复合材料板范文

复合材料板范文（精选10篇）

复合材料板 第1篇

制成的单向带和半预浸渍料, 其特点是初期为连续玻纤、芳纶及碳纤维等作为增强材料, 同工程热塑性如聚醚砜 (PES) 、聚醚酰亚胺 (PEI) 作为基体, 但最近又与高性能聚苯硫醚 (PPS) 及聚醚醚酮 (PEKK) 进行复合成产品。原先因采用手工铺迭效率低, 而采用自动化机械铺迭, 资金投入大, 阻碍了这类材料用量的增长;现在采用能热成型复合材料板方法, 有助于克服障碍, 促进发展。据说, 使用这种方法后, 纤维增强热塑性复合材料正以20%的年增长递增。

这种能热成型的复合材料板, 同以前的纤维增强热塑性复合材料板大不相同。它是结构用板材, 可接近于承受负荷的连续纤维增强热固性复合材料板的性能。采用能热成型复合材料板制造方法, 可对成型工艺、纤维/树脂比、纤维取向或结构制定可靠方案。能简化工序, 在自动化线上大批量生产, 提高产品稳定性、可重复性, 生产周期缩短, 产品有较好韧性与抗冲击性, 材料可回收循环利用。

优秀团员事迹材料公司板 第2篇

曹亢，男，共青团员，今年26岁，2011年进入陕钢集团汉钢公司轧钢厂，毕业于西安工业大学北方信息工程学院，机电信息系，现任陕钢集团汉钢公司轧钢厂机修工段技术员。自进入公司以来我先后参与了设备的安装调试，试运行，见证着陕钢集团汉钢公司轧钢厂半年达产达效这一奇迹的全过程，自2011年进入公司以来，兢兢业业，勤奋工作，取得领导的肯定与好评，2012年9月参与中华全国总工会组织的“感恩。奉献、永远跟党走”职工感言活动，获得全国总工会授予的“三等奖”，同年荣获陕钢集团汉钢公司“精神文明奉献奖”。

一、认真学习，提高自身素养。

自参加工作以来，我一直从思想上积极向党组织靠拢，平时认真学习学习科学发展观和党的十八大会议精神，不断提升自身政治修养，且关心国家大事，积极参加项目组织的政治学习、培训和文体活动，以团员的标准严格要求自己，全心全意投入工作中，严肃个人生活作风，以科学的发展观武装自己，高举马克思列宁主义。毛泽东思想、邓小平理论的伟大旗帜，以献身社会，服务公司作为自己的人生奋斗目标。对于工作我充满了热情，为了把自己的技术能力和知识面做得更宽更系统化，为了提高机修工段全体员工的技能水平，一方面我勤加学习，不断开拓进取，扩展自己的知识，一方面我通过将轧钢厂自去年8月份投产以来所有事故案例一一汇总，教导给底下员工，让员工能够更好地了解整条线上的常见故障及处理办法，提高员工应对突发问题的能力。

二、钻研业务，立足岗位成才。

2011年8月，刚刚走出校门的我，被分配在轧钢厂机修工段，先后在龙钢公司宝鸡轧钢厂以及西安轧钢厂进行实习，刚刚不如公司，面对条件艰苦的实习环境和基本为零的工作经验，我曾经一度一筹莫展，但我一直坚定信心，永不服输，比人能吃得苦我也吃得下，别人能干的活我也能干，面对被电焊打眼整夜疼痛流泪，我没有放弃，面对，冷床底下60度的高温作业，我没有放弃，我就像一块海绵一样，努力的吸收着知识的水分，一切从零开始，我逐渐成长为一名合格的钳工，在工作中我不怕苦、不怕累永远冲锋在生产的第一线，发挥着汉钢人顽强拼搏、迎难而上的精神。

三、学用结合，积极服务现场。

2012年6月，我从外面实习回来，先后参与着整条线的设备安装调试，2012年8月我被任命为轧钢厂机修工段技术员，除了日常的工作外，同事负责计划的申报，备件的测绘，在此期间我坚持着陕钢集团汉钢公司的“5+

2、白+黑”工作精神，为了顺利的达产达效经常性的加班加点，两头不见太阳的踪迹，努力的干好自己的本职工作，让领导满意，让同事放心，争取不会因备品备件的缺失而造成大的误机。

2012年公司正式达产达效，面对如此我万分高兴，因为这一切都是包含我在内所有全体轧钢人努力和付出换来的结果，但与此同时，面临钢铁行业整个不景气的状况，公司持续处于亏损状态，2013年陕钢集团汉钢公司的目标是“降本增效保盈利，实现2013年9000万盈利的目标，如何才能达到这一效果呢，主要从两方面做起，第一提高设备运转率，第二严格控制轧钢成本费用。在这两方面我先后参与了机修工段的包机到人政策，末位淘汰制，小改小革的过程，通过

一系列的手段来提高员工的责任心和工作的积极性，同时我还负责备品备件的消耗统计，通过对备件消耗成本的控制来达到节约成本的最终目的，来为公司2013年的宏伟目标做出自己的一份微薄之力。

在平时的生活中，我团结同事，努力的维持好于每一位员工的关系，时常与同事们交流谈心，随时了解大家的心理动态，以便能够及时的向领导反映，及时的解决大家的问题，在生活中我是大家的开心果，我经常用我特殊的幽默方式来逗大家一笑，让每一个人在繁忙的工作之余能够感受到陕钢这个大家庭带给我们的温暖。面对一些工作热情不高，思想消极的员工，我经常会与他们谈心，让他们明白陕钢的前景依然不错，陕钢的平台足够大，只要你有能力，陕钢这座大舞台就是你个人表演的主场大舞台。

在艰辛、繁忙的工作中，我立足岗位，用自己的坚定和执着为大家做出了表率，以优秀团员先锋带头模仿的要求来约束自己，争取企业发展做出了应有的贡献，当下陕钢同所有钢铁行业一样，面临的冬季的来临，但我艰信，只要每一位员工都能真正的将陕钢当做自己的家，认真干好自己的本职工作，陕钢的春天很快就会来临！

轧钢厂机修工段：曹亢

复合材料板 第3篇

【关键词】风扇磨煤机；打击板；耐磨性

1、前言

相对于球磨机占地面积较大、损耗大、有噪声等来说，风扇磨煤机更加小巧、损耗低且安静，而且还具有干燥、制粉和运输等功能，故而风扇磨仍然还是火力发电的主要设备。然而，风扇磨叶轮上用以压碎煤石的主要部件-打击板往往是破损最严重的部件，所以冲压板的性能直接影响到风扇磨的使用。

我国上世纪九十年代就开始使用了高硬度和高耐磨性的材料——多元高铬铸铁来应用到球磨机等的关键部件。后来，这种材料也逐渐应用到风扇磨上，大大改进了

根据材料的性能来看，普通的白口铸铁韧性太低，工作时极易折断，所以后来改用ZGMn13。然而，此材料制作成零件后表面不能硬化，所以耐磨性低，不宜制作成大型的破碎零件。而双金属打压板耐磨性能较好，使用寿命可比ZGMn13提高一倍以上，然而当煤石质量比较差时，打击板的寿命就会大大降低；而且这种打压板生产制造工艺十分复杂，使用过程中有可能发生意外，如果出现性能不稳定或者突然断裂的情况，就会造成风扇磨无法正常工作，影响整机的工作效率，甚至给生产带来严重后果。

后来，超高锰钢也被研究者们使用到冲压板中。他们认为与一般高锰钢或合金高锰钢相比，超高锰钢能更好的使用加工硬化来强化，而且韧性也较后两者高。然而，它的性能是建立在高锰钢的加工硬化特性上，有使用性能不稳定的特点，在中大型风扇磨或球磨机上的应用有限。所以，研发性能更好的金属材料应用在磨机上仍是当前重要的课题。

2 风扇磨打击板的工况及条件

风扇磨煤机一般处于高速运转工作状态，其转速一般为425-1000r/min左右。虽然煤石是软磨料，但是风扇磨的速度非常高，叶轮对于煤的相对速度过大，导致煤与冲压板的磨损是显著的。而且，煤里的成分并不是都是软物质，还有一些高硬度的物质如二氧化硅、氧化铝等，它们的硬度高达1100HV以上，这些物质对冲压板的磨损更加恶劣。煤中还可能含有硫化物等物质，对冲压板有一定的腐蚀作用。磨煤时，煤并不可能是纯净的，其中难免会混入石块、铁块等高硬度杂质，这些杂质会对打击板造成更大的磨损。所以，高硬度和高耐磨性仅仅是打击板所要求的品质之一，它还需要良好的韧性，才能满足磨煤机复杂且恶劣的工作条件。

