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高聚合物树脂复合钢板材料的力学性能研究与分析
2019-09-14 19:33:43· 来源：金泉军 ，张武等 汽车实用技术杂志社
作者：金泉军 ，张武 ，陈忠轩 ，李鑫单位：浙江众泰汽车制造有限公司杭州分公司;马鞍山钢铁股份有限公司技术中心摘 要：基于树脂复合钢板在汽车前围板上的开发
作者：金泉军 ，张武 ，陈忠轩 ，李鑫
单位：浙江众泰汽车制造有限公司杭州分公司;马鞍山钢铁股份有限公司技术中心
摘 要：基于树脂复合钢板在汽车前围板上的开发应用，文章针对高聚物树脂复合钢板的基础性能进行试验研究、并测试复合钢板材料的力学性能以及两表层钢板之间的剪切粘结强度与法向黏结强度，得到材料的理化性能以及两表层之间的结合强度。从而为复合减振钢板材料的产品设计提供依据，同时也为改进复合减振钢板的生产工艺以适应其产品的生产要求提供参考。
1 引言
为了减少车体内部的噪声，汽车制造商通常采用大量增设隔音或者吸音层、涂覆吸音材料等措施来解决，虽然取得了一定的效果，但减振降噪能力还有待进一步提高。因此，开发出新的质优价廉的减振降噪的产品，提高企业市场竞争力，是各汽车主机厂需努力的方向。高聚物树脂复合钢板是一种由金属/高分子阻尼材料/金属复合而成的具有三明治结构的功能性材料，该材料充分结合并发挥了金属与高分子材料的优异特性，既保持了金属材料的加工成形特性，又具有高分子材料的阻尼特性。这种材料内部为高分子链式结构，在受到振动冲击载荷的作用时，树脂会产生阻尼，通过中间树脂层发生剪切变形，吸收大量的振动机械能，使得钢板的受迫振动大幅衰减。当中间层树脂作反复剪切变形时，吸收的振动能量转化为热能，从而具有了减振效果，达到抑澡的功效。因此它在汽车工业上得到了广泛的应用（如图 1 所示）。对于汽车行业来说，树脂复合钢板即可满足零件结构强度、减振降噪、又能实现车体轻量化的要求，目前已成为当前国内外研究的热点。
图 1 树脂复合钢板在汽车上的应用
由于其复合结构的特殊性，树脂复合钢板的性能特点与普通钢板略有差异。适用于单层金属板的生产工艺和失效判据等不一定适用于树脂复合钢板。树脂复合钢板在拉深、折弯等成形过程中很可能会出现层间滑移甚至脱离等情况，所以针对树脂层力学性能包括黏结强度的分析对后续数值模拟模型的建立相当重要。对于树脂夹层的复合减振钢板，其在成型过程中出现的失效形式除了与普通钢板相同（起皱、破裂）之外，还有一种失效形式为钢板与黏结层的剥离，并且这种失效形式有可能先于起皱、破裂现象的发生，因而在采用有限元对其成形过程进行分析时，以往适用于单层基板的失效判据并不能够对这种脱层缺陷的发生进行有效判断。因此，有必要对其黏结强度进行研究，从而为模拟分析提供失效判断依据。
本文基于前围板零部件的性能要求，定制开发适合前围板的树脂复合钢板材料，并开展该材料基础力学性能研究，并测试树脂复合减振钢板两表层钢板之间的剪切黏结强度、剥离黏结强度进行试验测试，从而为其冲压工艺设计提供参考。
2 树脂复合钢板力学性能
2.1 树脂复合钢板材料力学性能
基于前围板 NVH 性能要求，树脂复合钢板表层是由不等厚表层组成，上层钢板厚度为 0.2mm，下层钢板采用0.5mm。上、下表层材料均为高强度 H180Y，此材料具有较高的强度，同时又具有优越的成形性，中间层是主要起减振降噪功能的 0.05mm 厚树脂高分子材料，将不等厚的上、下层基材与中间层树脂通过热复合方式形成三明治结构，结构示意图如图 2 所示。
图 2 树脂复合钢板结构示意图
为更好的掌握树脂复合钢板与表层钢板材料特性，对表层基材的性能与复合钢板材料的进行对比分析，具体测试结果如表 1、图 3 所示。通过分析可以看出：上、下基材屈服强度为 189MPa，抗拉强度为 370MPa，延伸率为 36%， r90为 0.25，n90 为 1.69；树脂复合钢板的材料性能：屈服强度为221MPa，抗拉强度为 378MPa，延伸率为 33%，r90 为 1.25，n90 为 0.21。通过材料性能对比分析发现：三明治的静音钢 板的材料性能与表面覆盖层钢板从性能来讲：基材的屈服强度、延伸率略低于静音钢板，基材的 n90、r90 优于树脂复合钢板。
表 1 材料性能特性对比表
注：中间层树脂厚度 50um。
图 3 几种材料拉伸曲线对比示意图
2.2 树脂复合钢板层间力学性能
