CN105758791A - 金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法。测量装置包括相互面对的上夹持压板和下夹持压板，其特征在于，所述上夹持压板和下夹持压板位于相对面上分别设有贯穿各自长度的上凹槽和下凹槽，用于固定并穿过被测量试样。本发明通过把被测量试样的上下表面及侧面固定于开有凹槽的压板间，用以在拉伸试验时保证被测量试样的平直度。通过本发明的技术方案，既能使用传统的拉剪测量方法来定量评价界面的结合强度，又能保证测量时铝钢板材不发生弯曲变形，使得作用在界面上的拉力保持在同一平面，测量的结果更精确。

Description

金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法

技术领域

本发明主要涉及复合材料界面结合强度的测量，尤其涉及一种金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法。

背景技术

钎焊式铝钢复合材料是火力发电站空冷系统基管的主要原材料。采用钎焊式铝钢复合材料制造的电站空冷系统能够节约大量水资源，具有显著的经济和社会效益，因此钎焊式铝钢复合材料成为我国“十二五”重点发展的金属层状结构复合材料之一，国内对于这种材料的开发应用处于起步阶段。火电空冷用铝钢层状复合材料是由铝(原始厚度在0.2～0.3mm之间)和钢经过冷轧复合而成，钢为基体材料，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。铝钢界面的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、准确测量界面结合强度对于该种材料的开发及应用至关重要。

现有技术中对金属层状复合材料的界面结合强度的检测，一般是采用弯曲试验或剪切试验来评价其结合效果，弯曲试验只能定性评价铝钢复合材料界面的结合性能，但经此评定的弯曲合格的铝钢复合材料在高温钎焊时，仍可能出现铝钢界面分层的现象，因此弯曲试验效果并不理想。国家标准GB/T6396中规定了层状复合材料界面剪切强度的测试方法，其原理为：试验系用静压(拉)力通过相应的试验装置，使平行于试验力方向的基材与覆材的结合面承受剪力直至断裂，使覆材与基材分离，以测定其抗剪强度。该标准的拉剪试样见附图1所示。该测量方法能定量评价复合板界面的结合强度，但该测试方法只适用于覆层较厚(如大于0.5mm)的情况。因为如果覆层太薄，拉伸试验时薄的覆层容易先于界面结合处被拉断或弯曲变形，无法精确测量界面结合处的强度。而且如果覆层太薄，试样界面位置不好定位，试样与卡具之间的间隙对测量结果影响也较大。

现在通过将覆层薄膜和辅助材料连接在一起，对复合板和辅助材料施加力的作用，使薄膜与基体分离，从而测得薄膜和基体界面的结合强度。现有测量薄膜铝钢复合板铝膜和钢基体结合强度的方法，是将铝合金和薄膜铝钢复合板的铝膜进行焊接，然后用电子万能试验机进行拉剪试验。由于加厚了铝钢复合材料铝层的厚度，从而可以使用传统的拉剪等方法来定量评价界面的结合强度，但由于铝和钢的强度和塑性不一样，在拉剪过程中会产生弯曲力矩，被测试样会发生弯曲变形，如图2所示为拉剪试验后断裂的各部分结构示意图，其中10是铝钢复合板，20是在铝膜上焊接的铝合金。从图可看出拉断后的各部分都发生了翘曲变形。可见采用该方法导致检测结果波动幅度大，影响测量结果的精确性。

因此，有必要提出一种金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样的制作方法，既能使用传统的拉剪测量方法来定量评价界面的结合强度，又能保证测量时复合板材不发生弯曲变形，使得作用在界面上的拉力保持在同一平面，测量的结果更精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法，以克服上述现有技术存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种金属复合材料界面结合强度测量的装置，包括相互面对的上夹持压板和下夹持压板，其特征在于，所述上夹持压板和下夹持压板位于相对面上分别设有贯穿各自长度的上凹槽和下凹槽，用于固定并穿过被测量试样。

上述的装置，所述上夹持压板和下夹持压板上开有通孔；所述装置还包括螺栓，该螺栓穿过所述通孔，用于连接所述上夹持压板和下夹持压板以定位所述被测量试样。

上述的装置，所述上夹持压板和下夹持压板与所述螺栓上标有刻度，以保证在夹持被测量试样时，上夹持压板和下夹持压板之间的夹持力及上夹持压板和下夹持压板与被测量试样的间隙相同。

