CN105547999B - 金属复合材料结合强度的测量方法、试样及试样制作方法 - Google Patents

金属复合材料结合强度的测量方法、试样及试样制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种金属复合材料结合强度的测量方法、试样及试样制作方法。该测量方法包括以下步骤：A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同和/或不同的包覆层合金材料；C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面；E、将试样放至试验装置中进行静压力试验；F、获取试样界面断裂时的最大拉应力F，根据强度计算公式σ(b)＝F/S，得到试样的结合强度。通过使用本发明中测量试样和测量方法，能够有效的测量金属复合材料的结合强度。

Description

金属复合材料结合强度的测量方法、试样及试样制作方法
技术领域
本发明主要涉及金属复合材料界面结合强度的检测技术领域，尤其涉及铝钢复合材料界面结合强度的检测技术领域。
背景技术
薄铝层铝钢复合带材兼具铝合金优良的耐腐蚀性能及导热性能和钢良好的力学性能等诸多优点，是电站空冷系统核心部件中冷却管束基管的主要原材料。采用铝钢复合带材制造的电站空冷系统取代水冷系统，可节约用水75％以上。基于铝钢复合带材表面质量、尺寸精度、性能的稳定性及生产效率等方面的综合考虑，目前工业上大多采用冷轧复合法来生产铝钢复合材料，其成品厚度在1.4～1.6mm之间，包覆层铝层厚度在0.05～0.09mm之间。铝钢界面结合质量决定了基管的成形性能及电站空冷系统的使用寿命，因此有效、定量、准确评价界面结合强度对于该种材料的冷轧复合控制及实际应用都非常重要。
由于电站空冷用铝钢层复合材料的铝层很薄，厚度为0.05～0.09mm，无法通过常规的剪切、撕离等力学手段对界面结合强度进行评价，由于无法制作出引头部分，也无法通过拉伸剥离试验定量测量铝钢复合材料的界面结合强度。目前对薄复层复合材料结合强度的测量，美国、日本和我国的国家标准均采用胶粘拉伸的方法，它具有操作简单灵活的特点，而且不需要复杂的理论计算。但由于目前强度最高的环氧树脂粘接剂与粘接引头的结合强度很难超过40MPa，而冷轧铝钢复合材料单道次的压下量超过50％，界面结合的强度大于50MPa，退火后的结合强度超过60MPa，由于这种方法的应用范围受到所用粘接剂(胶)的抗拉强度的限制，因此通过常规的粘接拉伸无法评价铝钢复合材料的界面结合强度。
发明内容
针对以上出现的问题，本发明提供了一种金属复合材料结合强度的测量方法及测量试样，能够有效的测量金属复合材料的结合强度。
本发明提出了一种金属复合材料结合强度的测量方法，包括以下步骤：
S1：制备测量用试样：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同和/或不同的包覆层合金材料；
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面；
S2：进行静压力试验：
E、将试样放至试验装置中进行静压力试验；
S3：计算结合强度：
F、获取试样界面断裂时的最大拉应力F，根据强度计算公式σ(b)＝F/S，得到试样的结合强度，
其中，F代表最大拉应力，S表示承受拉应力的结合面面积，σ(b)表示金属复合材料的结合强度。
如上所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其中，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
如上所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其中，在所述步骤C之前，还包括步骤：
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
如上所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其中，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
本发明还提出了一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，包括含有基层和包覆层的待加工试样和包覆层合金材料，其中，所述待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴，在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
如上所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，其中，所述复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
如上所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其中，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
本发明还提出了一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，包括以下步骤：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同和/或不同的包覆层合金材料；
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
如上所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，其中，在所述步骤C之前，还包括步骤：
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
如上所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，其中，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
如上所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其中，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