树脂复合钢板的树脂层界面的成型过程中的受力状况比较复杂。因此，一般主要有 3 种受力形式：法向受力（ModeI）、切向受力 I（Mode II）、切向受力 II（Mode III），见图 4 所示。该三种受力方式有可能同时存在，需要使用混合模型来描述树脂层的变形行为。因此单独研究树脂复合材钢层间的的切向剪切性能与法向黏结性能尤为重要。
(a) Mode I
(b) Mode II
(c) Mode III
图 4 静音钢板树脂界面的受力形式
2.2.1 树脂复合钢板切向剪切性能
在复合板折弯过程中，中间树脂层主要承受剪切和压缩变形，因而获得其切向力学性能数据是研究其在复合板折弯回弹过程中所起作用的基础。搭接剪切试验是为了获得复合板切向力学性能数据而设计的。采用 ASTM D3163-01 标准进行搭接剪切试验，如图 5 所示为搭接板剪切试验试样的几何形状和尺寸。粘结区域的长度为 L=25mm，宽度 w=25mm，粘接区域的厚度 T=0.05mm。试验在 WD-P4504 电子万能试验机上进行，拉伸速度为 2.5mm/min，试验重复 3 次获得的载荷力与位移曲线关系如图 5 所示。再将试样的剪切载荷除以粘结面积即为待测粘结面的剪切强度，其中试验的粘结面是粘结区域的长度乘以宽度，如公式（1）所示。
（1）Fshr 为剪切力，L 和 W 分别为粘结区域的长度和宽度。其树脂层的应变，可通过材料测试机上得到的位移来表示应变。具体公式如公式（2）所示。
（2）Ushr 是从材料测试机上得到的位移，T 是树脂层的厚度。通过公式（1）、（2）将树脂复合钢板的力-位移曲线转化为树脂层材料模型的应力-应变曲线，如图 5 所示。
由图 6 可知，树脂层的切向黏结强度通过计算获得树脂复合钢板的平均最大剪切强度为 2.875MPa。树脂层的切向黏结应变通过计算获得平均最大应变为 28.8。同时，在较小的相对位移阶段，拉伸张力存在部分硬化。在进一步加载位移，拉伸张力硬化被激化，曲线开始有一个明显的转折点。在达到一定的位移时，曲线又出现了一个明显的转折点，主要是拉伸张力硬化效果逐步下降趋势。当达到最大值后，拉伸张力迅速下降，树脂层发生脱层。
图 5 剪切试样示意图
图 6 剪切应力-应变曲线示意图
2.2.2 树脂复合钢板法向粘结性能
目前，对于树脂复合钢板的法向黏结强度的研究通常采用 T-剥离强度试验方法。采用 ASTM D3163-01 标准，按比例缩小试样，几何形状与尺寸如图 7 所示，拉伸速度为5mm/min，试验重复 5 次，所得到的力-位移曲线如图 8 所示。
通过图 7 可以看出：各试样拉伸极限载荷能够反映其待测粘结面的法向粘结强度，极限载荷后的相对平缓区说明粘结层已被拉开，但夹层中的树脂还在变形中，并未被拉断，当载荷急剧下降时，树脂已接近变形极限，并已开始断裂。各试样拉伸极限载荷（即各条曲线最高点）分布相对集中，其中最大值 150N、最小值 145N，其力值相差 3.4%。由曲线的光滑程度及其趋势来看，树脂复合钢板的自身的粘结层法向粘结强度均匀性相对较好。
图 7 T-剥离试样示意图
图 8 剥离力-位移曲线示意图
为更好的反映法向剥离强度的性能，将力-位移关系曲线转换为应力-应变关系曲线。由力转化为应力表达如下：
（3）Fshr 为法向张力， W 为 T-剥离试样的宽度。由位移转换为应变可表达如下：
（4）Unor 为法向位移，T 为树脂层的厚度。由于图 8 中剥离位移超过 50mm 之后，极限载荷后的相对平缓区已说明粘结层被拉开，因此在换算树脂法向粘结强度时，仅取 50mm 位移的应变。
基于公式（1）、（2）将树脂复合钢板的力-位移曲线转化为树脂层材料模型的应力-应变曲线，如图 9 所示。
图 9 剥离应力-应变曲线示意图
由图 9 所示名义应力应变曲线可以计算得到树脂层的平均法向粘结强度为 40.8N/cm。由曲线的光滑程度及其趋势来看，是一个很明显的弹性变形-剥离-剩余部分高分子链断裂的过程。
3 结论
（1）高聚物树脂复合钢板的材料性能与表面覆盖层钢板从性能来讲：基材的屈服强度、延伸率略低于静音钢板，基材的 n90、r90 优于树脂复合钢板。
（2）通过搭接剪切试验获得了树脂复合钢板切向力学性能数据，其切向剪切强度为 5.875MPa。
（3）通过 T-剥离试验获得法向力学性能数据，其法向黏结强度为 40.8N/cm。
（4）基于曲线的光滑程度及其趋势来看，高聚合物树脂复合钢板的自身的粘结层剪切与法向粘结强度均匀性相对较好。
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