(江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引 言

輕量化作為實現(xiàn)節(jié)能減排的關鍵手段之一，已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的技術瓶頸。目前，得到廣泛應用的兩種車用輕量化材料，一是碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)，二是高強度鋼板(High Strength Steel, HSS)。前者由于材料及工藝成本高、存貯周期短、生產(chǎn)周期長[1]、易發(fā)生脆性斷裂、材料可回收利用率低和報廢回收能耗高等[2]缺點無法滿足汽車構件批量化高效率生產(chǎn)；而后者通過采用較薄的高強度鋼板代替普通鋼板進行車體構件減重，但存在成形性能差、成形抗力大、回彈嚴重和貼模性差等缺點。另外，由于受到車體構件剛度要求的限制，高強鋼的輕量化潛能無法得到充分發(fā)揮[3]。

因此，Schmidt等[4]最先引入復合沖壓成形工藝來制造由鋼板和碳纖維預浸料層合而成的Steel/CFRP車身構件，在改善純CFRP構件脆性斷裂特性的同時，有效減輕等厚度純鋼制構件的重量。此外，Steel/CFRP構件中使用鋼板，使現(xiàn)有高效焊接技術仍然適用， 大幅度降低了工藝成本。目前，Steel/CFRP構件的研究大多集中在成形工藝可行性驗證、工藝參數(shù)對構件成形性能影響規(guī)律、構件的安全性和減重潛能評價等方面[5]。有關Steel/CFRP構件結合界面的研究，更多集中在接頭強度、損傷演化和疲勞斷裂行為方面[6-14]。然而，應該注意到：在溫熱成形Steel/CFRP構件過程中，兩種不同的變形機制，即鋼板的彈塑性變形和碳纖維預浸料的粘彈性面內(nèi)剪切變形，是同時發(fā)生的，且兩者之間存在相對滑動，這決定了Steel/CFRP構件特有的宏、微觀成形缺陷產(chǎn)生機理和破壞行為[15-16]。因此，深入理解和揭示溫熱成形Steel/CFRP構件的典型缺陷及其形成機制，是對新型輕量化Steel/CFRP構件進行質量控制及促進其在汽車工業(yè)得到廣泛應用的前提和基礎。

2 實 驗

Steel/CFRP構件的溫熱成形實驗是在Y28-200四柱液壓機上完成，實驗裝置、模具幾何形狀及結構尺寸見圖1。實驗用材料為1mm厚的DC03鋼板，厚度為0.33mm、面密度為150g/m2的3K斜紋編織碳纖維預浸料和528A脫模劑。

圖1 實驗裝置照片(a)和模具形狀、結構、尺寸示意圖(b)Fig.1 Photos of experimental setup (a) and diagram of mould geometry, structure and dimension (b)

圖2 Steel/CFRP構件溫/熱成形工藝示意圖Fig.2 Warm/hot forming process for Steel/CFRP structures

Steel/CFRP構件成形工藝試驗如圖2所示，按以下步驟實現(xiàn)：①將碳纖維預浸料和鋼板分別裁切成邊長為140mm、半徑為38mm的圓角正方形，將3層碳纖維預浸料疊層制成CFRP料坯，對鋼板依次進行糙化(Ra6.3)、清洗、干燥處理；②分別加熱CFRP料坯和鋼板至基體樹脂融化溫度T1(120℃)和鋼板溫成形溫度T2(550℃)，同時將模具預熱到80℃并噴涂脫模劑；③將加熱的鋼板和CFRP料坯迅速轉移至經(jīng)過預熱的模具上(≤10s)，形成 Steel/CFRP料坯，注意CFRP料坯在上、鋼板在下并緊挨凹模模面，并確保纖維方向、鋼板軋制方向及凹模入口直邊方向平行；④壓力機滑塊帶動凸模以300mm/min的速度下移，沖壓成形Steel/CFRP構件，待沖壓行程終了，將模具溫度升高至150℃并保溫 45min，待CFRP完全固化后，冷卻、脫模、取件，制得如圖3(a)所示的Steel/CFRP盒形件。

圖3 取樣方案及測點布置 (a) 切割軌跡示意圖； (b) 觀察區(qū)域定義； (c) 截面S1和S2上的測點布置。Fig.3 Sampling scheme and the measured points arrangement (a) diagram of cutting path； (b) defination of observation zones and (c) location of measured points on section S1 and S2