风磨机靠叶轮旋转带动冲压板转动，冲压板一般是矩形，支承并固定在叶轮上。打击板使用寿命一般很低，需要时常更换而且浪费材料，而且需要停产会造成经济损失。

3 打击板的结构和材料成分

以往风扇磨打击板的结构主要是根据高锰钢的特点来进行设计的，如果要使用更好性能的材料，还必须对打击板的结构进行改进。一方面，原来的卡槽是方形的，极易引起应力集中造成断裂，所以应将卡槽改进为圆形或者椭圆形。另一方面，叶轮应该尽可能的加厚以增加其强度，以提高其寿命。

根据上面的讨论，风扇磨工况复杂，对材料不仅要求其有高强度和高耐磨性，还需要有良好的韧性。经过不断试验，可以改进普通高铬铸铁成分，形成合金，以弥补其性能不足，改进其强度不高、韧性不足等缺点。

此合金是以铬为主的铁合金，铬碳比在5以上，形成具有足够强度的合金。根据风扇磨的实际工况条件，打击板所受冲击力比预想的大，易损坏情况更加严重，所以为了提高其硬度，铬碳比应在6-7之间。如果在加入一些其他元素如钒、钛、铜等合金元素，能改善其综合性能。钒、钛可以提高材料的抗磨性和韧性，钛还是良好的脱氧剂，能改善铸态碳化物的性能。钼和铜的含量提高有助于提高材料的淬透性，细化晶粒，提高打击板韧性，从而改善其综合性能。

4、处理工艺

4.1熔炼工艺

感应电炉是打击板熔炼的主要器具，原材料必需要经过除锈、除油并除去其它杂质。较贵重的金属在熔炼过程中应该在铁水出炉前十五分钟加进去，可以使合金带到更好的脱氧作用。

4.2造型工艺

虽然打击板的几何结构十分简单，但是在铸造过程中要注意补缩，注意减小其所受应力，在截面突变的地方要注意填充砂芯，以减少应力集中现象。其他的造型条件要严格按照铸造的要求来处理，以得到造型更好的铸件。

4.3热处理

铸件的表面需要经过硬化后才能进行其他热处理，以保证冲压板的高耐磨性。960-980℃的条件下保温2.5-3.5h后，出炉直接风冷，可以得到较高硬度的铸件。

5、结论

改进后的合金材料进过处理后具有较高的硬度、高耐磨性，更重要的是具有良好的韧性，适合风扇磨在复杂恶劣的环境下工作，而且能显著提高其使用寿命，且没有断裂现象，是一种比较适用的材料。

参考文献

[1]张建业.电力设备选型手册[M].北京：中国水力电力出版社，2007.

[2]张敬澈.多组元合金强化高锰钢打击板耐磨性研究[J].铸造技术，1988 ， （3） ：13- 17.

复合材料层合板低速冲击损伤研究 第4篇

复合材料由于具有比强度高、比模量大等优点, 而在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。 复合材料的抗冲击能力较弱, 其受到低速冲击后, 内部会产生一定程度的损伤, 通常表现为基体开裂、分层、纤维断裂等形式, 这给复合材料承力构件来带来严重威胁。 然而在实际工程应用中, 复合材料不可避免的遇到各种外来物的冲击, 包括冰雹、飞鸟、飞石、维修工具坠落等。 这些冲击损伤大大削弱了结构的承载能力, 是不容忽视的问题。 本文基于PATRAN/NASTRAN软件, 建立了复合材料层合板低速冲击有限元模型, 对层合板进行了低速冲击模拟。

2低速冲击有限元模拟

2.1有限元建模

本文对铺层为[45/0/- 45/90/0]2S的层合板进行了数值模拟, 其中单层板厚度为0.125mm, 冲击能量为8J。 试件尺寸为150mm×100mm, 冲头为直径12.5mm的球形头, 质量为6.2634kg, 冲击能量通过修改速度载荷予以控制。 边界条件采取四周简支的方法, 为减小计算量, 网格划分采取四周稀疏, 中间冲击区域较密的方案。 建立的有限元模型如图1 所示。

2.2 失效判据及渐进失效分析

复合材料的失效判据分为单一模式失效判据和多模式失效判据。 单一模式失效判据就是不区分失效模式, 如Tsai- Hill、Tsai- Wu、Hoffman失效准则。 多模式失效判据就是区分失效模式, 比如纤维失效、基体失效、分层失效等各有其对应的失效准则, 主要以Puck、Hashin、Chang- Chang失效准则为代表[1]。

本文选取的是不区分失效模式的Hoffman准则, 该类失效准则的优点在于考虑了各强度值之间的相互作用, 并且对于复杂应力状态下单向板强度值的预测与试验结果相比误差不大[2]。 通过对该理论进行简化, 还能够预报各向同性材料的强度结果。

基于Hoffman失效准则, 在每个积分点处计算失效因子FI, 当FI >1 时, 表示失效发生。 单元发生失效后, 该单元的材料性能也会产生变化。NASTRAN中提供了渐进失效分析, 可以用于复合材料和其他弹性材料。 它假定材料在失效前是保持线弹性的, 当失效发生时它能够模拟刚度下降的过程。

2.3 模拟结果

从图2 中可以看出, 刚开始时, 冲击力从零快速增加, 这一阶段基本没有损伤产生;然后冲击力达到最大值, 随后出现幅度较大的波动, 这是由于冲击造成层合板发生损伤, 主要是基体开裂和分层损伤, 并且损伤发生了扩展;最后冲击物完全离开板后, 冲击力也开始快速下降, 直至减小到零。 从图3 可以看出, 层合板各层损伤形貌大致呈花生状, 并沿着该层纤维铺设方向, 与基体开裂沿着该层纤维方向相一致。 由于在Patran中, 层合板铺层顺序是从最下面开始依次往上铺设, 所以第1 层表面其实是冲击背面, 第20 层表面是冲击正面。 从上图中可以发现从第1 层往上, 其损伤形状逐渐变小, 也就是说从冲击背面到冲击正面, 层合板损伤面积是慢慢减小的, 这与文献中所描述的相符合, 即分层损伤是从冲击背面开始, 并向冲击正面依次扩展。

3 结论

本文采用有限元方法研究了复合材料层合板低速冲击损伤行为, 研究表明层合板受到低速冲击后, 各层损伤形貌大致呈花生状, 并沿着该层纤维铺设方向, 与基体开裂沿着该层纤维方向相一致。背面由于受到较大的拉伸应力, 其损伤程度往往大于冲击正面, 从冲击背面到冲击正面, 层合板损伤面积是慢慢减小的, 即分层损伤是从冲击背面开始, 并向冲击正面依次扩展。

参考文献

[1]徐颖.复合材料层合板冲击损伤及冲击后疲劳寿命研究[D].南京:南京航空航天大学博士论文, 2007.

GMT材料介绍及与麻毡板材料对比 第5篇

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GlassMatReinforcedThermorplastic）以玻璃纤维（毡）为增强材料，热塑性树脂为基体，通过加温、加压制成复合材料，简称GMT，是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种，被视为世纪新材料之一。

目前轻质GMT片材及其制品在汽车行业已成为国际上极为活跃的复合材料制品之一。欧、日、美、韩的车型均使用轻质GMT复合板材做为汽车内饰材料。轻质GMT片材具有强度高，冲击韧性高，承载性好，耐高温，质量轻，可回收，不易变形，吸音和隔音性好、无气味等优点。在环保要求日益严格的今天，给轻质GMT赋予了极大的生命力和广阔的应用前景。片材表面可根据实际要求选择不同的表面覆盖物，如：胶膜、阻隔膜、装饰物、硬聚丙烯薄膜、无纺布、增强材料或不加覆盖物。该片材使汽车内饰件冲击韧性好，富有弹性，承载性好，从而不易折断。是做汽车内饰的理想板材。

由于轻质GMT片材强度高、质量轻、无气味、冲击韧性高、耐高温、可再生利用，目前天津丰田、广州本田、广州尼桑已广泛使用轻质GMT片材作为汽车内饰材料。特点：

（1）可回收利用：产品可回收再利用，是真正的环保绿色产品；

（2）轻质GMT做成的汽车内饰件在90℃的条件下放置16小时，无异味和有毒气体产生，对人体没有用任何危害；

（3）节能性：质量轻，用于汽车可减轻车体重量，节约能源；

（4）阻燃性：轻质GMT具有良好的阻燃性能，燃烧速度低于30mm/min，完全符合GB8410－1994中小于100mm/min的要求；

（5）强度高：热塑毡具有良好的拉伸强度、弯曲强度，耐冲击性能好，各项性能远远超过麻纤维板、木粉板及聚氨酯等材料；

（6）不发霉变潮：因玻璃纤维吸水性差，制品不吸水、不变形、不发霉；

（7）蓬松的网状结构时期具有优良的隔音、吸音、减震、透气性能；

（8）成型性能：成型简单，成型时间短，生产效率高，同时材料对模具的磨损、腐蚀性小，能满足大批量的稳定生产；

（9）具有优良的模具填充性能：轻质GMT在压制成型时，厚度能膨胀到片材厚度的4倍以上，可以成型厚度不均的制品；

（10）尺寸稳定性好：产品定型后，无回弹，尺寸稳定性好。制品在150℃环境温度下存放1000个小时，性能无明显变化；

适用范围：

内饰顶棚板、遮阳板、门板、结构板、汽车线、顶板、后挡板（衣帽架）、承载板、箱里架、座椅、后备箱轮胎盖板、卡车高架箱、汽车车底屏蔽防护装置、车用侧围、后围板等内饰材料