通过使用本发明中的测量试样和测量方法，可以摆脱常规测量方法中受粘结剂强度限制的问题，能够有效的测量金属复合材料的结合强度。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不构成本发明的限制，其中：
图1是本发明实施例中测量试样进行拉伸试验的示意图。
图中各标号表示如下：
1：钢层；
2：铝层；
3：粘结剂；
4：铝合金板；
5：压头；
6：试验装置。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思、各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示相同的部分。
本发明提出了一种金属复合材料结合强度的测量方法，包括以下步骤：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同和/或不同的包覆层合金材料。
具体的，可采用线切割方式从金属复合材料层上切割出直径为D的圆片样品，也可以采用其他方式进行切割，制作与上述直径为D的圆片样品同等直径的包覆层合金材料备用。
进一步的，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。所述所述包覆层合金材料为铝合金板。
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
打磨前，可以事先清洗圆片样品及铝合金板的待粘贴表面。目的在于清除待粘贴表面油污和氧化层，圆片样品的包覆层侧，即铝层侧与铝合金板的任一一个侧面均为待粘贴表面。
进一步的，为了获得更好的表面质量，可以通过以下手段清洗圆片样品及铝合金板的待粘贴表面：利用盐酸清洗圆片样品及铝合金板上的各待粘贴表面，然后用脱脂剂依次擦拭圆片样品及铝合金板的各待粘贴表面。
其中，脱脂剂一般为丙酮和酒精，由于清洗过的待粘贴表面会含有残留物，因此须对待粘贴表面进行打磨。通常是在各待粘贴表面风干后，采用500#砂纸对圆片样品及铝合金板的待粘贴表面进行砂纸打磨处理。
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴。
具体的，选取的铝合金板的直径与圆片样品的的直径相等，粘贴时，应使铝合金板与圆片样品的待粘贴面完全重合。
进一步的，所述粘结剂可选取环氧树脂粘结剂。环氧树脂适用于金属与金属之间的复合，如铁皮、镀锌板、铝箔、铜箔、铝板、冷板以及其他金属卷材。且经环氧树脂粘合的制品间的剥离强度可以达到40Mpa，经环氧树脂粘合的制品间的剥离强度比铝钢复合材料的界面结合强度大。圆片样品与铝合金板粘结后，放置在常温25℃状态下24小时以上，以使粘接剂完全固化；并设定粘接剂与铝合金板的粘接强度为σ(a)。
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面。并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
进一步的，所述一定形状的孔和/或台阶为圆形孔和圆形台阶。
具体的，采用钻孔方式在钢层侧加工出一半径为r的圆孔。根据事先测量的铝钢层结合面的厚度定位圆孔深度。使圆孔深度能够准确的达到铝钢结合面的位置，或率大于结合面深度。
在铝合金板的一侧加工出一半径为R的圆形台阶，其台阶深度超过铝钢结合面的位置，且R值大于r值。
E、将试样放至试验装置中进行静压力试验。
将制作好的试样放置固定在试验装置上。所述试验装置为一方形平台，平台中心加具有一圆形通孔。所述通孔半径等于圆形台阶的半径R，或率大于R，便于试样进行安装固定。
利用压头向半径为r的圆孔内的铝钢结合面施加压力。压力中心应保证作用在环形结合面的中心上，使其受力均匀。所述环形结合面为具有圆形孔和圆形台阶的铝钢层结合面。
F、获取试样界面断裂时的最大拉应力F，根据强度计算公式σ(b)＝F/S，得到试样的结合强度，
其中，F代表最大拉应力，S表示承受拉应力的结合面面积，σ(b)表示金属复合材料的结合强度。
如图1所示，该拉伸试验验的装置包括：由钢层1和铝层2构成的吕钢复合材料圆形样片，所述圆形样片通过粘结剂3与铝合金板4相粘贴构成测量试样，所述测量试样通过圆形台阶固定安装在试验装置6上，利用压头5向铝钢结合面施加压力。
在没有粘结剂3的条件下，试验时压头5使铝钢界面分层需要克服的力有铝层2与钢层1的结合力和铝层2发生剪切断裂所需要的力。设铝层2与基体钢层1的结合强度为σ(b)，圆孔的半径为r，台阶的半径为R，则要使铝层2和基体钢层1脱离所需要的拉力F1为：F1＝σ(b)×π(R2-r2)。设铝层2的剪切强度为τ，在相同半径条件下，铝层2发生剪切断裂所需要的力F2＝τ×2πr×t，其中t为铝层2的厚度。
为获得铝层2与基体的结合强度需要满足如下条件：F2＞F1。设铝合金的剪切强度τ＝60MPa；铝层2厚度t为0.1mm。根据铝钢复合材料产品要求，铝钢界面结合强度应与铝合金强度相同约为85MPa，设R＝5mm，此时计算出r＝4.93mm，R-r＝0.07mm。考虑到材料强度的波动、界面结合强度的波动及试样及试验装置精度的问题，r的数值会更大。这样意味着加工的界面面积非常小，导致机加工的难度和数据的离散性加大，在实际过程中的可行性下降。经过验证该方法在试样加工过程中界面就发生了断裂，并不能评价出界面的结合强度。
因此，为达到较小的r值，需要增加F2的值。故发明将铝层2通过粘结剂粘3在另外的辅助材料铝合金板4上，以增加铝层2发生剪切时的F2值。此时，F2可表示为F3＝τ×2πr×t+σ(a)×πr2，其中σ(a)为粘结剂3的抗拉强度。为获得铝层2与基体的结合强度需要满足如下条件：F3＞F1。由于粘结剂的作用，铝层2端面的半径临界值r会减小，使得评价面积变大，如设σ(a)＝40MPa，则可以计算出r＝4.0mm，此时R-r＝1mm，从而达到机加工的要求，实现界面在垂直拉应力下结合强度的评价。
本发明只要在加工试样时保证铝钢结合界面面积τ×2πr×t+σ(a)×π(R2-r2)＞σ(b)×π(R2-r2)即可评价界面的结合强度。其中τ为铝层2的剪切强度；r为孔的半径；t为铝层的厚度；σ(a)为粘结剂3的抗拉强度；R为凸台台阶的半径；σ(b)为铝层2与基体钢层1的结合强度。
本发明还提出了一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，包括含有基层和包覆层的待加工试样和包覆层合金材料，其中，所述待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴，在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
进一步的，所述复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
