徐士新鄧素懷李釗胡海朝胡開廣孫齊松

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，唐山063200；3.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300350）

1 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）具有抗拉強(qiáng)度高、比模量大、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，在各行各業(yè)普遍應(yīng)用，但同時(shí)又存在剪切模量低、易發(fā)生脆性破壞等缺點(diǎn)[2]，制約了其在工程中的大規(guī)模應(yīng)用。金屬材料（特別是鋼鐵材料）具有高塑韌性以及良好的加工性能，在各行各業(yè)也有廣泛應(yīng)用。綜合對(duì)比2種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)FRP與金屬材料具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，將FRP與金屬?gòu)?fù)合，形成1種新型的復(fù)合材料[3]，該復(fù)合材料不僅能充分發(fā)揮2種材料各自的優(yōu)勢(shì)，而且具有屈服后剛度的特征，并有著穩(wěn)定的“二次剛度”[4]。

目前，關(guān)于FRP與金屬材料的復(fù)合研究主要有以下方面：張志春等[5]采用拉擠成型工藝制備了鋼絞線與玻璃纖維的復(fù)合筋；羅云標(biāo)等[6]采用手工包覆的方法制備了鋼筋與碳纖維的復(fù)合筋；關(guān)于FRP與金屬板材的應(yīng)用研究多集中在航空領(lǐng)域中的Arall（芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層合板）[7]、Glare（玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板）[8]，而纖維增強(qiáng)鋼鐵材料的研究多集中在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域[9]，在汽車車身上的應(yīng)用較少，由報(bào)導(dǎo)[10]可知，第6代BMW7系部分結(jié)構(gòu)件（B柱等）已采用了金屬/纖維混雜結(jié)構(gòu)，通過合理的設(shè)計(jì)將輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維復(fù)合材料與良好塑韌性的金屬材料相結(jié)合，使整車在保持優(yōu)異力學(xué)和碰撞性能的前提下質(zhì)量減輕130 kg[11]，隨著汽車對(duì)承載零部件材料疲勞、碰撞性能、損傷容限等要求的提高[12]，金屬/纖維混雜復(fù)合材料具有良好的應(yīng)用前景[13]，具體的應(yīng)用場(chǎng)景主要表現(xiàn)在A/B柱、前縱梁、車頂橫/縱梁等承力位置。而不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板對(duì)Steel/FRP復(fù)合材料力學(xué)行為影響的研究尚未發(fā)現(xiàn)，通過單軸拉伸試驗(yàn)，研究了不同強(qiáng)度級(jí)別汽車用鋼對(duì)Steel（鋼）/碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）復(fù)合材料力學(xué)行為的影響，為Steel/CFRP復(fù)合材料在汽車承載零部件設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用鋼板分別選取300 MPa、600 MPa、1 000 MPa強(qiáng)度級(jí)別汽車用鋼，鋼板厚度為0.8 mm。試驗(yàn)所用纖維復(fù)合材料選用T700-24k碳纖維單向預(yù)浸布，其面密度為215 g/m2，樹脂含量為42%，單層厚度為0.14 mm。

Steel/CFRP復(fù)合材料采用“2+1”三明治結(jié)構(gòu)（圖1），由模壓工藝制得，上、下面板均采用同一種鋼板，中間芯材采用碳纖維單向預(yù)浸布鋪層結(jié)構(gòu)。其中鋼板靠近芯材側(cè)表面打磨粗化，然后用丙酮清洗干凈；芯材鋪層結(jié)構(gòu)由碳纖維單向預(yù)浸布按照[0/90]3鋪層方式鋪設(shè)；鋪設(shè)完成后與鋼板組坯，在熱壓機(jī)上進(jìn)行固化，固化工藝如圖2所示。

Steel/CFRP復(fù)合材料制備完成后按照ASTM D638加工試樣并在Instron萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。將Steel/CFRP復(fù)合材料切取10 mm×10 mm試樣沿截面鑲嵌，經(jīng)機(jī)械研磨拋光后采用光學(xué)顯微鏡觀察復(fù)合材料界面微觀形貌；采用掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣斷裂形貌。

圖1 Steel/CFRP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意

圖2 固化工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀形貌

采用光學(xué)顯微鏡觀察Steel/CFRP復(fù)合材料界面結(jié)合情況，如圖3所示，白色圓形顆粒為徑向碳纖維，黑色區(qū)域?yàn)闃渲?，上下白色區(qū)域?yàn)殇摪?，鋼板單?cè)表面經(jīng)打磨粗化后，表面呈現(xiàn)出一定的凹凸度，增加了鋼板與樹脂的接觸面積，凹坑處均由樹脂填充，屬于富樹脂區(qū)，且未見纖維填充；CFRP層中0°和90°方向的層厚保持一致，約110μm；不同鋼板強(qiáng)度對(duì)應(yīng)試樣中CFRP層厚度基本一致，保持在670μm左右。鋼板層與CFRP層結(jié)合效果良好，未發(fā)現(xiàn)層間裂紋。

