高聚合物樹脂復合鋼板材料的力學性能研究與分析＊

金泉軍，張武，陳忠軒，李鑫

（1.浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山 243000）

1 引言

為了減少車體內部的噪聲，汽車制造商通常采用大量增設隔音或者吸音層、涂覆吸音材料等措施來解決，雖然取得了一定的效果，但減振降噪能力還有待進一步提高。因此，開發出新的質優價廉的減振降噪的產品，提高企業市場競爭力，是各汽車主機廠需努力的方向。高聚物樹脂復合鋼板是一種由金屬/高分子阻尼材料/金屬復合而成的具有三明治結構的功能性材料，該材料充分結合并發揮了金屬與高分子材料的優異特性，既保持了金屬材料的加工成形特性，又具有高分子材料的阻尼特性。這種材料內部為高分子鏈式結構，在受到振動沖擊載荷的作用時，樹脂會產生阻尼，通過中間樹脂層發生剪切變形，吸收大量的振動機械能，使得鋼板的受迫振動大幅衰減。當中間層樹脂作反復剪切變形時，吸收的振動能量轉化為熱能，從而具有了減振效果，達到抑澡的功效。因此它在汽車工業上得到了廣泛的應用[1-2]（如圖1所示）。對于汽車行業來說，樹脂復合鋼板即可滿足零件結構強度、減振降噪、又能實現車體輕量化的要求，目前已成為當前國內外研究的熱點。

圖1 樹脂復合鋼板在汽車上的應用

由于其復合結構的特殊性，樹脂復合鋼板的性能特點與普通鋼板略有差異[3]。適用于單層金屬板的生產工藝和失效判據等不一定適用于樹脂復合鋼板。樹脂復合鋼板在拉深、折彎等成形過程中很可能會出現層間滑移甚至脫離等情況，所以針對樹脂層力學性能包括黏結強度的分析對后續數值模擬模型的建立相當重要[4]。對于樹脂夾層的復合減振鋼板，其在成型過程中出現的失效形式除了與普通鋼板相同（起皺、破裂）之外，還有一種失效形式為鋼板與黏結層的剝離[5]，并且這種失效形式有可能先于起皺、破裂現象的發生，因而在采用有限元對其成形過程進行分析時，以往適用于單層基板的失效判據并不能夠對這種脫層缺陷的發生進行有效判斷。因此，有必要對其黏結強度進行研究，從而為模擬分析提供失效判斷依據。

本文基于前圍板零部件的性能要求，定制開發適合前圍板的樹脂復合鋼板材料，并開展該材料基礎力學性能研究，并測試樹脂復合減振鋼板兩表層鋼板之間的剪切黏結強度、剝離黏結強度進行試驗測試，從而為其沖壓工藝設計提供參考。

2 樹脂復合鋼板力學性能

2.1 樹脂復合鋼板材料力學性能

基于前圍板 NVH性能要求，樹脂復合鋼板表層是由不等厚表層組成，上層鋼板厚度為 0.2mm，下層鋼板采用0.5mm。上、下表層材料均為高強度H180Y，此材料具有較高的強度，同時又具有優越的成形性，中間層是主要起減振降噪功能的0.05mm厚樹脂高分子材料，將不等厚的上、下層基材與中間層樹脂通過熱復合方式形成三明治結構，結構事宜圖如圖2所示。

圖2 樹脂復合鋼板結構示意圖

為更好的掌握樹脂復合鋼板與表層鋼板材料特性，對表層基材的性能與復合鋼板材料的進行對比分析，具體測試結果如表1、圖3所示。通過分析可以看出：上、下基材屈服強度為189MPa，抗拉強度為370MPa，延伸率為36%， r90為0.25，n90為1.69；樹脂復合鋼板的材料性能：屈服強度為221MPa，抗拉強度為378MPa，延伸率為33%，r90為1.25，n90為 0.21。通過材料性能對比分析發現：三明治的靜音鋼板的材料性能與表面覆蓋層鋼板從性能來講：基材的屈服強度、延伸率略低于靜音鋼板，基材的n90、r90優于樹脂復合鋼板。

表1 材料性能特性對比表

圖3 幾種材料拉伸曲線對比示意圖

2.2 樹脂復合鋼板層間力學性能

樹脂復合鋼板的樹脂層界面的成型過程中的受力狀況比較復雜。因此，一般主要有3種受力形式：法向受力（Mode I）、切向受力I（Mode II）、切向受力II（Mode III），見圖4所示[6]。該三種受力方式有可能同時存在，需要使用混合模型來描述樹脂層的變形行為。因此單獨研究樹脂復合材鋼層間的的切向剪切性能與法向黏結性能尤為重要。