进一步的，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
本发明还提出了一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，包括以下步骤：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同和/或不同的包覆层合金材料；
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
进一步的，在所述步骤C之前，还包括步骤：
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
进一步的，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
进一步的，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
以下结合实施例做进一步说明。
实施例
本发明使用的粘接拉伸试样为铝钢复合材料，其中，钢为08Al钢材，铝为4A60铝合金，总厚为1.5mm，其中铝层厚度0.08～0.1mm，钢层厚度1.49mm，铝层2厚度远小于钢层1厚度。
测量用试样的制作与试验方法的具体步骤如下：
(1)利用线切割方式在铝钢复合材料层上加工出直径为D的圆片样品，并制作一块直径与圆片样品的直径相同的铝合金板4。
(2)待粘贴表面进行砂纸打磨处理。
先用盐酸清洗上圆片样品及铝合金板4的各待粘贴表面，然后用丙酮依次擦拭圆片样品及铝合金板4的各待粘贴表面，去除样品的表面油污，在各待粘贴表面风干后，采用500#砂纸对圆片样品及铝合金板4的待粘贴表面进行砂纸打磨处理，使样品表面粗糙度达到2μm。
(3)使用环氧树脂粘接剂将铝合金板4的待粘贴表面粘合在圆片样品的待粘贴表面上，并于常温下放置24小时以上，以使粘接剂3完全固化，粘贴时应使待粘贴表面完全重合。
(4)采用钻孔方式在钢层1侧加工出一半径r为5mm，深度h为1.49mm的圆孔。圆孔深度刚好到达铝钢复合材料的结合面。
在铝合金板4的一侧加工出一半径为R＝6.5mm的圆形台阶，其台阶深度超过铝钢结合面的位置，台阶深度。
(5)将制作好的试样放置固定在试验装置6上。利用压头5向半径为r的圆孔内的铝钢结合面施加压力F。压力中心应保证作用在环形结合面的中心上，使其受力均匀。
(6)获取试样界面断裂时的最大拉应力F＝2516N，根据强度计算公式σ(b)＝F/S＝F/π(R2-r2)＝46MPa，得到试样的结合强度。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (11)

1.一种金属复合材料结合强度的测量方法，包括以下步骤：
S1：制备测量用试样：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同或不同的包覆层合金材料；
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面；
S2：进行静压力试验：
E、将试样放至试验装置中进行静压力试验；
S3：计算结合强度：
F、获取试样界面断裂时的最大拉应力F，根据强度计算公式σ(b)＝F/S，得到试样的结合强度，
其中，F代表最大拉应力，S表示承受拉应力的结合面面积，σ(b)表示金属复合材料的结合强度。
2.根据权利要求1所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其特征在于，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
3.根据权利要求1所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其特征在于，在所述步骤C之前，还包括步骤：
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
4.根据权利要求1所述的金属复合材料结合强度的测量方法，其特征在于，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
5.一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，包括含有基层和包覆层的待加工试样和包覆层合金材料，其特征在于，所述待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴，在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
6.根据权利要求5所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，其特征在于，所述复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
7.根据权利要求5所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样，其特征在于，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
8.一种用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，包括以下步骤：
A、在含有基层和包覆层的复合材料上切割出一定形状的待加工试样，制作与待加工试样形状相同或不同的包覆层合金材料；
C、将待加工试样的包覆层侧与包覆层合金待粘贴表面相粘贴；
D、在待加工试样的基层侧加工一定形状的孔直到基层与包覆层的结合面，并在包覆层合金侧加工出一定形状的台阶，其深度超过基层与包覆层结合面。
9.根据权利要求8所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，其特征在于，在所述步骤C之前，还包括步骤：
B、对待加工试样的包覆层侧及包覆层合金的待粘贴表面进行打磨处理。
10.根据权利要求8所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，其特征在于，所述金属复合材料为铝钢复合材料，其中钢为基层，铝为包覆层。
11.根据权利要求8所述的用于测量金属复合材料结合强度的测量试样的制作方法，其特征在于，所述一定形状的孔和/或台阶包括圆形、方形或其他形状的孔和/或台阶。
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