轻质GMT板与目前麻纤维复合板的对比:

GMT轻质复合板：强度高、刚性好、能按装预埋件，冲击韧性好，富有弹性，特别是对制作拉伸大的内饰件如：商用车（重卡车）高顶、大客车空调风道、商务车顶棚。轿车使用能降低成本、减少产品的克重提高产品的各项性能。

复合材料板 第6篇

板-粉双层复合材料一般是以金属板材为基体、以金属或陶瓷粉末为涂层构成的具有特殊性能的双层复合材料。在金属板材表面制备涂层可以在保留基体材料原有特性的同时,赋予材料耐磨、耐热、耐腐蚀、软磁、吸波等特性。比如在铜基体表面涂覆钨粉,在保留了铜基体良好的导电、导热特性的同时,还极大地提高了铜材的耐磨性[1,2]。另外涂层制备技术还可以将难以形成大型块体,只能呈粉末、薄片、细丝状的纳米、非晶材料涂覆在大块基体的表面,极大地扩展了纳米、非晶材料的应用领域[3]。由于可用作涂层的粉末材料种类繁多,而且可以通过调节粉末配比来调整涂层的性能,因此板-粉双层复合材料具有十分广阔的应用前景,可以满足当前石化、电子、电力、汽车、造船、航空航天等领域的特殊需求,在现代工业中具有十分重要的价值和意义[4]。

目前,板-粉双层复合材料的涂层制备技术主要有热喷涂、冷喷涂、激光熔覆等。本文对现有涂层制备技术进行了总结,并在现有爆炸加工技术的基础上提出了一种制备涂层的新技术爆炸压涂。对爆炸压涂技术进行了详细的介绍,论证了其可行性及应用前景。

1 现有涂层制备技术

1.1 热喷涂

热喷涂在现有涂层制备技术中工艺最成熟、应用最广泛,其主要包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等。热喷涂技术的原理是利用热源将粉末或细丝加热到熔融态或高塑性状态,在外加气体(一般为惰性气体)或焰流自身的推力下,雾化并高速喷射到基体表面,涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面,同时急冷而快速凝固,颗粒逐层沉积形成涂层[5,6]。热喷涂的优点为[7]:(1)可以在各种基体上制备各种材质的涂层,包括金属、陶瓷、工程塑料、玻璃等。(2)操作灵活,可以喷涂各种规格和形状的基体。(3)涂层厚度范围宽,从几十微米到几毫米的涂层都能制备,而且容易控制。(4)喷涂效率较高,每小时可以喷涂几千克到几十千克。热喷涂的缺点为[8]:(1)孔隙率较高。热喷涂涂层的形成过程决定了涂层的结构特点,喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构,涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞。(2)涂层含氧化物杂质。热喷涂时粒子成熔融或半熔融态,很容易发生氧化,因此涂层中多含有氧化物杂质。(3)涂层晶粒尺寸增大。粉末要加热到熔融态,晶粒会变粗大。目前热喷涂已被用于陶瓷涂层[9]、非晶涂层[10,11]、纳米涂层[12,13]等的制备,还可用于磨损后零件的修复[14,15,16]。

1.2 冷喷涂

冷气动力喷涂技术简称冷喷涂技术,是指在常温或较低温度(不足以改变涂层粉末的晶相)下,利用高压气体在缩放喷嘴中形成的超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板表面,在远低于喷涂材料熔点的温度下撞击基体,发生剧烈的塑性变形而形成涂层[17]。由于冷喷涂的温度较低,没有过多热量传到基板,克服了基体的高温变形,可加工非耐热或有限耐热基体工件。冷喷涂时晶粒不会长大,产生的涂层性能接近于初始涂层粉末材料性能。另外冷喷涂时未粘附的粉末变形较小,回收方便可再次利用,节约了喷涂成本。冷喷涂的不足是适合冷喷涂的粉末颗粒直径范围小,而且要具有一定的塑性[18]。

1.3 激光熔覆

激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺[19]。激光熔覆的优点为[20]:(1)激光加热迅速,基体温升很小,对基体的热影响小,基体的变形小。(2)激光能量便于控制,可以最大程度地保持覆层材料的优异性能。(3)激光器操作灵活,可以对基体进行选区熔覆。(4)适用范围广,几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。该技术的缺点是生产效率低,不适合制备大面积涂层,激光器设备昂贵,加工成本较高。

2 爆炸压涂技术

爆炸压涂是利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击涂层粉末,使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面,制备板-粉双层复合材料的加工工艺。爆炸压涂与上述涂覆技术有着本质上的不同,现有涂覆技术一般是粉末高速运动撞击基体形成涂层,而爆炸压涂是粉末静止不动,基体高速运动撞击粉末实现涂覆。另外现有的涂覆技术都需要专用设备,如喷涂机、激光器等,而爆炸压涂不需要任何专用设备[21]。

爆炸压涂是在粉末爆炸压实技术基础上提出的。采用圆管法进行爆炸压实试验时,圆管内的粉末不但被压实,而且与外面的钢管牢固地结合在一起,这为爆炸压涂技术提供了实验基础。爆炸压涂是爆炸压实、爆炸焊接和爆炸喷涂技术的结合。爆炸压涂实验装置(如图1所示)与爆炸焊接的装置较为相似。金属板在炸药爆轰驱动下向下高速运动,经过一段距离的加速后撞击下方粉末,粉末在得到压实的同时与金属板产生牢固的结合,在金属板表面形成致密、均匀的粉末涂层。爆炸压涂过程可以分为4个阶段:(1)炸药爆轰。金属板上表面平铺的炸药由雷管起爆后,随着爆轰波的传播炸药依次爆轰,形成高温、高压的爆轰产物。(2)金属板飞行。高速膨胀的爆轰产物驱动金属板向下加速飞行,板与粉末之间的间隔距离可以调节金属板的加速时间,金属板的飞行速度最高可达8000m/s。(3)板粉结合。金属板下表面与粉末接触时,高速撞击产生的高压超过了金属板和粉末材料的动态屈服强度,金属板表层和粉末上层颗粒发生绝热剪切变形,局部熔化凝固后在板-粉交界面形成了牢固的结合。(4)粉末压实。在金属板与粉末结合的同时,金属板的高速撞击在粉末中产生了高压冲击波,在冲击波的作用下粉末颗粒之间相互碰撞、挤压、摩擦,颗粒表层熔化凝固后消除了粉末颗粒间的孔隙,使粉末结合在一起,形成了致密的粉末涂层。

爆炸压涂虽然是3项爆炸加工技术的结合,但又与三者有着本质上的不同:爆炸焊接是板与板之间的结合[22,23],而爆炸压涂是板与粉末之间的结合;爆炸压实是使粉末结合成块体材料,主要关心粉末的压实密度[24,25],而爆炸压涂不但使粉末得到压实,还要实现粉末与金属板基体的结合;爆炸喷涂是驱动粉末高速运动,而爆炸压涂是粉末静止,驱动金属板高速运动。另外爆炸喷涂需要专用设备,1次只能在金属板表面形成小面积(几平方厘米)的薄涂层(厚度几十微米)[26,27]。而爆炸压涂不需专用设备,可以一次性形成大面积(几平方米)的厚涂层(厚度几毫米)。由此可见,爆炸压涂确实是一项全新的爆炸加工技术。

3 爆炸压涂技术的特点

爆炸压涂作为一项新兴的爆炸加工技术,在制备板-粉双层复合材料方面具有以下优点。

(1)由于炸药能够驱动大面积金属板高速运动,所以爆炸压涂可以一次性地制备大面积板-粉双层复合材料,生产效率高。

(2)爆炸压涂不需要专用设备,工艺简单,操作方便,生产成本较低。而且根据材料性能的不同,可以很方便地调整爆速、炸药厚度、间隙、粉末厚度等主要工艺参数,具有很好的灵活性。

