Glare層板基本成形性能研究與實驗驗證

田精明， 李華冠， 劉 成， 陶 剛， 張麗清，鄭興偉， 劉紅兵， 陶 杰

(1. 南京航空航天大學 材料科學與技術學院，南京 211106； 2. 上海飛機制造有限公司，上海 200436)

Glare層板基本成形性能研究與實驗驗證

田精明1， 李華冠1， 劉 成1， 陶 剛1， 張麗清1，鄭興偉2， 劉紅兵2， 陶 杰1

(1. 南京航空航天大學 材料科學與技術學院，南京 211106； 2. 上海飛機制造有限公司，上海 200436)

為了探索Glare層板的成形性能特點，采用單向拉伸實驗和三點彎曲實驗，分析研究了Glare 2A，Glare 2B和Glare 3層板的基本成形性能，并借助掃描電子顯微鏡分析了Glare層板的失效特征。結果表明：纖維鋪層方向對材料的成形性能存在顯著影響，Glare 2A層板抵抗塑性變形的能力強，且難以發生厚向變形：采用σ=σy+Kεn硬化模型擬合真實應力-應變曲線，其相關系數最大，擬合結果最好：Glare2A的彎曲回彈量最大，其彎曲破壞時，內表層受壓應力，以皺縮和壓縮斷裂為主，外表層受拉應力，以纖維拉伸斷裂和分層為主；對于Glare2B層板，其彎曲回彈量最小，主要以基體破壞為主：通過滾彎成形驗證了實驗所得結果的準確性。

復合材料；Glare層板；基本成形性能；硬化模型；回彈

纖維金屬層板 (Fiber Metal Laminates，FMLs) 是一種由金屬薄板和纖維復合材料交替鋪層后，在一定的固化工藝下制備而成的層間混雜復合材料。FMLs具有高比剛度和比強度的特點，并且擁有優良的疲勞性能[1]，已應用于航空航天領域。作為第二代FMLs，Glare (glass fiber reinforced aluminium laminates) 層板結合了鋁合金與玻璃纖維復合材料的優異性能，具有輕質高強、高損傷容限、優異疲勞性能等特點，在空客A380已大面積應用Glare層板[2]。由于Glare層板在機身減重及抗疲勞方面具有突出優勢，并綜合其在國外寬體客機上的廣泛使用，將在我國的大飛機項目中發揮舉足輕重的作用。

作為大型客機機身、機翼蒙皮的重要選材，Glare層板引起了研究機構的廣泛關注[3-10]。纖維金屬層板根據樹脂基體的不同分為熱塑性和熱固性兩種[11]，針對熱塑性層板，國外已開展其成形工藝研究，優化了其成形工藝、模具設計，并采用了有限元模擬進行輔助分析[12]；Glare層板作為熱固性層板，目前其成形工藝主要有激光成形[13]、彎曲成形[14]、噴丸成形[15]和自成形[16]。其中，Carey等[13]激光成形工藝的研究發現，纖維鋪排方向和復合材料的熱效應等因素對成形工藝均有影響；Kim等[14]研究了彎曲成形，結果表明，加載速度、載荷和溫度對Glare層板的回彈有不同程度的影響；Russig等[15]利用SPF和鎖相紅外檢測法證明,Glare層板在噴丸成形中與金屬有相似的變形行為。而國內對于Glare層板在成形工藝方面的研究尚有欠缺，對于熱塑性層板，西北工業大學介蘇朋提出，成形溫度對其成形有較大影響，其相對鋁板具有更為優良的機械性能，適合于沖壓成形[17]；對于Glare層板，馬宏毅對其制備過程的關鍵工藝參數進行了優化，包括鋁合金薄板的底膠含量、預浸料的纖維體積含量、烘干條件和層板壓制工藝[18]；南京航空航天大學陶杰等采用自成形技術嘗試成形了商用飛機的機翼前緣蒙皮構件[19]，如圖1；曹子振研究了Glare層板單搭接接頭受準靜態拉伸載荷時的失效模式和擠壓強度[20]；但國內針對Glare層板的成形工藝相關研究總體較少。對于Glare層板來說，纖維的破壞應變較小[21]，層板容易產生層間破壞，因此Glare層板成形工藝存在諸多技術難題亟待解決。廖建[22]研究了Glare層板的基本成形性能，但僅研究了溫度對最小彎曲半徑和回彈角的影響。為了克服上述存在的問題，本工作通過單向拉伸實驗，得到真實應力-應變曲線、應變硬化指數和塑性應變比等基本成形性能指標，通過3點彎曲實驗研究纖維鋪層和壓頭半徑對最小相對彎曲角和彎曲回彈的影響，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)分析Glare層板的失效特征。我國已啟動的遠程寬體客機和大型運輸機工程將論證采用Glare構件作為機翼前緣，本工作為Glare復雜構件的塑性成形提供實驗依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗所用的Glare 2A,Glare 2B和Glare 3層板鋪層結構如圖2所示。金屬層是厚度為0.3 mm的2024-T3鋁合金，復合材料層為四川新萬興有限公司生產的S4/E302-1型高強玻璃纖維增強環氧樹脂預浸料。鋁合金板經過磷酸陽極氧化處理后，與預浸料交替鋪疊，在一定溫度和壓力下固化制成Glare層板。