圖4 靜音鋼板樹脂界面的受力形式

2.2.1 樹脂復合鋼板切向剪切性能

在復合板折彎過程中，中間樹脂層主要承受剪切和壓縮變形，因而獲得其切向力學性能數據是研究其在復合板折彎回彈過程中所起作用的基礎[7]。搭接剪切試驗是為了獲得復合板切向力學性能數據而設計的。采用ASTM D3163-01標準進行搭接剪切試驗，如圖5所示為搭接板剪切試驗試樣的幾何形狀和尺寸。粘結區域的長度為 L=25mm，寬度 w=25 mm，粘接區域的厚度T=0.05mm。試驗在WD-P4504電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為2.5mm/min，試驗重復3次獲得的載荷力與位移曲線關系如圖5所示。再將試樣的剪切載荷除以粘結面積即為待測粘結面的剪切強度，其中試驗的粘結面是粘結區域的長度乘以寬度，如公式（1）所示。

Fshr為剪切力，L和W分別為粘結區域的長度和寬度。

其樹脂層的應變，可通過材料測試機上得到的位移來表示應變。具體公式如公式（2）所示。

Ushr是從材料測試機上得到的位移，T是樹脂層的厚度。

通過公式（1）、（2）將樹脂復合鋼板的力-位移曲線轉化為樹脂層材料模型的應力-應變曲線，如圖5所示。

由圖6可知，樹脂層的切向黏結強度通過計算獲得樹脂復合鋼板的平均最大剪切強度為2.875MPa。樹脂層的切向黏結應變通過計算獲得平均最大應變為28.8。同時，在較小的相對位移階段，拉伸張力存在部分硬化。在進一步加載位移，拉伸張力硬化被激化，曲線開始有一個明顯的轉折點。在達到一定的位移時，曲線又出現了一個明顯的轉折點，主要是拉伸張力硬化效果逐步下降趨勢。當達到最大值后，拉伸張力迅速下降，樹脂層發生脫層。

圖5 剪切試樣示意圖

圖6 剪切應力-應變曲線示意圖

2.2.2 樹脂復合鋼板法向粘結性能

目前，對于樹脂復合鋼板的法向黏結強度的研究通常采用T-剝離強度試驗方法。采用ASTM D3163-01標準，按比例縮小試樣，幾何形狀與尺寸如圖 7所示，拉伸速度為5mm/min，試驗重復5次，所得到的力-位移曲線如圖8所示。

通過圖7可以看出：各試樣拉伸極限載荷能夠反映其待測粘結面的法向粘結強度，極限載荷后的相對平緩區說明粘結層已被拉開，但夾層中的樹脂還在變形中，并未被拉斷，當載荷急劇下降時，樹脂已接近變形極限，并已開始斷裂。各試樣拉伸極限載荷（即各條曲線最高點）分布相對集中，其中最大值150N、最小值145N，其力值相差3.4%。由曲線的光滑程度及其趨勢來看，樹脂復合鋼板的自身的粘結層法向粘結強度均勻性相對較好。

圖7 T-剝離試樣示意圖

圖8 剝離力-位移曲線示意圖

為更好的反映法向剝離強度的性能，將力-位移關系曲線轉換為應力-應變關系曲線。由力轉化為應力表達如下：

Fshr為法向張力， W為T-剝離試樣的寬度。

由位移轉換為應變可表達如下：

Unor為法向位移，T為樹脂層的厚度。

由于圖8中剝離位移超過50mm之后，極限載荷后的相對平緩區已說明粘結層被拉開，因此在換算樹脂法向粘結強度時，僅取50mm位移的應變。

基于公式（1）、（2）將樹脂復合鋼板的力-位移曲線轉化為樹脂層材料模型的應力-應變曲線，如圖9所示。

圖9 剝離應力-應變曲線示意圖

由圖9所示名義應力應變曲線可以計算得到樹脂層的平均法向粘結強度為40.8N/cm。由曲線的光滑程度及其趨勢來看，是一個很明顯的彈性變形-剝離-剩余部分高分子鏈斷裂的過程。

3 結論

（1）高聚物樹脂復合鋼板的材料性能與表面覆蓋層鋼板從性能來講：基材的屈服強度、延伸率略低于靜音鋼板，基材的n90、r90優于樹脂復合鋼板。

（2）通過搭接剪切試驗獲得了樹脂復合鋼板切向力學性能數據，其切向剪切強度為5.875MPa。

（3）通過 T-剝離試驗獲得法向力學性能數據，其法向黏結強度為40.8N/cm。

（4）基于曲線的光滑程度及其趨勢來看，高聚合物樹脂復合鋼板的自身的粘結層剪切與法向粘結強度均勻性相對較好。