上述的装置，所述上凹槽和下凹槽的深度和宽度均相同。

本发明提供了一种金属复合材料界面结合强度测量的方法，通过把被测量试样的上下表面及侧面固定于开有凹槽的压板间，用以在拉伸试验时保证被测量试样的平直度。

上述的方法，测量所述复合材料界面结合强度的方法包括以下步骤：

步骤1：将所述焊有加强材料的被测量试样的上下表面及侧面夹持于开有凹槽的压板间；

步骤2：将所述被测量试样沿拉伸方向的两个自由端夹持于拉力机上进行拉伸试验；

步骤3：根据拉伸试验拉开被测量试样的基材和覆层时的最大拉力计算复合材料界面的抗剪强度，其抗剪强度为：最大拉力/剪切面积，剪切面积为被测量试样上覆层与基材拉断处的结合界面面积。

上述的方法，所述被测量试样与所述压板在被测量试样的夹持表面及夹持侧面间均设有一定的间隙。

本发明提供了一种用于金属复合材料结合强度测量的测量试样，所述复合材料包括基材和包覆层，在所述包覆层上焊有加强材料，所述复合材料的基材是钢08Al，包覆层是4A60铝，所述加强材料为4343/3003铝合金。

上述的测量试样，所述被测量试样上的加强材料和被测量试样的覆层的结合强度大于所述被测量试样中覆层和基材的结合强度。

上述的测量试样，所述的加强材料厚度与基材的厚度相同，以保证所述试验拉力作用在被测量试样的中心。

本发明提供了一种用于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：

S1、将金属加强材料与被测复合材料钎焊：

A、将复合材料的覆层表面和所述金属加强材料的端面分别涂覆钎剂，然后相互贴合；

B、将相互贴合的复合材料和金属加强材料在氮气气氛保护下、550-650℃炉内高温焊接；

C、在所述B步骤后保温10分钟，再降温至550℃以下，将焊好的复合材料出炉冷却。

S2、在焊有加强材料的复合材料上切割出一长条样品备用；

S3、在长条样品上开缺口：

D、在基材面上开一个第一缺口，使得基材在缺口处断开为两截；

E、在金属加强材料和覆层上开一个第二缺口，使得金属加强材料和覆层在缺口处分别断开为两截，且该缺口与第一缺口不重合。

进一步地，上述的制作方法中A步骤中所述钎剂分别涂覆5％-15％，所述贴合间隙小于0.05mm。

本发明提供的金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样的制作方法，既能使用传统的拉剪测量方法来定量评价界面的结合强度，又能保证测量时铝钢板材不发生弯曲变形，使得作用在界面上的拉力保持在同一平面，测量的结果更精确。

附图说明

图1是国家标准GB/T6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法中的试样加工尺寸图；

图2是现有技术测量铝钢复合材料界面结合强度时试样的变形图；

图3是按照本发明实施例的测量铝钢复合材料界面结合强度的装置进行拉伸试验图；以及

图4是图3所示剖面线A-A处的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

第一实施例

图3是按照本发明实施例的测量铝钢复合材料界面结合强度的装置进行的拉伸试验图。

如图3所示，本发明提供了一种金属复合材料界面结合强度测量的装置，包括相互面对的上夹持压板1和下夹持压板2。其特征在于，所述上夹持压板1和下夹持压板2位于相对面上分别设有贯穿各自长度的上凹槽11和下凹槽21，见图4所示，图4是图3所示剖面线A-A处的剖面图。上凹槽11和下凹槽21用于固定并穿过被测量试样4。被测量试样4是铝钢复合板材，钢是基体，铝是覆层。

上述的装置，所述上夹持压板1和下夹持压板2上各开有四个上下相互对应的直径相等的通孔；所述装置还包括螺栓3，该螺栓穿过所述通孔，用于连接所述上夹持压板1和下夹持压板2以定位所述被测量试样4。

上述的装置，所述上夹持压板1和下夹持压板2与所述螺栓3上标有刻度，以保证在夹持被测量试样4时，上夹持压板1和下夹持压板2之间的夹持力及上夹持压板和下夹持压板与被测量试样4的间隙相同。

