张晓琼，刘云飞,2，张斌，郭雄伟，王祖贵，李赫，王涛,3

Mg/Al波纹复合板抗冲击性能研究

张晓琼1a,1b，刘云飞1a,1b,2，张斌1a,1b，郭雄伟1a,1b，王祖贵1a,1b，李赫1a,1b，王涛1a,1b,3

（1. 太原理工大学 a. 机械与运载工程学院；b. 先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心，太原 030024；2. 中国重型机械研究院股份公司，西安 710068；3. 太原重型机械（集团）有限公司，太原 030027）

比对波纹轧制结构和平面复合结构的Mg/Al复合板抗冲击性能与吸能机制。采用波纹辊轧制工艺制备Mg/Al复合板，使用半球形铝合金弹丸对传统平面复合板与波纹复合板进行不同速度下的冲击试验研究，并对比分析2种复合板的损伤机理，探明波纹结构对复合板抗冲击性能的影响。Mg/Al平面复合板抗半球形弹丸冲击的吸能机制主要是通过靶板的塑性变形、剪切破坏、拉伸断裂、分层破坏和弹丸与靶板间摩擦等形式来吸收能量。波纹复合板对冲击能量的吸收主要依赖靶板的局部塑性变形、沿着波纹方向的开裂、结合界面的分层以及弹丸与靶板间的摩擦耗能。当冲击速度低于弹道极限速度时，波纹复合板的抗冲击性能优于平面复合板，高于弹道极限速度时，2种复合板的抗冲击性能和耗能程度相当。

镁/铝复合板；抗冲击性能；吸能机制；变形损伤

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、吸振性好、电屏蔽性好、易回收等优点，在航空航天及交通等领域有着广泛的应用前景[1]。镁合金耐腐蚀性、抗磨损性、加工变形能力及抗疲劳性能差，严重制约了镁合金的广泛应用[2—3]。将塑性变形能力好、耐蚀性强的铝合金与镁合金进行轧制复合，充分发挥镁、铝合金各自的优异性能，大幅提高了镁、铝合金的使用价值[4—6]。

在实际轧制法制备过程中，由于镁合金的塑性变形能力较差，当轧制力太大时，镁合金表面和边部会产生裂纹，当轧制力太小时，铝合金板与镁合金板难以复合[7—9]。徐希军[10]采用热轧复合的方法制备了Al/Mg/Al复合板，结果表明轧制温度为465 ℃，保温30 min，压下率为50%，350 ℃退火2 h时，获得的复合板结合效果良好，力学性能最佳。方博涵[11]研究了在不同温度下、三道次轧制后Al/Mg/Al复合板的显微组织和力学性能，结果表明，400 ℃时，Mg侧γ相厚度明显增长，在固相扩散时，γ相扩散系数随温度升高而变化明显，在此温度下复合板的力学性能最好。传统平辊轧制生产的Mg/Al复合板存在一些问题，包括结合强度低、残余应力大和形状翘曲严重。Wang Tao等[12—14]采用新型波纹辊+平辊轧制（CFR），通过试验和数值模拟方法研究了复合板在CFR热轧条件下的显微组织演变和力学行为变化，发现波纹界面结构通过较大的界面接触面积、机械啮合效应以及颗粒钉扎效应，大大增强了Mg/Al复合板的界面结合力。波纹复合材料作为抗冲击防护材料是否适用，需针对其在冲击载荷作用下的抗冲击性能、吸能性能与损伤机理进行系统研究。

目前关于对防护性材料的研究，主要集中在纤维增强复合材料、金属材料、无机非金属材料以及它们之间2种或多种复合而成的材料[15—19]。对于金属板在抗冲击性能方面，除了研究单种金属板外，还包括通过热压等方式将异种金属板带复合制备而成的层状复合板[20—23]，但此类研究较少。文中通过波纹辊轧制的方法制备出波纹Mg/Al复合板，将波纹复合板与普通平面复合板进行抗冲击性能研究，探索不同冲击速度下波纹结构对Mg/Al复合板抗冲击性能的影响。