(3)金属板速度可以在500~8000m/s范围内调整,最高可以产生几十吉帕的压力,所以爆炸压涂技术几乎可以将任何塑性或脆性粉末材料制备成致密的涂层。

(4)粉末中传播的冲击波压力较高,可以将松散粉末压实到接近100%的理论密度,因此涂层中的孔隙率很低,涂层致密质量好。

(5)爆炸压涂在常温下进行,爆轰的瞬时性使得爆炸压涂过程只有几毫秒,粉末颗粒表层熔化后能够急速冷却下来,这种快熔快冷性可以避免粉末发生氧化、晶化或晶粒长大,可以显著减少粉末中氧化物杂质的形成,更重要的是非常适合制备非晶或纳米涂层。

爆炸压涂的缺点是噪音大,自动化程度低,另外压涂基体只能为塑性板状材料,不能进行选区喷涂。

4 结语

作为一项新兴的爆炸加工技术,爆炸压涂与现有的涂层制备技术相比,具有低温、快熔快冷等优点,非常适合制备大面积的非晶、纳米涂层。爆炸压涂的研究工作应该从新材料制备和压涂机理2方面展开。新材料研究方面,应该利用爆炸压涂的特点来制备具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、软磁或吸波等优异性能的新型复合材料,特别是制备现有常规技术难以获得的、具有极高要求的热障材料、吸波材料等。压涂机理研究应该从炸药驱动飞板运动规律、粉末的中高压状态方程、塑性颗粒绝热剪切变形等方面展开。随着研究的深入与技术的成熟,爆炸压涂技术有望制备出性能更为优异的板-粉双层复合材料。

摘要：涂覆技术是复合材料领域的研究热点,总结了现有的涂层制备技术,并在现有技术基础上提出了一种制备板-粉双层复合材料的新工艺——爆炸压涂。爆炸压涂利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击涂层粉末,使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面形成涂层。详细阐述了爆炸压涂的原理及实施方法,分析了爆炸压涂技术在涂层制备方面的优缺点,最后论述与展望了爆炸压涂的研究方向及及应用前景。

复合材料板 第7篇

1 建立实际与物理模型

正如研究工作一般由易至难一样, 文章的研究也从简单的结构粘接开始。通过对蒙皮与肋板的合理简化, 复合材料机翼上蒙皮与肋板的粘接实际模型如图1所示

2 加载计算

为了更接近真实情况蒙皮与肋板的材料都设置成双线性的本构关系, 环氧树脂胶作为热源分两次加载到蒙皮与肋板的粘接处。环境的初始温度设为25℃, 热源的温度设定成170°。第一次把上部环氧树脂胶单元杀死, 激活下部分环氧树脂胶单元, 并对激活的节点施加温度约束并写入载荷步;然后把刚激活的环氧树脂胶单元杀死, 激活上部分环氧树脂胶单元, 并对激活的节点施加温度约束并写入载荷步。

3 计算结果与分析

给蒙皮两端固支, 肋板的上端也固支。可以求出不同时间温度场的变化, 如图2-图9。

从图2-图5可以看出, 粘接开始时粘接处的温度变化剧烈, 随着时间推移粘接处的温度场经历了一个由剧烈变缓和的过程, 在粘接接近完成的2500秒时温度场几乎不变。同理, 我们得到应力场的变化。

从图6-图9可以看出粘接处的应力的变化情况。粘接处的应力也是从大到小的变化过程, 然后随着时间的推移粘接处应力逐渐减少, 并慢慢被释放, 在2500秒的时候, 只有粘接处还存在少量的残余应力。

4 结束语

文章基于ANSYS软件的对复合材料蒙皮与肋板T型粘接进行模拟。通过文章的研究, 得出如下结论:

4.1 文章所用仿真方法在一定范围内能比较准确的模拟出T型粘接粘接处温度场、应力场和变形的变化。

4.2 文章所应用的仿真方法虽然讨论的是T型粘接, 但是该方法可以扩展解决真实的机翼粘接残余应力过大的问题, 具有很高的现实意义。

4.3仿真结果表明粘接的褶皱变形、残余内应力产生的时间出现在粘接过程的高速降温阶段这一重要结论, 针对这段时间粘接反复试验提高工艺水平必然可以显著提高粘接构件的质量。

摘要：对复合材料飞机蒙皮与肋板的粘接过程进行全面的仿真分析, 运用有限元软件ANSYS对粘接的应力场、温度场的变化进行全程的仿真模拟。通过模拟仿真, 得出有关结论。

复合外墙板结构的优化设计 第8篇

随着建设事业的发展,乡村建设将逐步成为我国经济建设的一个重要内容。为了满足乡村建设的需要,国家科技部“十一五”科技支撑计划设立了专门项目研究新型乡村经济建筑材料,乡村建筑用经济型建筑墙板就是其中的一个重要课题。

在我国,乡村经济状况相对落后。因此,对于乡村用建筑材料,其经济性是必须考虑的问题。降低成本的最有效措施就是充分利用地方材料,特别是一些废弃物。乡村有着相当丰富的秸秆资源,而且这种资源非常低廉。因此,在研究中考虑到尽可能地较大量利用这一资源。

利用秸秆制备墙体材料,在我国已有一些研究[1~3]。研究结果表明,这是一条可行的技术路线。但在这一方面的研究还处于起步阶段,从结构形式到结构参数的选择都还是经验性的。本文对复合外墙板的优化设计进行了研究。

随着科学技术的发展,性能指标多元化是一个必然的趋势。因此,研究如何协调各种性能之间的关系有着特别重要的意义,也是现代材料科学的一个十分重要的研究领域。本文提出了一种便于协调各种性能关系的新的优化设计方法。这种方法不仅适合板结构,也适合其它结构。

1 复合外墙板的技术要求

本项目要求达到的主要技术指标如下:

厚度:(180~240)mm

面密度:(140~180)kg/m2

抗弯曲承载力:≥5k N/m2

严寒地区平均传热系数:0.4W/(m2K)

非采暖地区平均传热系数:1.0W/(m2K)

从这些技术指标可以看出,就是要在保证承载力的前提下,尽可能地追求轻质。轻质是本项目的一项重要的技术指标。尽量降低复合外墙板的容重,不仅是为了满足面密度的要求,也有利于提高复合外墙板的保温性能。由此可见,在保证复合外墙板承载力的条件下寻求最小的面密度是本项目的一个研究目标。

2 复合外墙板结构的优化设计

2.1 复合外墙板的基本结构形式

根据上述要求,复合外墙板的基本结构设计为三层:上、下两个表面层为面层,用于提供复合外墙板的抗弯曲承载力。中间一层为芯层,它有两个作用:一是提高复合外墙板的保温隔热性能;二是将两个面层粘结在一起,形成一个整体。

面层材料采用水泥砂浆,适当地掺一些纤维材料,以提高抗拉性能。

芯层由两部分组成:一是以稻草、麦秸等秸秆扎成网格;二是以保温砂浆填充其网格的空隙。秸秆质轻,具有较好的保温隔热性能,而且具有较强的抗拉性能。用它扎成草把网格填充在复合外墙板中,可以使复合外墙板具有良好的轻质保温功能。利用秸秆良好的抗拉性能,来保证复合外墙板纵向的整体性。利用秸秆一个更显著的特点是资源较丰富,而且价格低廉。这在乡村建设中具有特别的优势。但是,由于秸秆网格是绑扎而成的,所以横向作用较差。在绑扎秸秆网格时留一定数量的空隙,并用保温砂浆填充。由于保温砂浆与面层砂浆有较好的相容性,从而可以增强横向的粘结,保证复合外墙板的整体性。保温砂浆也是一种轻质材料,填充后不会增大芯层的容重,也不会影响芯层的保温隔热效果。

2.2 基本关系推导

设:芯层容重为ρ芯,厚度为h芯;面层容重为ρ面,面度为h面;板长为L,板宽为B。

(1)面密度关系推导

板重为:

(2)抗弯曲承载力关系推导

将板看作一简支梁,跨距近似地等于板长L,荷载为q N/m2。

板中最大弯矩为:

如果认为芯层材料不能承受荷载,全部荷载都由面层材料承担,则抗弯截面模量为:

所产生的最大拉应力为:

由此可得板的抗弯曲承载力为:

式中,Rl为面层材料的抗拉强度。

2.3 复合外墙板结构参数的优化

根据项目要求,复合外墙板的承载力必须大于5k N/m2。考虑到生产的波动,取承载力的方差为设计承载力的10%,且保证率为95%。则复合外墙板的承载力应为:

取q1=5825k N/m2,R1=2MPa,根据(2)式,可在面层厚度与芯层厚度坐标系中作出等承载力曲线,如图1所示。

同样,根据(1)式也可以作出等面密度曲线,如图2所示。

如果将这两张图合并在一起,便可得到优化图,见图3。从图3中可以清楚地看到,随着面层厚度的增加,等承载力曲线先向面密度减小方向移动,然后再向面密度增大方向移动。当面层厚度在16~21mm时达到最小面密度145kg/m2。