上述的装置，所述上凹槽11和下凹槽21的深度t相同。上凹槽11和下凹槽21的宽度b也相同。

根据本发明实施例的测量铝钢复合材料界面结合强度的装置进行测量，其通过把被测量试样的上下表面及侧面固定于开有凹槽的压板间，用以在拉伸试验时保证被测量试样的平直度。

上述的方法，测量所述复合材料界面结合强度的方法包括以下步骤：

步骤1：将所述焊有加强材料的被测量试样的上下表面及侧面夹持于开有凹槽的压板间；

步骤2：将所述被测量试样沿拉伸方向的两个自由端夹持于拉力机上进行拉伸试验；

步骤3：根据拉伸试验拉开被测量试样的基材和覆层时的最大拉力计算复合材料界面的抗剪强度，其抗剪强度为：最大拉力/剪切面积，剪切面积为被测量试样上覆层与基材拉断处的结合界面面积。

上述的方法，所述被测量试样与所述压板在被测量试样的夹持表面及夹持侧面间均设有一定的间隙。

当然，在测量结合强度前，应进行试样的准备。可以自制试样，包括以下步骤：

S1、将金属加强材料与被测复合材料钎焊：

A、将复合材料的覆层表面和所述金属加强材料的端面分别涂覆钎剂，然后相互贴合；

B、将相互贴合的复合材料和金属加强材料在氮气气氛保护下、550-650℃炉内高温焊接；

C、在所述B步骤后保温10分钟，再降温至550℃以下，将焊好的复合材料出炉冷却。

S2、在焊有加强材料的复合材料上切割出一长条样品备用；

S3、在长条样品上开缺口：

D、在基材面上开一个第一缺口，使得基材在缺口处断开为两截；

E、在金属加强材料和覆层上开一个第二缺口，使得金属加强材料和覆层在缺口处分别断开为两截，且该缺口与第一缺口不重合。

进一步地，上述的制作方法中A步骤中所述钎剂分别涂覆5％-15％，所述贴合间隙小于0.05mm。

通过上述方法制得的测量金属复合材料结合强度的测量试样，所述复合材料包括基材和包覆层，在所述包覆层上焊有加强材料。

进一步地，上述的测量试样，所述复合材料的基材是钢08Al，包覆层是4A60铝，在所述包覆层上焊有加强材料4343/3003铝合金。

上述的测量试样，所述被测量试样上的加强材料和被测量试样的覆层的结合强度大于所述被测量试样中覆层和基材的结合强度。

上述的测量试样，所述的加强材料厚度与基材的厚度相同，以保证所述试验拉力作用在被测量试样的中心。

下面具体介绍测量复合材料界面结合强度的操作过程。

本实施例使用的拉剪试样为4A60铝/08Al钢复合材料，如图3所示为件4，总厚约为1.5mm，其中覆层铝层4A60厚度为0.08mm，图3所示为件42。基材钢层08Al厚度为1.49mm，图3所示为件43。作为加强材料的钎焊铝层(4343/3003)厚度为1.5mm，图3所示为件5。其中4343钎料层厚0.15mm，3003层厚1.35mm。把加强材料5焊到被测试样4后最终形成08Al钢/4A60铝/4343钎料层/3003铝层的结构，总厚度大约为3.0mm，被测量的铝钢界面位于试样的中心位置。

所述金属加强材料层与被测复合材料钎焊的具体操作为：(1)去除复合材料的表面油污；(2)钎剂涂覆，即复合材料的铝层表面和所述金属加强层的端面分别涂覆10％的钎剂，然后相互贴合，贴合间隙小于0.05mm，再将其烘干，烘干温度为200℃；(3)将相互贴合的复合材料和金属加强层放进钎焊炉，为保证钎焊质量，在其上均匀放置压块，炉内通入氮气保护，炉温升温至600℃，保温10分钟，再降温至550℃以下，将焊好的复合板出炉自然冷却。

接下来制备铝钢复合材料拉剪被测试样4。先预制铝钢复合材料分层部分，试样宽b为10mm。再参照国家标准GB/T6396-2008对被测试样进行其他步骤的加工，比如试样上缺口的开凿，如图3所示，在被测试样4上的基材上开第一缺口43，在被测试样4上的覆层42和加强材料5上开第二缺口44，缺口尺寸均参照国家标准试样如图1所示的规定。