對Steel/CFRP盒形件用數(shù)控水切割機沿圖3(a)中所示軌跡進行切割，得到如圖3(b)所示的初始觀察樣品，并在其上定義觀察測量區(qū)域和圖3(c)所示相應測點，以評價Steel/CFRP盒形件的壁厚分布；最后，從前述各區(qū)域截取觀察試樣，用 S-3400N型掃描電鏡(SEM)觀察其微觀截面缺陷。

3 結果和討論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，用溫熱成形工藝制造的Steel/CFRP盒形件典型宏觀成形缺陷包括：起皺、貧/富樹脂區(qū)及壁厚分布不均等，微觀成形缺陷包括：孔隙、纖維束邊界、裂縫、碳纖維斷裂等。

3.1 Steel/CFRP盒形件的宏觀成形缺陷

3.1.1起皺 如圖4(a)所示，起皺主要發(fā)生在法蘭直邊中部區(qū)域(對應圖3(b)中的區(qū)域②)。起皺發(fā)生的原因主要有：(1)在壓邊圈作用下，CFRP預浸料中部分熔融樹脂被擠入壓邊圈下表面的微觀孔隙中，與粘彈態(tài)CFRP預浸料一起，使鋼板與壓邊圈間的接觸條件由先前的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?。因為濕摩擦條件下的摩擦系數(shù)(0.03～0.1)比干摩擦條件下的摩擦系數(shù)(>0.3)小很多，在很大程度上減少了成形期間材料的變形阻力。根據(jù)塑性變形理論，當鋼板從法蘭直邊部位流向圓角部位時，因流動阻力減小而使切向壓應力持續(xù)增加，最終導致材料發(fā)生失穩(wěn)起皺。

(2)在 Steel/CFRP盒形件拐角部位，CFRP預浸料主要是通過纖維束的面內(nèi)剪切旋轉和重新取向成形，而在法蘭直邊區(qū)域，沒有前述纖維取向發(fā)生，部分纖維會從CFRP編織預浸料中脫離，使得此處材料厚度急劇減小，造成鋼板與壓邊圈之間瞬間失去接觸，缺少壓邊作用而起皺。

3.1.2貧樹脂區(qū)形成 圖4(b)所示的貧樹脂區(qū)，主要出現(xiàn)在Steel/CFRP盒形件的底部圓角部位(對應圖3(b)中的區(qū)域⑧)，形成過程如圖4(c)所示。即該區(qū)域CFRP預浸料在凸、凹模壓力作用下發(fā)生厚向壓縮變形，使碳纖維束寬度增加，厚度減小。同時，碳纖維束間孔隙變窄，其中的部分熔融樹脂會被擠出并向周邊區(qū)域流動，最終形成貧樹脂區(qū)。其存在可通過化學腐蝕法測得的區(qū)域⑧處55.08% 的樹脂含量得到證實(CFRP預浸料的樹脂含量為60%)。

3.1.3富樹脂區(qū)形成 如圖4(b)所示的富樹脂區(qū)，出現(xiàn)在Steel/CFRP盒形件側壁(對應圖3(b)中的區(qū)域⑤和⑥)。其形成機制如圖4(e)所示，即當CFRP預浸料流經(jīng)凹模入口圓角時，部分熔融樹脂會被擠出到未受任何約束作用的上表面形成樹脂滴；隨著CFRP預浸料流入型腔，樹脂滴朝側壁移動，并逐漸與凸模側面接觸，被涂抹于CFRP預浸料上表面，固化后即形成富樹脂區(qū)。其存在也可通過化學腐蝕法測得區(qū)域⑤、⑥處66.28%和69.74%的樹脂含量得到證實(CFRP預浸料的樹脂含量為60%)。

3.1.4非均勻厚度分布 圖4(e)為Steel/CFRP盒形件不同區(qū)域的平均厚度分布情況。從圖可見，最大和最小厚度分別出現(xiàn)在圖3(b)的區(qū)域④和區(qū)域⑧，變化幅度達到初始Steel/CFRP坯料厚度的56.3%。其中，區(qū)域④的厚度增加量占坯料初始厚度約26.6%，而區(qū)域⑧的厚度減少量約為坯料初始厚度的29.7%。由于Steel/CFRP坯料在成形過程中，鋼板始終為CFRP預浸料提供支撐作用，所以忽略CFRP預浸料懸垂性對Steel/CFRP盒形件厚度變化的影響。基于此前提，測得Steel/CFRP盒形件在區(qū)域④和區(qū)域⑧的鋼板平均厚度分別為1.06和0.87mm，占對應部位厚度變化的11.3%和22.03%，其余厚度變化主要由CFRP預浸料的橫向壓縮造成。由此可推斷，CFRP預浸料的橫向壓縮變形對Steel/CFRP盒形件厚度分布均勻性的影響遠大于鋼板減薄，即CFRP預浸料的變形特征對Steel/CFRP盒形件厚度分布具有決定性影響。