3 分析与讨论

3.1 面层及芯层的最佳厚度

上述优化结果表明,在保证承载力前提下,面层厚度在 16mm~21mm 范围内复合外墙板达到最低面密度。表1给出相应的芯层厚度和复合外墙板总厚度。从表中可以看出,随着面层厚度的增加,芯层厚度显著减小,导致复合外墙板厚度减小。

在复合外墙板中,面层材料主要承担着抵抗破坏荷载的功能,而保温隔热功能则主要由芯层材料承担。芯层材料越厚,板的保温隔热性能越好。从这一角度看,减小面层材料的厚度,增加芯层材料的厚度,有利于提高复合外墙板的保温隔热性能。但是,当芯层材料与面层材料变形不一致而产生相互作用时,面层越薄,芯层越厚,在面层中所产生的应力也将越大,甚至可能出现开裂。综合考虑这两方面的因素,应在保证面层材料稳定性的前提下适当减小面层厚度,增大芯层厚度。

3.2 面层材料强度的影响

由(1)式可知,面层材料的强度对等面密度曲线没有影响。但从(2)式可以清楚地看到,面层材料的强度可以影响等承载力曲线。因此,面层材料的强度必将影响其优化结果。

为了分析面层材料强度的影响,可将面层材料的强度提高10%。图4给出相应的优化图。从图中可以看出,面层材料的强度提高将会引起两个方面的变化:其一是面层厚度和芯层厚度将略有减小;其二是可以使复合外墙板的面密度有所降低。面层材料强度提高10%,复合外墙板的面密度可减小5kg/m2以上。

表2给出面层强度为2.2MPa时复合外墙板的结构参数。由于面层材料主要贡献于复合外墙板的承载力。因此,面层材料强度的提高,可以有效地减小面层厚度而不影响复合外墙板的承载力。但由于它不引起芯层厚度的变化,因此,对复合外墙板的保温隔热性能不会产生显著的影响。

3.3 面层材料容重的影响

面层材料容重的变化不会引起等承载力曲线的变化,但却可以引起等面密度曲线的变化。这种变化表现在两个方面:一是随着面层材料容重的增加,等面密度曲线向下移动。由于这种变化,必将导致复合外墙板的面密度增加。二是随着面层材料容重的增加,等面密度曲线斜率减小。这种变化将导致最佳面层厚度减小。

粗略估计,面层材料容重增加10%,复合外墙板的面密度将增加5kg/m2。而面层材料强度提高10%,复合外墙板的面密度可减小5kg/m2以上。材料的强度与容重有着密切的关系。一般来说,容重越大,强度越高。根据前期的研究,面层材料容重增加6%,强度可提高20%以上。由此可见,尽量提高面层材料的强度有利于降低复合外墙板的面密度。

3.4 芯层材料容重的影响

与面层材料相似,芯层材料容重的变化不会引起等承载力曲线的变化,但却可以引起等面密度曲线的变化。这种变化也表现在两个方面:随着芯层材料容重的增加,等面密度曲线也是向下移动。由此,也必将导致复合外墙板的面密度增加。粗略估计,芯层材料容重增加10%,复合外墙板的面密度将增加5kg/m2。但与面层材料不同,随着芯层材料容重的增加,等面密度曲线斜率增大。这种变化将导致最佳面层厚度增加。

对复合外墙板的要求主要有三个方面:一是较低的面密度;二是一定的抗弯曲承载力;三是较高的保温隔热性能。通过上述分析,可以建立一个比较清醒的复合外墙板设计思路:尽可能降低芯层材料的容重以降低复合外墙板的面密度;尽可能地提高面层材料的抗折强度以保证复合外墙板的抗弯曲承载力,同时也可以使复合外墙板的面密度达到更低的水平;尽可能增大复合外墙板的厚度以提高复合外墙板的保温隔热性能。

4 结论

(1)在保证复合外墙板承载力不变的前提下,面层材料厚度有一最佳值,使得复合外墙板的面密度达到最小值。

(2)提高面层材料的强度使得其厚度的最佳值略有减小,同时也使得复合外墙板可达到最小面密度减小。

(3)芯层材料的容重增加使得可达到最小面密度增大。

参考文献

[1]崔玉忠,崔琪.植物秸秆水泥条板及成组立模生产技术,新型墙体材料,2006(4):27-32.

[2]邹惟前,邹菁.利用固体废弃物生产新型建筑材料,北京:化学工业出版社,2004.

复合材料板 第9篇

随着工业制造领域中材料多元化及轻量化趋势的发展,以聚合物基纤维增强复合材料为代表的复合材料得到了广泛应用。复合材料具有比强度高、比刚度高、密度小、热膨胀系数小及尺寸稳定性好等诸多优点［１］,此外还可以根据需要进行材料铺叠及角度设计,合理地达到所要求的使用性能［２］。而轻型金属材料如铝材由于其密度小、耐腐蚀以及具有良好的加工成形性和可焊性,已广泛运用于许多工业与民用领域［３］。在轻型材料的某些应用中,往往要将复合材料与复合材料或者将复合材料与金属材料连接起来,这样能够得到有良好综合性能的连接件。但异种材料在物理及力学性能方面存在巨大的差异,这使异种材料连接比较困难且会影响到连接处的力学行为,进而影响连接结构的整体强度和完整性及可靠性［４］,因此异种材料连接要综合考虑材料的组合形式、连接处的几何参数以及连接结构的工作环境等因素。摆碾铆接(简称碾铆)技术作为一种较新的铆接工艺,通过铆头绕轴小角度回转运动及下压运动的综合作用,使铆钉流动成形,与直压铆接相比,该技术具有铆接力小、材料流动均匀、铆接面平整等优点［５－６］,目前已广泛用于工程机械、农业机械等领域［７］,能较好地应用于铝板与复合材料板等的连接。

连接件的连接质量与多种因素有关,主要有板材的制备过程、连接方式的选取及连接件的承载方式等。涉及的工艺参数如开孔位置、装配间隙、有无垫片等［８］,均对连接件连接质量产生显著影响。本文以复合材料与铝材为研究对象,利用摆碾铆接技术,研究了这两种材料在不同的铆钉预留高度、孔径及有无垫片的情况下连接件的强度特性,分析了这些因素对连接件连接质量的影响。

1 碾铆及拉伸试验

1.1 材料准备

试验选用板料为玻璃纤维树脂基复合材料与1050A工业纯铝(性能参数见表1),尺寸均为3mm×40mm×150mm,制孔边距为20mm,端距为25mm;连接方式为单剪搭接,如图1所示。搭接部分长度为50mm。铆钉为钢制实心铆钉,尺寸为Φ6mm×16mm。

在铆接及静拉伸试验中考虑参数分别为有无垫圈、铆钉预留高度H及孔径D,预留高度为铆接完成后铆钉杆的镦粗高度。分组试验的标注以RGHDX表示。其中,R表示铆接方式为摆碾铆接(rolling riveting);G取值为0、1,分别表示无垫圈和有垫圈;H取值为1、2、3、4,分别表示预留高度取值为1、2、3、4mm;D取值为0、1、2,分别表示孔径D取值为5.9、6.0、6.1mm;X为编号。铆钉的直径为6.0mm。研究对象及相应水平值如表2所示。

1.2 连接方式

试件的连接方式采用摆动碾压铆接,工作示意图见图2,图中,铆头与铆钉轴线成一定夹角,在绕铆钉轴线做连续回转运动的同时做下压运动,使铆钉头受到连续局部碾压作用逐渐变形成为所需形状。铆接设备为瑞威特BM20液压立式铆接机,最大铆接力能达到65kN,手动设定试件的预留高度值,铆接中有1~2s的保压时间,使铆接头受力均匀。在铆接过程中,将铝板作为上板,使铆钉头镦粗成形于铝板板面,这是因为在试验中存在一定的误差,若将复合材料板作为上板,则在铆接过程中,铆钉的材料流动可能会对复合材料板造成挤压,而复合材料本身具有脆性,受挤压时会造成表层纤维断裂,形成局部的应力集中,造成板材静拉伸强度降低。此外,采用铆接方式在传递局部载荷时容易形成应力集中从而加速构件的拉伸或疲劳破坏,铆接过程中在铆钉孔周围产生的残余应力在一定程度上影响连接质量［９］。制孔方式同样对板料的强度产生影响,由于复合材料层间强度低,抗冲击能力差,所以采用钻头铣孔的试件的层间剪切强度能够比采用钻头钻孔的试件的层间剪切强度提高15% 左右［１０］。由钻头钻孔得到的样件的孔边缘及内壁多毛刺,复合材料板同时会出现分层发白现象,而铣孔得到的样件孔的质量相对较好,比较平滑,可见钻孔对复合材料的损伤要比铣孔造成的损伤大。铝板具有良好的延展性,与复合材料板相比能更好地消除试验误差对板料连接件拉伸强度的不良影响。 试件静强度拉伸试验采用瑞格尔RGM4030型试验机,采用位移控制,加载速度为2mm/min。

