板试验性能研究第三章g l a r e 层板试验性能研究g l a r e 是一种纤维增强层合板( f m l s ) ，由金属薄板和纤维复合材料交替铺设后，在一定温度和压力下固化而成的一种层间混杂复合材料嘲。它将金属与复合材料的优异性能结合起来，其结果是较铝合金重量减轻2 5 ，强度更高，且抗腐蚀及疲劳性能更好”1 。图3 - 1g l a r e 层板结构g l a r e 中的金属层有助于改进纤维方向的拉伸性能，能够提高纤维胶粘剂层的剪切强度、挤压强度和抗环境性能。g l a r e 中的纤维胶粘剂层可在纤维增强方向加强它的拉伸强度，也就是可获得高于单层金属的疲劳性能。鉴于此，g l a r e 主要用在对疲劳敏感的结构上，比如用来制作飞机机翼和机身。1 9 9 0 年波音7 7 7 的舱门内地板开始采用g l a r e 制造1 8 】。目前最大的民机a 3 8 0 机身上壁板也采用g l a r e 制造，每架飞机使用g l a r e 层板达4 7 0 平方米【9 j 。3 1 拉伸试验研究对于一种板料来讲，研究其基本成形性能主要是通过单向拉伸试验以及硬度试验来完成的。考虑到本文对此两金属夹层板的研究重点，基本成形性能研究主要通过对g l a r e 层板进行单向拉伸试验来完成。单向拉伸试验是用以测定材料力学性能的常用方法。为了适应鉴定板材冲压性能的要求，在对传统的拉伸试验做了必要的补充和改进的基础上，目前已形成了工业中广泛应用的材料冲压性能的单向拉伸试验方法。本试验通过纤维金属层板拉伸试验的各个阶段，分别测量材料的力学性能，变形性能以及应力应变关系性能的试验值，它代表了板材在不同的变形阶段材料的性质，试验重点掌握屈强西北工业大学硕士学位论文第三章g l a r e 层板试验性能研究比吒，弹性模量e ，硬化指数n 3 1 1 试件制备试验中用的是四种国产的热固性玻璃纤维铝合金层板。其编号如下：c b 0 2 0 1 0 1 ，c b 0 2 0 1 0 2 ，c b 一0 2 0 2 0 1 ，c b 一0 2 0 2 - 0 2其中，c b 表示层板，第一个0 2 表示g l a r e ，第二个- 0 i 0 2 分别表示材料成型时的温度高温0 8 0 。c ) q 口温( 1 2 0 。c ) ，第三个0 i 0 2 分别表示纤维铺层方式单向正交。四种g l a r e 层板是由玻璃纤维和三层2 0 2 4 t 3 铝板交叠铺层而成，如表3 1 。其中铝板厚度为0 3 - 0 4 m m 。表3 1g l a r e 的铺层方式c b - 0 2 - 0 1 4 ) 1【a i 0 a i o a i 】c b - 0 2 - 0 2 - 0 1c b 0 2 0 1 0 2【a i o 9 0 a l 9 0 o a l 】c b 0 2 - 0 2 0 2本文主要研究四种复合层板的成形性，分别是中温单向g l a r e 层板，中温正交g l a r e 层板，高温单向g l a r e 层板和高温正交g l a r e 层板。拉伸试验采用的标准是：g b t 3 3 5 4 1 9 9 9 。试件按需要沿纤维不同方向制备。一、试件制备要求制备试件应不影响其力学性能，应通过机加工方法去除由于剪切或冲压而产生的加工硬化部分材料，因此本试验在下料时留有3 - 5 m m 的加工余量，以便机加。在进行机加过程中，对于试件公差要求如下：1 ) 寸公差：本次试验采用标称宽度为1 0 m m 的试件，其公差尺寸为0 2 m m ，表示试件的宽度不应超出下面的两值之间的尺寸范围：1 0 + o 2 = 1 0 2 m m ，1 0 0 2 = 9 8 m m ：长度为1 0 0 m m ，其公差尺寸为o 2l n m 。2 1 状公差；对于满足上述机加工条件的1 0 m m 宽度的试件，沿其平行长度测量的最大宽度和最小宽度之差不应超过o 1 m m 。二、加强片的制备由于材料外层是一层o 5 m m 的软铝，故需要采用加强片来起加强作用