造成這兩個區(qū)域厚度變化較大的原因很可能是：當CFRP預浸料從受壓邊圈約束的法蘭區(qū)流入凹模入口圓角區(qū)(區(qū)域④)時，先前發(fā)生的部分厚向壓縮變形，由于失去必要的壓邊力約束作用而反彈，與該區(qū)域經(jīng)受的面內(nèi)剪切壓應變一起，導致Steel/CFRP盒形件厚度顯著增加。而在Steel/CFRP盒形件的底部圓角區(qū)(區(qū)域⑧)，CFRP預浸料在經(jīng)歷“拉-剪-彎”復合變形和凸、凹模擠壓作用下發(fā)生的橫向壓縮變形，是造成該區(qū)域厚度嚴重減薄的主要原因。

3.2 Steel/CFRP盒形件的微觀成形缺陷

3.2.1孔隙和纖維束邊界 從圖5(a)可知：在區(qū)域③和④可觀察到不規(guī)則孔隙。通過化學腐蝕法和密度計算法可確定，上述兩個區(qū)域的孔隙率分別達到13.94%和7.18%。其形成原因主要是：在成形過程中卷入CFRP預浸料的小氣泡，持續(xù)朝不受壓邊圈和凸模約束作用的區(qū)域移動，并不斷聚合、變大，在基體樹脂固化后便形成孔隙。另外，在圖5(b)所示的區(qū)域⑤和區(qū)域⑥，可觀察到清晰的纖維束邊界，這很可能是由于固化過程中纖維束內(nèi)部與纖維束之間樹脂的不均勻收縮而引起的。

3.2.2裂縫 從圖5(c)所示的區(qū)域⑦可觀察到非常明顯的裂縫，這在坯料變形程度較大的區(qū)域③、④、⑤和⑧中都沒有出現(xiàn)?？紤]到區(qū)域⑦屬于彎曲變形區(qū)，與未發(fā)生裂縫區(qū)相比，變形歷史較簡單，變形程度較小，故推測鋼板的彎曲回彈是該區(qū)域裂縫形成的主要誘因，即鋼板因彈性恢復而產(chǎn)生的彈復力矩，會對與之粘結的CFRP材料施加一個相應的轉矩，使CFRP材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，當此內(nèi)應力達到 CFRP材料的彎曲強度時，即發(fā)生破壞形成裂縫。為驗證上述推測，在Abaquas軟件環(huán)境下，采用與實驗相同的模具幾何參數(shù)(見圖1(b))和工藝條件，對四分之一純鋼制盒形件依次進行成形過程仿真和回彈預測，然后將此回彈產(chǎn)生的彈復力矩，等效作用于區(qū)域⑦處的單位寬度純CFRP彎曲件，以獲知構件的應力分布情況。

所建立的CAE仿真模型如圖6(a)所示，材料參數(shù)見表1，回彈預測結果如圖6(b)所示。從圖6(b)可知，純鋼制盒形件最大回彈發(fā)生在法蘭直邊中間部位，對應最大側壁回彈角Δθ≈3.7147°。由式(1)和(2)計算得到單位寬度彈復力矩ΔM=92.957kN·cm。將此彈復力矩作用于圖6(c)所示的單位寬度純CFRP彎曲件，在Abaquas中用靜力隱式算法進行受力分析，結果如圖6(d)所示。從圖可知，最大應力(54MPa)遠大于用三點彎曲試驗所測得的同樣鋪層 CFRP材料的彎曲強度(18MPa)。這一結論有力地證明了裂縫主要是由鋼板回彈引起的這一推測。

表1 鋼板材料參數(shù)Table 1 Material properties of steel sheet

圖6 鋼制盒形件回彈預測及CFRP彎曲件受力分析 (a) CAE模型； (b) 回彈預測結果； (c) 載荷與約束； (d) 變形與應力分布Fig.6 Springback prediction of the steel box-shape structure and the analysis on stress and deflection of the CFRP U-shape specimen with unit width: (a) CAE model; (b) results of springback prediction; (c) load and constrains; (d) stress distribution after deflection