2 静拉伸强度分析

2.1 垫圈对试件拉伸强度的影响

垫圈材料为304不锈钢,在钉头及钉杆变形处均加装垫圈以研究垫圈对试件拉伸性能的影响。保持孔径与预留高度不变,分别为D =6.0mm,H=2mm。对加垫圈及无垫圈的摆碾铆接试件进行静拉伸试验,试验共分3组,得到载荷F和位移S的曲线关系。取数据较收敛的两组试验,作出各试件的峰值载荷对比图和载荷-位移曲线,分别如图3、图4所示。

在试件拉伸初始阶段,载荷-位移曲线近似为直线,可视为近弹性阶段,随着载荷逐渐增大,复合材料板开始出现明显的破坏。由于复合材料板为脆性材料,因此其破坏为断裂,微观下体现为纤维逐层发生断裂。铝板为塑性材料,在较大载荷作用下也发生一定的塑性流动,宏观下表现为沿过钉载点纵向的挤压变形。随着载荷的增大,无垫圈试件在较短时间内即达到峰值载荷并逐渐发生失效,而有垫圈试件仍可以缓慢加载至峰值,但达到峰值载荷后即立刻发生断裂失效。铝板与复合板连接件的失效为复合板的完全断裂,而铝板有一定的塑性变形。由图3可知,加垫圈后试件在水平拉伸作用下承载能力提高约52%,抗拉性能显著增强。由图4也可以看出,在整个拉伸过程中,加垫圈试件的载荷值均大于无垫圈试件的载荷值,加垫圈试件有较长的保载过程,即与无垫圈试件相比能产生较好的抗拉伸性能。加垫圈后失效位移与无垫圈试件相比能提高40% 左右。这是因为在预留高度为2mm的条件下,摆动碾压作用下得到的铆头及平头直径均小于垫圈的外径,另外,由于铆头变形发生在铝板板面,产生了一定的材料塑性流动,这样加垫圈试件的铆钉与板材的接触面积增大,能形成更大的摩擦力以抵消水平拉伸力,从而能够在较大位移变形下仍能保持为连接状态。此外,采用合适的垫圈也可以限制钉杆的膨胀,控制干涉量［１１］,降低对复合材料纵向纤维的破坏。总体来看,加垫圈的摆碾铆接试件具有更好的抗拉综合性能。

2.2 孔径对试件拉伸强度的影响

孔径对试件拉伸强度的影响主要包括两方面:其一,制孔方式对孔内壁的光整性即表面状态或性能产生的影响;其二,不同的孔钉间隙对干涉量会产生较大影响。而采用铆接方式连接板件时由于钉杆产生流动变形使分析更为复杂。另外,开孔位置也会对连接性能产生一定影响,主要体现在宽度与孔径的比率上［１２］。

为了研究孔径对试件抗拉伸性能的影响设置了3个变量,即孔径D分别为5.9、6.0、6.1mm,每个变量均对应3组试验,由试验数据取平均值,得到不同孔径峰值载荷图与载荷-位移曲线对比图,分别如图5、图6所示。

由峰值载荷对比结果可知,孔径为5.9mm时峰值载荷较大,其次为孔径为6.0mm时的峰值载荷,孔径为6.1mm时位移峰值载荷最小,但峰值载荷相差均不超过10%,因此,孔径对试件的峰值载荷影响不大。孔径不同时拉伸得到的载荷-位移曲线在初始阶段也较为接近,区别主要在于达到最大载荷直到失效的破坏位移略有不同。破坏位移与孔径成正比即孔径为5.9mm时位移最小,孔径为6.0mm时其次,孔径为6.1mm时位移最大。这是由于在摆碾过程中,铆钉杆在孔内发生扩张变形,从而挤压孔内壁。 当孔径为5.9mm时,铆钉与孔为过盈配合,在碾压力的作用下,铆钉与板料的挤压更为严重,在复合板孔内,材料挤压导致复合板层板内的纤维断裂与树脂破碎,从而降低了复合板的承载强度,而在铝板孔内,铆钉材料流动造成铝板的初始挤压破坏。这样,在拉伸载荷逐渐增大的过程中,复合板由于部分纤维断裂无法在峰值载荷的作用下产生更大的位移,而铝板由于硬化作用也限制了更多的塑性流动,因此,孔径为5.9mm时其失效位移较小。当孔径为6.0mm或6.1mm时,材料间的挤压初始破坏相对较小,能够保持较长时间的保载过程。由于连接形式为摆动碾压铆接,铆钉杆部变形均充满孔隙并形成不同程度的材料挤压,因此连接件的破坏形式均为拉伸破坏及孔边挤压破坏。另外,由被测试件的拉伸数据可知,三种参数的抗拉强度相近。但孔径为6.0mm时试件的抗拉伸性能稳定性较好,数据较为收敛,因此综合来看:孔径为6.0mm时板料的静拉伸性能较好。

2.3 铆钉预留高度对试件抗拉强度的影响

在摆碾铆接过程中,通过预先设置铆头下降量可以得到不同的铆钉剩余高度即预留高度H,分别为1,2,3,4mm,由Origin软件得到钢铆钉不同预留高度的峰值载荷图及载荷-位移曲线,如图7、图8所示。

铆钉不同预留高度对应的是铆钉杆的变形量,预留高度越大则铆钉受挤压变形量越少,反之越多。而铆钉变形主要包括铆钉杆在孔内的扩张和铆钉头在板料表面的径向流动。结合图7与图8可知,峰值载荷随预留高度的增大而逐渐减小,即当H=1mm时峰值载荷最大,而当H=4mm时峰值载荷最小,在拉伸过程的保载阶段,H越大,载荷越小。H为1mm和2mm时峰值载荷相差不大,但H=2mm时有较长的保载过程,而与H=4mm相比,承载能力较强。预留高度的大小与连接件拉伸性能基本成反比关系。这是因为随着预留高度的增大,铆钉的变形减小,镦粗效果较差。一方面,铆钉杆与孔内壁的接触面积减小,即在拉伸作用下铆钉的受力面积减小,在相同的载荷作用下应力增大,从而在较短的时间内达到强度极限而破坏;另一方面,预留高度增大意味着铆头变形后与铝板之间接触面积减少甚至产生孔隙,这样作用在复合板上的力得不到有效分散就会迅速增大到强度极限从而发生破坏［１３］。从试件外观来讲,当H为2mm或3mm时,铆接件性能较好。

2.4 铜、铝铆钉连接件性能分析

选取铜铆钉、铝铆钉若干,尺寸为6mm×16mm,分别进行摆碾铆接及拉伸试验。在垫圈因素试验中,加装垫圈的铜铆钉试件抗拉伸性能较未装垫圈的铜铆钉试件抗拉性能得到较大提升,其破坏形式主要为复合材料的拉断。而铝铆钉由于其自身强度较低,试件在拉伸中一般为铝铆钉的剪切破坏,有无垫圈对其拉伸性能影响很小。孔径因素试验中,不同孔径铆接件的抗拉伸性能差别很小,故在此性能分析中板料孔径均取6.0mm。

在预留高度因素试验中,预留高度H分别取1、2、3、4mm,试件分别以H１、H２、H３、H４表示。图9为铜铆钉不同预留高度试件的载荷-位移曲线,铜铆钉试件的破坏形式与钢铆钉试件类似。铝铆钉试件的破坏形式全部为铆钉的剪切破坏,随着预留高度增大,铆钉杆的镦粗程度减小,抗拉伸性能降低,当H取3mm和4mm时载荷-位移曲线几乎重合,故在铝铆钉试件预留高度影响对比分析中,取H为1、2、3mm作为研究对象分析。每组试件数据取平均值,得到载荷-位移曲线如图10所示。

由图9可知,铜铆钉试件的抗拉伸性能在拉伸位移s大于3mm后,随着预留高度的增大而逐渐降低。不同预留高度试件的载荷-位移曲线在初始阶段(s<3mm时)几乎重合,表明拉伸试验开始时,试件所受到的拉力主要由铆头变形后与铝板表面形成挤压得到的摩擦面承受,之后随着位移增大,拉力主要作用在铆钉杆上,在相同载荷的作用下,预留高度越大,铆钉杆所受的应力越大,从而随着位移增大铆钉逐渐失效。当H =1mm时试件有较长时间的保载过程,试件性能比较好。由图10可知,不同预留高度的铝铆钉试件的载荷-位移曲线相差不大,拉伸初始阶段与铜铆钉试件类似,拉力主要由摆碾形成的摩擦面承受;随着载荷增大,铆钉杆由于其塑性在轴向发生一定的倾斜变形,所受应力迅速达到强度极限,发生剪切破坏。

