重庆大学《JMST》：累积叠轧层状铝合金复合材料的弯曲断裂行为！

2021-12-14 10:57:30 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

通过不同方法合成的复合材料已经得到了广泛的研究，包括纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料（LMCs）。在传统材料中，LMC具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击等优点，被认为是在航空航天、汽车等工业环境中有应用前景的结构材料。多种工艺（如滚压复合、挤压复合和爆炸复合）已被用于制造各种LMC。软硬层在LMC中的配置符合增韧的需求。层状结构中软层的引入降低了硬层的体积分数，改变了变形过程中裂纹的扩展，导致裂纹偏转、裂纹桥接或界面分层。已有报道研究厚度比、堆垛顺序和成分对LMC断裂韧性的影响，然而对于不同层数的LMC复合材料的力学行为和增韧机理研究较少。

重庆大学的研究人员采用累积叠轧焊（ARB）工艺制备了不同厚度比和不同层数的AA1100/AA7075 LMCs。研究了AA1100/AA7075复合材料的力学性能及其断裂行为。讨论了结构变化对增韧机理的影响。相关论文以题为“Effect of lamellar structural parameters on the bending fracture behavior of AA1100/AA7075 laminated metal composites”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.075

本研究使用材料为1.5mm厚的AA1100-H24和2mm厚的AA7075-O。采用热ARB法制备多层Al/Al复合材料，经过堆叠辊压后成功制备了320层、640层和1280层的AA1100/AA7075试样（简称AA1100/AA7075（3:4））。为了分析层厚比对AA1100/AA7075 LMC力学性能的影响，采用1 mm厚的AA1100和4 mm厚的AA7075板材，在相同的轧制和堆焊条件下制备了厚度为4mm的5层复合材料（简称AA1100/AA7075（1:4））。

研究发现不同厚度比的AA1100/AA7075 LMC的应变分布差异明显，提高较软的1100Al层的体积分数可以容纳更多的变形，促进韧性效果的提高。相比于AA1100/AA7075（1:4）试样的弯曲强度，AA1100/AA7075（3:4）试样的弯曲强度下降主要是由于7075Al层的掺混率降低所致。而在AA1100/AA7075（3:4）试样中，受裂纹桥接层厚度限制的裂纹扩展抗力有利于弯曲韧性和延性的提高。

图1 不同厚度比AA1100/AA7075（1:4）和AA1100/AA7075（3:4）LMC的SEM图和ODF图

图2 不同厚度比AA1100/AA7075LMC的工程应力-应变曲线和两个试件对应的断裂部位应变分布

图3 （a）弯曲试验中使用的不同厚度比试件；（b）不同厚度比试样的弯曲应力-应变曲线；（c）和（d）分别为两个试件具有预缺口和有效应力分布的弯曲模型

图4 不同厚度比AA1100/AA7075LMC在不同位移下的应变分布

（a, b） AA1100/AA7075（3:4）；（c, d） AA1100/AA7075（1:4）

图5 多层AA1100/AA7075复合材料的滚压界面演变和320层、640层、1280层的显微组织与放大形貌

本文研究了厚度比和层数对Al/Al合金LMC增韧机理的影响。即使在1280层的板材中，ARB制备的AA1100/AA7075LMCs仍然保持连续平直的界面结构，这归因于较高的轧制温度和重复的中间退火过程。随着层数的增加，1280层试样的韧性比层数较少的低。可以认为，除了厚度效应外，裂纹挠度和界面分层也对韧性的提高起到了重要作用。本文为Al/Al合金LMC设计提供了理论基础。

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