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重慶大學(xué)《JMST》：累積疊軋層狀鋁合金復(fù)合材料的彎曲斷裂行為！

2021-12-14 10:57:30 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

通過不同方法合成的復(fù)合材料已經(jīng)得到了廣泛的研究，包括纖維增強復(fù)合材料、顆粒增強復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料（LMCs）。在傳統(tǒng)材料中，LMC具有密度低、強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等優(yōu)點，被認為是在航空航天、汽車等工業(yè)環(huán)境中有應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。多種工藝（如滾壓復(fù)合、擠壓復(fù)合和爆炸復(fù)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(jié)構(gòu)中軟層的引入降低了硬層的體積分數(shù)，改變了變形過程中裂紋的擴展，導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)、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(shù)的LMC復(fù)合材料的力學(xué)行為和增韌機理研究較少。

重慶大學(xué)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(shù)的AA1100/AA7075 LMCs。研究了AA1100/AA7075復(fù)合材料的力學(xué)性能及其斷裂行為。討論了結(jié)構(gòu)變化對增韌機理的影響。相關(guān)論文以題為“Effect of lamellar structural parameters on the bending fracture behavior of AA1100/AA7075 laminated metal composites”發(fā)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(fù)合材料，經(jīng)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(xué)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(fù)合材料（簡稱AA1100/AA7075（1:4））。

研究發(fā)現(xiàn)不同厚度比的AA1100/AA7075 LMC的應(yīng)變分布差異明顯，提高較軟的1100Al層的體積分數(shù)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(yīng)力-應(yīng)變曲線和兩個試件對應(yīng)的斷裂部位應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）和（d）分別為兩個試件具有預(yù)缺口和有效應(yīng)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(yīng)變分布

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

圖5 多層AA1100/AA7075復(fù)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(shù)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(xù)平直的界面結(jié)構(gòu)，這歸因于較高的軋制溫度和重復(fù)的中間退火過程。隨著層數(shù)的增加，1280層試樣的韌性比層數(shù)較少的低。可以認為，除了厚度效應(yīng)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(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

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