2.5 试样破坏形式

由于复合材料本身的各向异性等原因,复合材料层合板的失效模式比较复杂,主要有拉伸、剪切、挤压、劈裂以及各种组合失效模式［１４］。材料类型、连接形式、试件尺寸参数等都会对失效结果产生影响。在轴向拉伸作用下复合材料板与铝板连接试件的失效主要为复合板的拉伸与挤压组合失效以及铝板的孔边挤压破坏。复合材料孔边处由于应力集中首先达到材料的拉伸强度而破坏,再加上复合材料脆性较强,一点破坏即可迅速导致孔边沿板材的横截面整体拉断从而整体破坏［１５］。图11a所示为有垫圈试件与无垫圈试件的失效对比,可见垫圈对拉伸结果有明显影响,加垫圈试件的复合板上有明显的由铆接过程造成的压痕,这在一定程度上说明加垫圈试件承载能力提高了。对于预留高度对破坏形式的影响,当H为1mm时,试件多为拉脱与孔边挤压破坏,如图11b所示,并伴随着较明显的二次弯曲效应,如图11c所示;当H为2、3mm时,破坏形式表现为复合板的拉伸破坏与孔边挤压破坏;而当H为4mm时,由于纵向受力面积较小而应力增大,在整体拉伸破坏的基础上表现出一定的剪切破坏形式,如图11d所示。铜铆钉试件的失效形式仍以复合材料板发生断裂为主,伴有明显的二次弯曲效应,少量试件出现复合材料板的剪切破坏。铝铆钉试件的破坏形式是铆钉的剪切破坏,复合材料板表层也有剥离现象发生,如图11e、图11f所示。

3 钢铆钉金相试验

取铆接好的钢铆钉试件,其铆钉预留高度H为1、2、3、4mm以及板料孔径分别为5.9、6.0、6.1mm,将铆接件沿铆钉中线剖切,对剖面进行金相组织观察。主要观察大变形区即铆钉杆头部以及孔内的铆钉杆中部,铆钉剖面图及金相图见图12。

所用钢铆钉的金相组织主要为珠光体和铁素体。由于在摆碾过程中,铆钉杆中部及下部受挤压所形成的镦粗程度较小,因而铁素体和珠光体晶粒仍比较规则,晶界比较明显,可以较容易地观测到,预留高度对其影响较小,如图12b所示。而在铆钉杆的上部,钢材受挤压程度随着预留高度的降低而增大,图12c、图12d分别为预留高度为1mm和2mm的铆钉大变形区内部晶粒,在金相图中可以看到铁素体和珠光体受挤压变得扁平,其变形程度随预留高度的增大而减小,宏观上表现为铆钉杆头部较大程度的镦粗。另外,由于摆碾头绕铅垂线呈一定角度转动,因此受压面表层变形后的晶粒与铆钉中线有一定夹角,而深层晶粒则不存在这种现象。铆钉材料流动挤压铝板造成塑性变形从而与铝板接合紧密,在孔内铆钉与铝板接触面附近的晶粒变形程度相对较小。板料孔径的细微变化对钢铆钉金相组织影响较小。

4 试样耐腐蚀性能分析

用钢铆钉、铜铆钉及铝铆钉进行铆接试验(板料孔径为6.0mm,铆钉预留高度为2mm),在室温下取一定量硫酸配制为1mol/L的硫酸溶液,将试件分别置于溶液中进行腐蚀试验,腐蚀时间分别为2、4、6h;然后将试件取出,用光学显微镜观察试件铆钉与板料贴合处,发现无明显腐蚀痕迹;将经硫酸溶液腐蚀过的试件进行拉伸试验,得到的峰值载荷及载荷-位移曲线如图13~图16所示。

硫酸溶液腐蚀对不同材料铆钉连接件的拉伸性能影响较小。同一种材料的试件未经腐蚀和分别经过2、4、6h稀硫酸溶液浸泡后进行拉伸试验得到的峰值载荷相差不大。钢、铜铆钉连接件峰值载荷明显高于铝铆钉连接件峰值载荷。而载荷-位移曲线表明,随着腐蚀时间延长,试件的抗拉伸性能有一定程度的降低,主要体现在最终破坏失效所需的时间上,即腐蚀时间的增长能使试件更快地达到失效状态。钢铆钉试件腐蚀与否对其抗拉伸性能影响不大;铜铆钉试件腐蚀有一定影响;铝铆钉试件腐蚀影响最小,原因是在拉伸过程中的主要破坏因素是铝铆钉本身的剪切破坏,腐蚀对试件抗拉伸性能的影响没有得到充分的体现。另外,由于未经腐蚀的钢、铜、铝铆钉试件的抗拉伸性能存在较大差别,而2、4、6h的腐蚀对这三种试件的性能影响不大,因此,较短时间的腐蚀对不同铆钉材料连接件的耐腐蚀性影响较小。

5 结论

(1)加装垫圈对铆接件的抗拉伸性能有显著影响,承载能力比不加垫圈铆接件承载能力提高50%左右;孔径D对拉伸强度影响不大,但D为6.0mm时试验数据收敛性较好,性能稳定;试件抗剪切性能基本与预留高度H成反比,H为2mm时综合性能较好。因此加垫圈、孔径为6.0mm,预留高度取2mm时,试件有比较高的强度性能。

(2)钢、铜铆钉铆接件中铝板与复合材料连接在单向拉伸作用下的失效形式主要为复合材料的断裂与孔边的挤压破坏,预留高度为1mm的试件出现铆钉从复合板的剥离并伴随较明显的翘曲现象。而铝铆钉铆接件的破坏形式均为铝铆钉的剪断。此外,不同铆钉试件中铝板都会出现一定程度的挤压变形。

(3)摆碾过程中铆钉杆头部受挤压而铆钉材料流动,铆钉内部晶粒受力而变形为扁平状,且铆钉受压面表层的扁平状晶粒与铆钉中线成一定夹角;1mol/L浓度硫酸溶液在所规定的腐蚀时间内对试验中各类铆接件的连接性能均无显著影响。

摘要：通过铝板与复合板料碾铆连接与拉伸试验,分析了有无垫圈、不同预留高度及孔径对铝板与复合板料碾铆连接件连接质量的影响。试验结果表明:垫圈对抗拉伸性能影响最大,加垫圈试件比不加垫圈试件承载能力可提升50%左右;预留高度对连接性能有一定影响,随着预留高度增大,试件抗拉伸性能下降,预留高度为1mm和2mm时承载能力相差不大;孔径对连接强度影响较小,综合对比孔径分别为5.9、6.0、6.1mm试件可知,当孔径取6.0mm时试验结果较优。对钢铆钉进行了金相试验,从微观组织方面阐述了试件连接性能提升的机理。选取铜、铝铆钉进行碾铆及拉伸试验,所得结论相似。不同时间长度的腐蚀试验则表明较短时间内的硫酸溶液腐蚀对铆接件的拉伸性能影响较小。

复合耐磨板的焊接工艺研究 第10篇

关键词：复合耐磨板,焊接工艺,明弧焊

1 前言

在现代化大规模的工业生产中, 磨损导致机械部件的失效问题是非常严重的, 特别是随着化工、能源、交通等行业的迅速发展, 在现代化工、水泥、冶炼领域中, 磨损导致的失效问题更加严重[1]。随着表面工程技术的发展, 大面积复合耐磨板堆焊技术得到推广和使用, 美国、加拿大、澳大利亚、英国等已将这一技术广泛应用于工业生产中[2], 而我国是最近几年才开始大范围应用, 中材淄博重型机械有限公司与北京焊博焊接材料有限公司共同研制开发的明弧焊堆焊耐磨板, 是在普通Q235钢板上采用新型明弧堆焊药芯焊丝堆焊制成的新型耐磨复合钢板。

2 复合耐磨钢板的优点

2.1 高耐磨性

耐磨层的化学成分中碳含量达3%~5%, 铬含量高达20%~40%, 其金相组织中碳化物的体积分数达到50%以上, 宏观硬度为HRC55~65, 碳化物的显微硬度为HV1400~1800, 高于沙石中石英的显微硬度HV800~1200。

耐磨复合钢板的耐磨性能为热处理耐磨钢的5~6倍、不锈钢的5倍、高锰钢的5~6倍、Q345 (16Mn) 的11倍 (常温磨粒磨损实验数据) [3]。在堆焊耐磨板时, 采用特殊工艺方法控制碳化物的生长方向, 使碳化物的生长方向与磨料流动方向相垂直, 即使与同成分和硬度的铸造合金相比较, 耐磨性能也提高1.3倍以上, 其耐磨性远远高于喷焊和热喷涂等方法制备的耐磨层, 完全适应含尘浓度不大于3kg/m3、气流速度不大于25m/s等工况条件下的粉尘磨粒磨损。