1.2 實驗方法

單向拉伸實驗在配有引伸計的電子萬能試驗機上進行，參照GB/T 15825—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法》，控制拉伸速率為1 mm/min。試樣尺寸如圖3所示。通過引伸計自動記錄應變值，以獲得準確的應變參數值。

3點彎曲實驗參照GB/T 15825.5—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法 第5部分：彎曲試驗》，實驗設備采用電子萬能試驗機，跨距取30 mm，加載速率為1 mm/min，支座半徑2 mm。試樣尺寸如圖4，單位為mm。

顯微觀察分析采用Hitachi臺式高分辨率TM3000型SEM。為獲得較高對比度的圖像，樣品經過噴金后進行觀察分析。

最后，利用對稱式三輥滾彎設備對Glare 2A,Glare 2B,Glare 3層板進行滾彎成形。工藝參數如下：試樣尺寸為270 mm×20 mm×1.4 mm，上輥直徑為76 mm，控制上輥線速率為300 mm/min，下壓量為14.2 mm。

2 實驗結果及討論

2.1 應變硬化指數

應變硬化指數n值，是評價材料成形性能的重要參數，可用來度量材料拉伸時塑性變形階段的應變硬化能力。n值的獲取需取真實應力-應變曲線上塑性段曲線進行數值擬合。Glare層板的拉伸真實應力-應變曲線如圖5所示，在塑性變形階段，產生相同的應變時，Glare2A層板的應力最大，Glare2B層板的應力最小。在不發生破壞的情況下，Glare2B層板的真實應變值可達到4%，Glare2A層板的真實應變值可達到3%。表明Glare2A層板抵抗拉伸變形的能力強于Glare2B層板，原因是Glare2A層板中纖維的鋪層方向與拉伸方向平行，增強作用明顯；而Glare2B層板中的纖維的鋪層方向與拉伸方向垂直，未起到增強作用。

n值的獲取需采用合適的本構方程對真實應力-應變曲線上塑性段曲線進行擬合，目前常用的本構方程有以下三種[25]：

σ=Kεn

(1)

σ=K(ε0+ε)n

(2)

σ=σy+Kεn

(3)

式中：K為材料的應變硬化系數，n為應變硬化指數，σ為真實應力，ε為真實應變，ε0和σy為待定材料常數。根據實驗應力應變值，采用上述3種模型按最小二乘法對不同鋪層Glare層板獲得的拉伸數據進行擬合處理，比較不同本構方程對材料變形抗力的描述能力。

如表1，對于3種本構方程，Glare2A層板的n值均最大，Glare2B層板的n值均最小，Glare3層板介于兩者之間，說明Glare2A層板抵抗塑性變形的能力強于其他鋪層層板。此外，對比不同鋪層Glare層板的擬合數據，采用本構方程σ=σy+Kεn擬合所得到的變形抗力曲線，其相關系數最大，擬合結果最好。