圖7 CFRP盒形件成形仿真結果 (a) 剪應力分布； (b) Mises應力分布Fig.7 Forming simulation result of the CFRP box-shape structure (a) shearing stress distribution; (b) Mises stress distribution

(1)

(2)

3.2.3碳纖維斷裂 為揭示圖5(d)中區(qū)域⑧處碳纖維斷裂的產(chǎn)生原因，在Abaquas 軟件環(huán)境下，采用與3.2.2節(jié)相同的模具幾何參數(shù)和工藝條件，對四分之一CFRP盒形件進行成形過程仿真。所用CFRP預浸料材料參數(shù)由式(3)～(6)給出的復合材料混合規(guī)則確定：E1=93GPa，E2=2.68GPa，v12=0.35GPa，G12=27.5GPa。仿真所得剪應力及應力分布分別如圖7所示。

(3)

(4)

v12=vfVf+vm(1-Vf)

(5)

(6)

式中：E1、E2分別為CFRP預浸料的縱、橫向彈性模量，G12、v12分別為剪切模量和泊松比，Ef、Em分別為纖維和基體樹脂的彈性模量，Gf、Gm為對應的剪切模量，vf、vm分別為對應的泊松比，Vf、Vm分別為對應的體積分數(shù)。

從圖7可見，最大剪應力出現(xiàn)在盒形件的法蘭拐角處，而最大等效應力則出現(xiàn)在盒形件的底部圓角處。也就是說，CFRP盒形件在成形過程中，隨著材料流入凹模，法蘭拐角處的剪切變形和剪應力逐漸增加，當達到剪切鎖死角之后，急劇增加的變形抗力會導致材料內(nèi)部拉應力的增大。尤其在應變最大的拉-剪-彎曲耦合變形區(qū)域 ⑧，當式(7)所示的最大應力斷裂準則滿足時，碳纖維發(fā)生斷裂。

(7)

式中：σ1、σ2分別為第1、2主方向上的拉應力，τ12為面內(nèi)剪切應力，Xt/Yt、Xc/Yc分別為第1/2主方向上的拉伸和壓縮強度，S為面內(nèi)剪切強度。

4 結 論

1．采用溫/熱成形工藝制造 Steel/CFRP盒形件時，出現(xiàn)的宏觀成形缺陷主要有：起皺、貧樹脂區(qū)、富樹脂區(qū)、壁厚分布不均勻等；微觀成形缺陷主要包括：孔隙、纖維束邊界、裂縫、碳纖維斷裂等。

2．起皺主要發(fā)生在法蘭直邊中部區(qū)域，其產(chǎn)生原因：一是該區(qū)域濕摩擦條件引起的變形阻力減少，二是該區(qū)域在成形過程中部分沒有發(fā)生重新取向的纖維束從CFRP預浸料中脫離，使鋼板與壓邊圈之間瞬間失去接觸。

3．在凸、凹模壓力作用下，CFRP預浸料的厚向壓縮變形、熔融樹脂向無約束區(qū)域流動，是貧樹脂區(qū)形成的主要原因；而富樹脂區(qū)則主要是在無約束凹模入口處，CFRP預浸料表面產(chǎn)生的樹脂液滴，在流入凹模型腔時被凸模側面涂抹引起。

4. 在凹模入口圓角區(qū)域：CFRP預浸料先前發(fā)生的厚向壓縮變形，由于失去必要的壓邊力約束作用而反彈，與所經(jīng)受的面內(nèi)剪切壓應變一起，使Steel/CFRP盒形件厚度增加；而在底部圓角區(qū)域：在經(jīng)歷“拉-剪-彎”復合變形和凸、凹模擠壓作用下，CFRP預浸料發(fā)生的橫向壓縮變形，使Steel/CFRP盒形件厚度嚴重減薄。

5. 成形過程中卷入CFRP預浸料的小氣泡不斷聚集、變大并固化，是微觀孔隙形成的主要成因；而固化過程中纖維束內(nèi)部與纖維束間樹脂的不均勻收縮，造成了明顯的纖維束邊界；另外，成形期間在CFRP預浸料中產(chǎn)生的超過纖維斷裂強度的最大拉應力及成形后鋼板回彈所產(chǎn)生的彈復力矩，分別引起了纖維斷裂和裂縫的形成。