1 试验

试验基板选用2 mm厚的挤压态AZ31B镁合金板材，覆板采用1 mm厚的Al2024铝合金板材，长宽尺寸为100 mm×100 mm，材料的化学成分如表1和表2所示。镁、铝板绑接之前先对将镁合金板进行在300 ℃下保温40 min，之后用钢丝刷打磨镁、铝板的粘合表面，以去除板材表面的氧化物或油渍，将镁板和铝板绑接组成坯料。最后，将制备好的坯料放入400 ℃的真空加热炉中，在氩气气氛下保温25 min。在平辊轧制法中，Mg/Al坯料经热处理后直接放入轧机，上下辊均为常规平辊，压下率为33.3%，轧制速度为0.12 m/s。波纹辊轧制法中，使铝板与上波纹辊接触，镁板与下平辊接触，轧后得到了铝表面呈波纹状的Mg/Al复合板，轧后平面复合板与波纹复合板如图1所示。

表1 AZ31B镁合金的化学成分（质量分数）

Tab.1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy (mass fraction) %

表2 Al2024铝合金的化学成分（质量分数）

Tab.2 The chemical composition of Al2024 aluminum alloy (mass fraction) %

对制备的平面复合板与波纹复合板进行一级轻气炮冲击试验，试验中所用的轻气炮炮管内径约为14 mm，长度为1200 mm，炮口离靶板的距离约为60 mm，驱动气体为氩气，气炮冲击试验装置和所用弹丸尺寸如图2所示，弹丸的质量为6.5 g。在靶板的前后都安装了激光测速仪，用来测量弹丸离开炮口时的初始速度和击穿靶板后的剩余速度。试验过程中需尽量保证弹丸的入射方向与靶板冲击面垂直，在对复合板进行冲击时，弹丸的冲击侧为铝合金侧，并将这一侧记为正面，另一侧记为背面。

图1 Mg/Al复合板

图2 冲击试验装置示意

2 结果与讨论

2.1 平面复合板抗冲击性能

2.1.1 变形与损伤模式

Mg/Al平面复合板在不同冲击速度下的损伤形貌如图3所示，试验结果见表3，其中包括了弹体被反弹（见图3a—d）、临界穿透（见图3e）和完全贯穿靶板（见图3f）3种情况。

从图3a和b可以看出，当冲击速度低于83 m/s时，铝合金侧形成球形凹坑，并随着弹丸速度的增加，

弹坑大小、深度以及铝合金的局部塑性变形程度都明显增加；镁合金侧则发生鼓包凸起变形，且沿冲击中心点向周边延伸裂纹，弹丸速度的增大导致初始的三叉型裂纹转变为十字型裂纹，而裂纹的长度也有所增加，但镁合金的塑性变形程度无明显变化。在这2种冲击速度下，未观察到层间分层。

随着冲击速度的进一步增大，弹丸对正面产生的冲击作用力超过了铝合金的强度极限，弹坑的塑性变形程度达到最大后不再维持原形状，随即在局部挤压应力和拉伸应力的作用下发生破裂（见图3c正面），而后弹速的增加导致弹丸侵入靶板的深度增加，不再仅是弹丸半球形弹头部分与铝合金面板的相互作用，弹丸柱状部分也逐渐与铝合金变形区域表面形成了严重的挤压，进而在拉伸应力的作用下使弹洞圆周处的铝合金产生了诸多微小裂纹（见图3d正面）；图3c中背面的镁合金在剪切作用下凸出一圆台片状塞，并从中心处产生了4条明显的¤型裂纹，当冲击速度达到117 m/s时（见图3d背面），镁合金冲击位置处的塑性变形程度较图3c中的明显增大，但裂纹的长度和数量并没有显著的变化，这主要是由于正面铝合金板通过塑性变形吸收了较多的弹丸冲击能量，此外，弹丸和铝合金之间的摩擦也对弹丸能量有一定消耗。