表1 不同鋪層Glare層板的本構模型擬合結果

2.2 塑性應變比

塑性應變比r值也是評價材料成形性能的重要指標。利用公式(4)計算不同鋪層Glare層板的r值。

(4)

式中：b0為試樣的原始寬度，mm；b為試樣拉伸后的寬度，mm；L0為原始標距，mm；L為試樣拉伸后標距的長度，mm。

由表2可知，不同鋪層Glare層板的r值不同。r值愈大，板材抵抗厚向變形的能力愈強。可知，Glare2A層板難以發生厚向變形，而Glare2B層板則容易發生厚向變形。原因是拉伸時，Glare2A層板中的基體未破壞，纖維承擔了大部分拉伸載荷，層板不易變形；Glare2B層板中的基體破壞，纖維幾乎不承受載荷，鋁合金的承載能力有限，層板容易變形。

表2 不同鋪層Glare層板的r值

n，r值需要在材料未發生破壞的情況下獲得。不同鋪層Glare層板鋁合金表面均無裂紋，掃描電鏡結果如圖6所示，均沒有出現明顯的分層，鋁合金層與基體之間的粘接效果良好，承載纖維并未發生明顯斷裂。雖然Glare2B層板基體受到擠壓，出現斷裂，但沒有出現分層失效，對n，r值沒有影響。

2.3 彎曲回彈

回彈是板材冷彎成形時必然會產生的問題，對材料的成形穩定性具有顯著影響。3點彎曲過程中，在彎曲變形區域內，試樣內表層(靠近壓頭一側)受壓，外表層受拉，由于各部分變形不一致，一段時間后，試樣內外表層首先發生塑性變形，而中心層仍處于彈性變形狀態，當壓頭上升卸除外載荷后，則要經過一個卸載和反向加載的過程，就會產生彈性恢復?；貜椀拇嬖趪乐赜绊憦澢某叽缇?，造成成形缺陷。

為了探究壓頭半徑和纖維鋪層對彎曲回彈的影響，采用壓頭半徑分別為2，3，4，5 mm進行彎曲試驗。回彈后的試樣如圖7所示。圖8表明，壓頭半徑對彎曲回彈的影響較小，纖維鋪層對回彈影響較大。Glare 2B層板回彈量最小，Glare 2A層板回彈量最大，Glare 3層板介于兩者之間。原因是不同鋪層Glare層板的彈性模量相差較大，抵抗變形的能力不同。對于Glare 2A層板，在大撓度彎曲時，鋁合金已經發生塑性變形，而0°纖維抵抗變形能力強，發生彈性變形，導致彈性變形量占彎曲總變形量的比例大，回彈量大；對于Glare 2B層板，應力超過鋁合金的屈服極限后，鋁合金發生較大塑性變形，而90°纖維抵抗變形能力差，導致彎曲總變形量中彈性變形量所占比例小，回彈量小；而Glare 3層板抵抗變形的能力介于兩者之間，故回彈量也介于兩者之間。

2.4 最小相對彎曲角

最小相對彎曲角，即發生破壞時的相對彎曲角，是表征材料彎曲變形極限的重要參數。最小相對彎曲角與彎曲變形極限和彎曲回彈量有關。如圖9所示，Glare 2A層板的彎曲變形極限較小，同時回彈量最大，因此其最小相對彎曲角最大。對于同種鋪層層板，不同壓頭半徑導致層板的變形極限不同，壓頭半徑小容易造成應力集中，壓頭半徑大就擴大了變形區域，均容易引起破壞；而且不同壓頭半徑下層板的回彈量也不同，難以判斷壓頭半徑對最小相對彎曲角的影響規律。