2.2 良好的抗冲击性

耐磨复合钢板的基板为低碳钢或低合金钢等韧性材料, 体现了双金属的优越性。耐磨层抵抗磨损介质的磨损, 基板承受介质的载荷, 因此具有良好的抗冲击性, 可以承受物料输送系统中高落差料斗等工况条件下的冲击和磨损。

2.3 方便的加工性能

耐磨复合钢板可以切割、调平、制孔、弯曲和卷曲, 制成平板、弧板、锥板、圆筒等形状。切割好的复合板可以通过拼焊的方式制成各种形式的工程结构件或零部件。复合板还可用模具热压成复杂形状。耐磨复合钢板可以用螺栓或焊接等方法固定在设备上, 方便更换维修。

2.4 性价比高

耐磨复合钢板虽然制造成本较高, 但能大大延长部件的使用寿命, 因而维修费用和停机损失大为降低, 高的设备利用率就意味着高的生产效率和企业经济效益, 其性价比较之普通材料高约2~4倍。对于随着物料处理量越大, 磨损越严重, 对运转率影响越大的设备, 使用与之相适应的耐磨复合钢板, 其产生的经济效益越明显。

3 基材及焊丝的选择

3.1 基材的选择

复合耐磨板的基材要求有较好的韧性和可焊性, 且价格适中。根据市场调研和分析, 相对其他结构钢材料, Q235钢含碳量适中, 综合性能较好, 强度、塑性和可焊性都相对较佳, 所以采用Q235碳素结构钢作为复合耐磨板的基材, 其化学成分如表1所示。

由于这四种Q235钢的屈服强度和抗拉强度一样, 化学成分略有差别, 考虑到成本问题, 我们选用Q235A做为复合耐磨板的基材。

3.2 焊丝的选择

通过反复试验, 我们选用北京焊博焊接材料有限公司研制开发的药芯焊丝D95明弧堆焊焊丝, 该焊丝熔敷金属的化学成分如表2, 其熔敷金属是Cr-Fe-C型高铬合金材料, 22%~27%的铬含量和3.0%~5.0%的碳含量, 可以在堆焊层中形成体积分数超过50%的Cr7C3碳化物 (如图1所示) 。

在合金组织中碳化物是组成物中最硬和最耐磨的相 (碳化物的显微硬度为HV 1300~1800) , 该堆焊层组织中存在大量的碳化物相, 使得在磨损过程中磨粒的压入及摩擦受到强烈阻碍。同时, 共晶组织同碳化物有适宜的强度结合, 可使碳化物不易脱落, 相当于在一定强度的基体上嵌入高硬度颗粒, 尤其是在施焊过程中我们采用特殊工艺, 使碳化物的生长方向垂直于板面, 因此整个堆焊层具有优良的抗磨粒磨损性能。堆焊层表面平均宏观硬度值能达到57~65HRC。

4 堆焊工艺过程

4.1 工艺参数选择

根据堆焊层工作条件, 首先是硬度的要求, 同时参考母材板厚、堆焊高度及堆焊效率来选择工艺参数。经过反复试验, 确定了采用明弧堆焊焊丝在不同板厚和不同焊层厚度的最佳工艺参数, 如在8mm的Q235钢板上堆焊4mm时, 其最佳工艺参数如下:焊丝直径2.8mm, 焊接电流300A, 焊接电压30V, 焊接速度120mm/min, 焊枪摆幅40mm;焊丝直径3.2mm, 焊接电流320A, 焊接电压32V, 焊接速度12mm/min, 焊枪摆幅40mm。由于焊机 (或焊丝直径) 的不同, 基材及堆焊层厚度的不同, 其最佳焊接参数和规范也会有较大的差异。

4.2 堆焊工艺方法

在堆焊前先将明弧堆焊焊丝穿过送丝轮和导电嘴, 焊枪接电源正极, 基材接电源负极, 通电后焊丝先与基材之间形成电弧, 随焊枪摆动向前焊接, 电弧开始在焊丝与基材之间产生, 进入稳定焊接过程 (如图2) 。在堆焊过程中, 焊枪的摆动宽度应大于焊丝直径的4倍以上, 以避免摆动过宽造成焊道两侧熔深过大, 摆宽过窄造成成形不良。堆焊过程中的易损件, 如导电嘴、送丝轮应及时更换, 否则会导致送丝不畅, 而产生断弧。焊丝的干伸长度要适中, 不能过长或过短 (一般25mm) 。过长会导致焊道不直, 影响焊缝成形;过短会导致断弧, 影响连续焊接和耐磨板的质量。

图2是一个简易的堆焊原理示意图, 在实际的生产过程中, 我们采用四头堆焊耐磨板工艺 (如图3所示) , 同时用四台焊机堆焊。采用这种方法能大大提高生产效率, 降低成本。如堆焊规格为1500mm3500mm的Q235钢板, 当选用2.8mm焊丝, 堆焊4mm厚度时, 大约只需要3.5h, 一人操作即可完成整张板的焊接。同时焊接过程中采用压力水冷技术, 既可提高冷却速度, 也可提高耐磨板的硬度和耐磨性。

焊接速度的选择:从堆焊成形角度讲, 焊接速度太小时, 由于线能量过大熔化了较多的金属, 使熔化金属向焊缝两边流淌, 影响焊缝成形, 同时容易造成边缘部分与基材间产生未融合的缺陷;焊接速度太大时, 会使堆焊层中间下凹或者薄厚不均匀。通过多次试验, 我们选择的焊速一般在10~15mm/s之间, 随着焊接电流的增加, 焊速也略有增加。此外, 焊速还影响堆焊层厚度, 焊速越快, 堆焊层越薄。所以在实际堆焊时, 应综合考虑多方面因素来选择焊速。

4.3 堆焊层焊接应力的释放

由于焊接热应力的作用, 复合钢板的堆焊层表面分布着许多裂纹, 这些裂纹可以起到释放焊接应力、减少母板变形的作用。堆焊层的裂纹应该是细小、分散、无序、不深入母板的、与焊道长度方向垂直的裂纹。这种裂纹是焊接过程中应力释放的结果, 有助于提高复合耐磨板的韧性, 防止耐磨层脱落。此外, 高铬耐磨堆焊板的加工性能良好, 其表面的细丝状应力释放裂纹, 也可避免耐磨复合钢板在加工过程中发生脱落、剥离。

4.4 复合钢板的调平

堆焊后的复合钢板一般会出现较严重的变形, 母板越薄, 变形越严重。堆焊时, 为防止母板变形, 一般会在母板四周采用压板或压杠压紧。但在焊接热应力作用下, 母板可产生平面方向的收缩位移。变形严重时, 收缩位移量可达母板长度尺寸的5%~8%。当焊后松开压板时, 复合钢板会产生翘曲变形。经过研究与试验, 采用卷板机调平的方法可以调平复合耐磨板, 将制备好的变形的耐磨板通过卷板机的作用, 卷弧拉伸基板母材, 母板的变形会逐步变小, 最后消失, 尺寸较大、变形较严重的钢板需多次拉伸才可调平。采用这种方法可使复合钢板的不平度不大于5mm/m2, 完全可以满足像衬板、溜槽、料斗、筛板等对平整度要求不是特别高的设备及零件的使用要求。

5 堆焊层硬度测试

选用Q235作为基板, 焊丝采用相同的焊丝D95、相同的工艺, 在不同厚度δ1的基板上, 堆焊不同厚度δ2的堆焊层, 进行大面积 (大于4.5m2) 的堆焊试验, 然后对每种规格堆焊板取样 (如图4) 进行检测, 其表面硬度的平均值如表3。

从表3可以看出, 耐磨板的表面硬度随着基板厚度的变化略有变化, 主要是检测误差所致, 但随着堆焊层厚度的增加, 硬度增加较为显著;当堆焊层厚度大于4mm时, 不管基板厚度如何, 其表面硬度均大于57HRC, 达到了耐磨板的设计要求, 也满足产品对耐磨板的使用要求。

6 结语

采用明弧焊药芯焊丝堆焊生产复合耐磨钢板, 与其他工艺方法相比, 其工艺过程操作简单方便, 堆焊层稀释率低, 熔敷效率高, 板材整体变形小, 堆焊面硬度高, 耐磨性强, 再加工性能良好。利用该工艺技术生产的耐磨板产品, 因其具有性能指标先进、产品质量稳定、生产成本较低、适应性强等特点, 在不同的行业得到广泛应用, 具有很强的市场竞争力, 已经被越来越多的耐磨板生产企业采用, 具有很好的社会经济效益。

参考文献

[1]徐滨士.表面工程与维修[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]孟昭宏, 闫志醒, 王尚贤.加粉堆焊工艺及耐磨板堆焊复合钢板的应用[J].焊接技术, 1996, 4;10, 11.