拉伸时的剪切结合面长度a为2mm，受剪面积为2mm×10mm＝20mm²。拉剪装置的上下凹槽深度均为1mm。所述螺栓上标有刻度，在夹持试样时上下压板之间的夹持力及压板与被测试样的夹持间隙应保持一致，从而保证试验结果的精确度与可比性。上下压板尺寸均为为2mm厚×50mm宽×60mm长，压板上的上下凹槽的宽度均为(10+0.1)mm；压板上四个通孔的直径均为φ5mm；螺栓拧入的距离通过螺栓上的刻度来控制。

将铝钢拉剪被测试样4置于压板的上下凹槽11和21内，确保上下凹槽11和21和被测试样4之间留有一定间隙，使得拉伸试验时试样不致被上下压板1和2卡死。旋紧螺栓3，同时上下压板1和2各自被夹紧机构给固定。

再下来，通过万能力学试验机将拉剪试样的两个自由端夹紧，以5mm/min的恒定速度施加拉力F。记录拉剪过程中的力-位移曲线，测定最大力为1240N，通过最大力与受剪面积的比值计算出铝钢复合材料界面抗剪强度为1240N/20mm²＝62MPa。

本发明实施例的金属复合材料界面结合强度测量的装置及方法、试样及试样制作方法，既能使用传统的拉剪测量方法来定量评价界面的结合强度，又能保证测量时铝钢板材不发生弯曲变形，使得作用在界面上的拉力保持在同一平面，测量的结果更精确。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种金属复合材料界面结合强度测量的装置，包括相互面对的上夹持压板和下夹持压板，其特征在于，所述上夹持压板和下夹持压板位于相对面上分别设有贯穿各自长度的上凹槽和下凹槽，用于固定并穿过被测量试样。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上夹持压板和下夹持压板上开有通孔；所述装置还包括螺栓，该螺栓穿过所述通孔，用于连接所述上夹持压板和下夹持压板以定位所述被测量试样。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述上夹持压板和下夹持压板与所述螺栓上标有刻度，以保证在夹持被测量试样时，所述上夹持压板和下夹持压板之间的夹持力及上夹持压板和下夹持压板与被测量试样的间隙相同。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上凹槽和下凹槽的深度、宽度均相同。

5.一种金属复合材料界面结合强度测量的方法，其特征在于，通过把被测量试样的上下表面及侧面固定于开有凹槽的压板间，用以在拉伸试验时保证被测量试样的平直度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，测量所述复合材料界面结合强度的方法包括以下步骤：

步骤1：将所述复合材料被测量试样的上下表面及侧面夹持于开有凹槽的压板间；

步骤2：将所述被测量试样沿拉伸方向的两个自由端夹持于拉力机上进行拉伸试验；

步骤3：根据拉伸试验拉开被测量试样的基材和覆层时的最大拉力计算复合材料界面的抗剪强度，其抗剪强度为：最大拉力/剪切面积，剪切面积为被测量试样上覆层与基材剪切拉断处的结合界面面积。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述被测量试样与所述压板在被测量试样的夹持表面及夹持侧面间均设有一定的间隙。

8.一种用于金属复合材料结合强度的测量试样，所述复合材料包括基材和包覆层，在所述包覆层上焊有加强材料,其特征在于，所述复合材料的基材是钢08Al，包覆层是4A60铝，所述加强材料为4343/3003铝合金。

9.根据权利要求8所述的测量试样，其特征在于，所述被测量试样上的加强材料和被测量试样的包覆层的结合强度大于所述被测量试样中包覆层和基材的结合强度。

10.根据权利要求8所述的测量试样，其特征在于，所述的加强材料厚度与基材的厚度相同，以保证试验拉力作用在被测量复合材料试样的中心。

11.一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：

S1、将金属加强材料与被测复合材料钎焊：

A、将复合材料的包覆层表面和所述金属加强材料的端面分别涂覆钎剂，然后相互贴合；

B、将相互贴合的复合材料和金属加强材料在氮气气氛保护下、550℃-650℃炉内高温焊接；

C、在所述B步骤后保温5-15分钟，再降温至550℃以下，将焊好的复合材料出炉冷却。

S2、在焊有加强材料的复合材料上切割出一长条样品备用；

S3、在长条样品上开缺口：

D、在基材面上开一个第一缺口，使得基材在缺口处断开为两截；

E、在金属加强材料和覆层上开一个第二缺口，使得金属加强材料和覆层在缺口处分别断开为两截，且该缺口与第一缺口不重合。

12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，A步骤中所述钎剂分别涂覆5％-15％，所述贴合间隙小于0.05mm。