3.2 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板及其對(duì)應(yīng)的Steel/CFRP復(fù)合材料單軸拉伸性能如表1所示，與單一鋼板對(duì)比，Steel/CFRP復(fù)合材料具有不同的增強(qiáng)效果，結(jié)合其應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖4），具體效果如下：當(dāng)碳纖維預(yù)浸布按照[0/90]3的鋪層方式時(shí)，Steel（300 MPa）/CFRP可增強(qiáng)40.6%，斷后伸長(zhǎng)率略有下降，仍可達(dá)43.5%；Steel（600 MPa）/CFRP的抗拉強(qiáng)度基本與鋼板持平，斷后伸長(zhǎng)率為23.5%；Steel（1 000 MPa）/CFRP的抗拉強(qiáng)度有所減弱，達(dá)到891 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為13.5%。與鋼板出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值相比，Steel/CFRP復(fù)合材料使出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變值大幅度前移，這使得該材料當(dāng)遭遇低于Steel/CFRP復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度而高于鋼板屈服強(qiáng)度的載荷時(shí)，可避免發(fā)生特別明顯的塑性變形，以Steel(600 MPa)/CFRP復(fù)合材料為例，當(dāng)施加500 MPa的載荷時(shí)，對(duì)于單一鋼板，很容易進(jìn)入塑性變形階段，形變無法恢復(fù)，而Steel/CFRP復(fù)合材料仍處于彈性變形階段，試樣撤銷載荷后可恢復(fù)原狀。

圖3 復(fù)合材料微觀形貌

表1 鋼板及復(fù)合材料的力學(xué)性能

將由不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板制得的Steel/CFRP復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線放大，可將整個(gè)單軸拉伸過程分為4個(gè)階段（圖5）。

圖4 鋼板與對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

a.在Steel/CFRP復(fù)合材料單軸拉伸變形初期，不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼板層與CFRP層表現(xiàn)出良好的協(xié)同變形能力，兩者共同承擔(dān)拉伸載荷，試樣伸長(zhǎng)量與拉伸載荷呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，此時(shí)處于彈性變形階段；

b.隨著拉伸載荷的逐漸增加，鋼板層開始進(jìn)入塑性變形過程，此時(shí)拉伸載荷大部分由CFRP層承擔(dān)，在圖5中可以看出，試樣的伸長(zhǎng)量與拉伸載荷仍呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律，但該階段在相同應(yīng)變條件下應(yīng)力增加幅度減小，且未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，此時(shí)表現(xiàn)出吳剛等[14]提出的“二次剛度”現(xiàn)象；

c.隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，CFRP層中的樹脂開始斷裂，同時(shí)拉伸試樣伴隨著“噼啪”的響聲，繼續(xù)增大拉伸位移，拉伸試樣發(fā)出短暫的大聲“嘭”響，拉伸載荷迅速回落，CFRP層中纖維斷裂，但由于試樣外層鋼板的保護(hù)，CFRP層并未出現(xiàn)李耘宇等[15]出現(xiàn)的炸開現(xiàn)象；

d.隨后所有的拉伸載荷均由屈服后的鋼板承擔(dān)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與單一鋼板基本保持一致，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到鋼板斷裂應(yīng)變時(shí)，拉伸試樣徹底失效。

不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板對(duì)Steel/CFRP復(fù)合材料單軸拉伸性能的影響主要表現(xiàn)2個(gè)方面，一是在彈性變形階段，低強(qiáng)度級(jí)別鋼板進(jìn)入塑性變形階段較早，導(dǎo)致CFRP層過早地承擔(dān)了大部分拉伸載荷，使拉伸載荷達(dá)到405 MPa時(shí)纖維即發(fā)生斷裂，因此低強(qiáng)度級(jí)別Steel/CFRP復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度定格在405 MPa，而高強(qiáng)度級(jí)別鋼板的彈性變形階段較長(zhǎng)，加上CFRP層引起的“二次剛度”現(xiàn)象，使得整體抗拉強(qiáng)度達(dá)到891 MPa；二是CFRP層斷裂后，所有載荷集中在鋼板時(shí)，低強(qiáng)度級(jí)別鋼板具有較好的塑性，可使Steel/CFRP復(fù)合材料整體具有良好的塑性，而高強(qiáng)度級(jí)別鋼板由于本身塑性低于低強(qiáng)度級(jí)別鋼板，在與CFRP復(fù)合后，整體塑性效果不及低強(qiáng)度級(jí)別鋼板制得的復(fù)合材料。

3.3 單軸拉伸失效形式

與文獻(xiàn)[16]中復(fù)合材料CFRP層呈現(xiàn)的炸裂狀破壞形式不同，此Steel/CFRP復(fù)合材料由于外層鋼板的保護(hù)，未出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，鋼板與CFRP層呈現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象。采用掃描電子顯微鏡觀察Steel/CFRP復(fù)合材料單軸拉伸試樣斷裂后的形貌，如圖6所示，CFRP層斷面不平整，其中0°方向纖維絲束非常整齊地?cái)嗔?，屬于典型的平口斷裂形貌，絲束周圍緊緊包裹著1層基體樹脂，且樹脂表面非常粗糙，這說明纖維與樹脂間結(jié)合較好；90°方向纖維束發(fā)生剪切斷裂；鋼板層則為典型的塑性斷裂。

