通過不同方法合成的復合材料已經得到了廣泛的研究,包括纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料和層狀復合材料(LMCs)。在傳統材料中,LMC具有密度低、強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等優點,被認為是在航空航天、汽車等工業環境中有應用前景的結構材料。多種工藝(如滾壓復合、擠壓復合和爆炸復合)已被用于制造各種LMC。軟硬層在LMC中的配置符合增韌的需求。層狀結構中軟層的引入降低了硬層的體積分數,改變了變形過程中裂紋的擴展,導致裂紋偏轉、裂紋橋接或界面分層。已有報道研究厚度比、堆垛順序和成分對LMC斷裂韌性的影響,然而對于不同層數的LMC復合材料的力學行為和增韌機理研究較少。
重慶大學的研究人員采用累積疊軋焊(ARB)工藝制備了不同厚度比和不同層數的AA1100/AA7075 LMCs。研究了AA1100/AA7075復合材料的力學性能及其斷裂行為。討論了結構變化對增韌機理的影響。相關論文以題為“Effect of lamellar structural parameters on the bending fracture behavior of AA1100/AA7075 laminated metal composites”發表在Journal of Materials Science & Technology。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.075
本研究使用材料為1.5mm厚的AA1100-H24和2mm厚的AA7075-O。采用熱ARB法制備多層Al/Al復合材料,經過堆疊輥壓后成功制備了320層、640層和1280層的AA1100/AA7075試樣(簡稱AA1100/AA7075(3:4))。為了分析層厚比對AA1100/AA7075 LMC力學性能的影響,采用1 mm厚的AA1100和4 mm厚的AA7075板材,在相同的軋制和堆焊條件下制備了厚度為4mm的5層復合材料(簡稱AA1100/AA7075(1:4))。
研究發現不同厚度比的AA1100/AA7075 LMC的應變分布差異明顯,提高較軟的1100Al層的體積分數可以容納更多的變形,促進韌性效果的提高。相比于AA1100/AA7075(1:4)試樣的彎曲強度,AA1100/AA7075(3:4)試樣的彎曲強度下降主要是由于7075Al層的摻混率降低所致。而在AA1100/AA7075(3:4)試樣中,受裂紋橋接層厚度限制的裂紋擴展抗力有利于彎曲韌性和延性的提高。
圖1 不同厚度比AA1100/AA7075(1:4)和AA1100/AA7075(3:4)LMC的SEM圖和ODF圖
圖2 不同厚度比AA1100/AA7075LMC的工程應力-應變曲線和兩個試件對應的斷裂部位應變分布
圖3 (a)彎曲試驗中使用的不同厚度比試件;(b)不同厚度比試樣的彎曲應力-應變曲線;(c)和(d)分別為兩個試件具有預缺口和有效應力分布的彎曲模型
圖4 不同厚度比AA1100/AA7075LMC在不同位移下的應變分布
(a, b) AA1100/AA7075(3:4);(c, d) AA1100/AA7075(1:4)
圖5 多層AA1100/AA7075復合材料的滾壓界面演變和320層、640層、1280層的顯微組織與放大形貌
本文研究了厚度比和層數對Al/Al合金LMC增韌機理的影響。即使在1280層的板材中,ARB制備的AA1100/AA7075LMCs仍然保持連續平直的界面結構,這歸因于較高的軋制溫度和重復的中間退火過程。隨著層數的增加,1280層試樣的韌性比層數較少的低。可以認為,除了厚度效應外,裂紋撓度和界面分層也對韌性的提高起到了重要作用。本文為Al/Al合金LMC設計提供了理論基礎。
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