表3 Mg/Al平面复合板冲击试验参数

Tab.3 Impact test parameters of planar Mg/Al composite plate

图3 Mg/Al平面复合板在不同冲击速度下的损伤形貌

当冲击速度在130 m/s左右时，靶板的破坏发生了2种状况，即弹丸穿透靶板和弹丸被反弹，此时可认为靶板的弹道极限速度约为130 m/s，在此速度下刚好穿透靶板后的弹丸由于偏离之前的直线飞行轨迹，剩余速度经多次采集后，均未测得。从图3e可以看出，镁合金发生冲塞破坏，冲塞处裂纹的形式呈火山口状的＊型，且较上一冲击速度，裂纹的条数增加，但塑性变形程度基本相同，而正面铝合金的破坏程度几乎没有改变，这是由于铝合金的局部塑性变形程度和损伤破坏几乎达到最大化，此时主要由镁合金来抵抗弹丸的冲击破坏作用。

当弹丸的冲击速度高于靶板的弹道极限速度时，铝合金侧和镁合金侧都发生冲塞，且两侧弹孔周围局部区域的塑性变形程度都略微增大，镁合金冲塞口处圆周上的裂纹条数进一步增加，呈✲型花瓣状（见图3f）。由此可以看出，在高于弹道极限速度冲击靶板时，靶板的破坏程度还会继续增加。从靶板对弹丸能量吸收的角度来看，在弹道极限速度下，可以认为弹丸的能量完全被靶板吸收，吸收能量为弹丸的全部动能，约为55 J。在140 m/s的入射速度下，根据剩余速度计算可知，靶板吸收了约51 J的弹丸动能。靶板所吸收的能量并未随速度的增加而增加且有所降低，这是由于在130 m/s冲击速度下，靶板与弹丸之间相互作用的时间相对较长，因此相比于裂纹数量增加，显然是通过弹丸与靶板间的相互作用对弹丸的冲击能量吸收更多。

2.1.2 平面靶板耗能分析

随着弹丸冲击速度的不断增大，镁板与铝板结合界面开始分层，铝合金侧由初始塑性变形形成的球型坑转变为局部开裂，进而发生最终的冲塞破坏；镁合金侧由最初中心一点向外扩展裂纹转变为从冲塞圆台的圆周向外延伸多条裂纹。弹丸对靶板中心处的冲击载荷进一步增大，导致镁合金侧发生冲塞且裂纹的数量也有所增加。由此可知，Mg/Al平面复合板抗半球形弹丸冲击的吸能机制主要是通过靶板的塑性变形、剪切破坏、拉伸断裂、分层和弹丸与靶板间摩擦等。最终的破坏形式主要是靶板的塑性变形、剪切破坏、裂纹扩展和结合界面的分层。在不同的冲击速度下，靶板中2种金属板对弹丸能量吸收的程度不同，当冲击速度低于117 m/s时，Mg/Al复合板协同来吸收弹丸的冲击能量，而高于此速度时，镁合金对弹丸能量的吸收占主导地位。

2.2 波纹复合板抗冲击性能

2.2.1 变形与损伤模式

Mg/Al波纹复合板受弹丸不同速度冲击后的损伤形貌如图4所示，对应的试验参数见表4。从图4a可以看出，当冲击速度较小时，铝合金只在波峰处产生微小的挤压变形，镁合金出现轻微鼓包并且在竖直方向上萌生一条裂纹，这是因为在冲击过程中弹丸与波峰的接触面积较小，正面波峰处的挤压变形作用到背板，使背板沿波峰竖直方向上的应力较为集中。当冲击速度为83 m/s时，弹丸不同程度地作用到多个波峰，背板镁合金侧产生明显的竖型开裂，由于变形严重，还诱发了新的裂纹生成（见图4b）。在相同冲击速度下，与平面复合板相比，波纹板正面铝合金侧的局部塑性变形程度更小，这主要是源于凸起的波峰结构承担了主要的冲击变形，而对于背面镁合金侧，波纹板的开裂程度更大，但裂纹的总长度和条数不及平面复合板。