圖6 單軸拉伸試樣斷口形貌

4 單軸拉伸過程的理論預(yù)測(cè)

WU G等[17]基于復(fù)合法則對(duì)由鋼筋和FRP復(fù)合而成的鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋增強(qiáng)材料（SFCB）本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，并對(duì)其單軸拉伸性能進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。結(jié)合試驗(yàn)中的單軸拉伸過程，對(duì)其不同階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析。

a階段，應(yīng)變?chǔ)庞?至鋼板開始塑性變形，此階段為彈性變形階段，Steel/CFRP復(fù)合材料的應(yīng)力與應(yīng)變成線性變化規(guī)律，其拉應(yīng)力σ1計(jì)算如公式（1）。

式中，Es為鋼板層的彈性模量；As為鋼板層的橫截面積；Ec為CFRP層（鋪層方式為[0/90]3）的彈性模量；Ac為CFRP層（鋪層方式為[0/90]3）的橫截面積；α為該階段復(fù)合材料彈性模量的修正系數(shù)；A為Steel/CFRP復(fù)合材料的總橫截面積(A=As+Ac)；εy為鋼板開始塑性變形的應(yīng)變。

b階段，應(yīng)變?chǔ)庞射摪彘_始塑性變形至CFRP層發(fā)生斷裂，該階段應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)员憩F(xiàn)為線性規(guī)律，但其斜率明顯低于a階段，此時(shí)其拉應(yīng)力σ2計(jì)算如公式（2）。

式中，β為該階段復(fù)合材料彈性模量的修正系數(shù)；fy為鋼板開始塑性變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；εcu為CFRP層斷裂時(shí)的應(yīng)變。

c階段，CFRP層逐漸斷裂，載荷逐漸轉(zhuǎn)移到屈服的鋼板層，將此階段簡(jiǎn)化為CFRP的瞬間斷裂。

d階段，由CFRP層完全斷裂至鋼板層完全斷裂，該階段所有載荷均由已經(jīng)屈服的鋼板承擔(dān)，其拉應(yīng)力σ4計(jì)算如公式（3）。

式中，fs為鋼板的應(yīng)力，εsu為鋼板斷裂時(shí)的應(yīng)變。

計(jì)算該階段應(yīng)力時(shí)，CFRP層雖已斷裂，為與a階段、b階段保持一致，面積仍采用復(fù)合材料的總橫截面積A。

在 本 試 驗(yàn) 中，As=20 mm2，Ac=8.375 mm2，Ec=103 GPa，針對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板與CFRP制得的復(fù)合材料，對(duì)應(yīng)不同的基本性能參數(shù)，如表2所示。

表2 基本性能參數(shù)

根據(jù)不同級(jí)別Steel/CFRP復(fù)合材料的基本性能參數(shù)，對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示，擬合所得修正系數(shù)如表3所示，經(jīng)過修正的a階段、b階段理論值與試驗(yàn)值吻合較好，d階段由于鋼板屈服后截面發(fā)生應(yīng)力重分布[18]，以及CFRP層斷裂后相互間的摩擦力等原因，理論值與試驗(yàn)值存在一定的偏差。

圖7 單軸拉伸過程理論預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比

表3 修正系數(shù)

5 結(jié)論

通過單軸拉伸試驗(yàn)，研究了不同強(qiáng)度級(jí)別鋼板對(duì)由其制得的Steel/CFRP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論。

a.當(dāng)T700碳纖維預(yù)浸布采用[0/90]3鋪層方式鋪設(shè)時(shí)，與單一鋼板相比，低強(qiáng)度級(jí)別鋼板制得的Steel/CFRP復(fù)合材料增強(qiáng)效果顯著，中等強(qiáng)度級(jí)別鋼板制得的Steel/CFRP復(fù)合材料與鋼板抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，高強(qiáng)度級(jí)別鋼板制得的Steel/CFRP復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度略有下降，但均可使其抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變值大幅度前移；

b.Steel/CFRP復(fù)合材料的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有穩(wěn)定的“二次剛度”現(xiàn)象；

c.針對(duì)Steel/CFRP復(fù)合材料單軸拉伸過程中的不同階段，采用彈性模量修正系數(shù)α和β，可使單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的理論值與試驗(yàn)值吻合較好。

結(jié)合上述結(jié)論，對(duì)Steel/CFRP復(fù)合材料的推廣應(yīng)用作以下可行性分析。

a.低強(qiáng)度級(jí)別鋼板通過少量碳纖維預(yù)浸布的增強(qiáng)，可達(dá)到中高強(qiáng)度鋼板的級(jí)別，并具有較好的剛度，從而實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度鋼板對(duì)高強(qiáng)度鋼板的替代，采用合適的配比甚至可達(dá)到熱成形鋼的效果；

b.Steel/CFRP復(fù)合材料應(yīng)用于車身外板時(shí)，“二次剛度”現(xiàn)象可明顯提升復(fù)合材料的彈性變形階段，減少了外板鈑金的幾率。