彎曲變形過程中，相對彎曲角小于最小相對彎曲角時，Glare層板將發生破壞，如圖10所示，Glare 2A層板內表層受到擠壓，試樣持續彎曲過程中，由于壓應力的作用，鋁合金發生大幅度皺縮，而鋁合金和纖維未能協同變形，隨后纖維受壓斷裂，繼而分層；外表層纖維受到拉伸作用，隨著彎曲程度增大，達到承載極限，隨后纖維發生大量斷裂，繼而分層。Glare 2B層板在彎曲過程中，纖維并不承受載荷，主要是鋁合金和樹脂基體承載，而鋁合金容易發生塑性變形，纖維不發生塑性變形，因此基體受到擠壓，引起破壞。Glare 3層板綜合了Glare 2A和Glare 2B層板的破壞形式，彎曲過程中外表層受拉，當載荷超過層板承載極限時，基體受壓開裂，纖維發生拉伸破壞，繼而分層。

2.5 滾彎成形

對Glare層板來說，一方面不同鋪層層板抵抗變形的能力不同，另一方面它們的回彈不同，滾彎成形后的曲率則不同。

滾彎成形后發現，Glare層板均未發生分層破壞，但不同鋪層層板的成形曲率具有顯著差異。如圖11所示，Glare 2A層板的n，r值最大，抵抗變形的能力強，且其回彈量最大，因此其成形曲率最小。由此可見，本研究所得出的實驗規律準確，對Glare構件的塑性成形具有一定的指導性。實驗結果表明，滾彎成形也可作為Glare層板的一種成形方式。

3 結 論

(1)通過單向拉伸實驗得到Glare層板的力學性能參數，擬合發現本構方程σ=σy+Kεn能夠更為準確地描述Glare層板的變形抗力曲線，為后期的數值模擬提供依據。

(2)纖維的鋪層方向對Glare層板的成形性能具有顯著影響。Glare2B層板的塑性成形能力優于Glare2A和Glare3層板。

(3)纖維鋪層方向對彎曲回彈的影響較大，壓頭半徑對回彈的影響較小?？傮w來說，Glare2A層板的彎曲回彈量最大，Glare2B層板的彎曲回彈量最小。此外，Glare2A層板的最小相對彎曲角最大，成形性能較差。

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(責任編輯：張 崢)

Basic Formability Research and Experimental Test of Glass Fiber Reinforced Aluminium Laminates

TIAN Jingming1, LI Huaguan1, LIU Cheng1, TAO Gang1, ZHANG Liqing1,ZHENG Xingwei2, LIU Hongbing2, TAO Jie1

(1. College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China; 2. Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

The basic formability of Glare 2A, Glare 2B and Glare 3 laminates was investigated by unidirectional tensile and three-point bending tests to explore the formability characteristics of Glare. Meanwhile, the failure characteristic of Glare was studied by scanning electron microscopy (SEM). The results indicate that the direction of the fiber has strong effects on the formability of Glare. The Glare 2A laminates exhibit the strongest resistance to plastic deformation. Meanwhile, it is also hard to deform in thickness direction.σ=σy+Kεnisusedtofittherealstress-straincurvesofthreevariantsandprovesthemostsuitablemodel,presentingthemaximumcorrelationcoefficient.Furthermore,Glare2Alaminatesexhibitthemostseriousbendingspringback.Shrinkageandcompressionfracturearevisibleintheinnerlayerwhichbearscompressivestress,andfiberfractureanddelaminationarefoundintheouterlayerwhichbearstensilestress.Onthecontrary,Glare2Blaminatesshowtheminimumspringback,followingwiththeobservedfiber-matrixcracks.Finally,theaccuracyoftestresultsisverifiedbyrollbending.

composite; Glare laminates; basic formability; hardening model; springback

2015-10-29；

2016-04-03

國家商用飛機制造工程技術研究中心創新基金資助項目(SAMC 13-JS-15-032)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃資助項目(KYLX_0259)；江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室開放基金資助項目(ASMA201401)；國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目(201510287033)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

陶杰(1963—)，男，教授，主要從事復合材料成形研究，(E-mail)taojie@nuaa.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.000213

TB333

A

1005-5053(2017)01-0086-07