图4 Mg/Al波纹复合板在不同冲击速度下的损伤形貌

表4 Mg/Al波纹复合板冲击试验参数

Tab.4 Impact test parameters of corrugated Mg/Al composite plate

当弹丸冲击速度继续增大，正面铝合金侧的波峰结构不再能够抵抗弹丸的冲击载荷作用，此时局部区域的塑性变形程度也开始增加，直到铝合金在剪切和拉伸的共同作用下发生破裂。由于波纹结构形状的特殊性，在波谷处铝合金的厚度较薄，强度较低，因此除在弹丸与靶板接触的地方产生破裂外，周边沿波谷竖直的方向上也萌生了裂纹。从裂纹的断口情况来看，竖直方向的裂纹更倾向于拉伸断裂，而趋于水平方向的弧形裂纹更偏向于剪切断裂；镁合金板的凸起程度、裂纹条数和大小进一步增加，与平面层合板不同的是，镁侧并没有圆形塞的形成（见图4c）。此外，在此冲击速度下，结合界面并没有完全分层，造成这种现象的原因是波纹结构的存在阻碍了应力波沿厚度方向的传播且界面结合强度较平面复合板好。

当冲击速度为117 m/s时，从图4d可看到，正面波纹铝合金的损伤已非常明显，塑性变形程度明显增大，沿波谷方向出现开裂。这是由于弹丸与靶板刚接触时，弹头的球心点处于两波峰的中间，弹丸与靶板接触时并非完全垂直撞击，而是存在一定的微小角度，因此两波峰变形程度并不相同。变形严重的一侧波谷在最先达到强度极限后出现开裂并沿着波谷方向向下扩展。对于波纹板铝侧开裂扩展的位置，主要与弹丸的冲击速度、弹丸与靶板接触时的位置、冲击过程中靶板对弹丸飞行角度的改变以及金属的内部组织等有关。此时镁合金的变形和破裂程度也明显增大，但裂纹的条数减少。较平面复合板相比，波纹板铝合金侧破坏形式主要是阶梯型开裂，镁合金侧未形成圆塞，而平面板铝合金侧主要为环形开裂。

图5为在此速度下冲击时靶板的几个主要变形过程，可以看出，弹丸接触到靶板后，靶板开始发生塑性变形并逐渐达到最大变形，此时弹丸的速度降为0，随后由于靶板的弹性恢复，将弹丸反弹并使其脱离靶板。

图5 117 m/s冲击速度下靶板变形过程

当冲击速度约为130 m/s时，弹丸的状态同样发生了2种情形：弹丸遭受反弹和刚好嵌入靶板，由此可以判断得出靶板弹道极限速度在130 m/s左右。图5e为弹丸正好被靶板卡住且尾部已经完全穿入靶板的情况，可以看出，靶板的变形和破坏程度达到了最大，正面铝合金左侧位置沿着波谷方向产生了剪切和拉伸撕裂裂纹，偏右侧位置只在半圆弧区域上发生了变形破坏。背面镁合金侧未发生冲塞，而是在弹丸的挤压作用下由中心一点向外扩展成3条大型裂纹。

靶板冲塞后的形貌如图4f所示，与图4e中的现象相比，靶板出现破坏的范围和塑性变形程度小了很多，这是由于当以140 m/s的速度冲击靶板时，弹丸与靶板的相互作用时间较短且应变率较高，镁、铝合金主要的变形机制发生改变，因而局部区域金属来不及发生应变，弹丸就已经穿透靶板。相较于130 m/s的冲击速度，弹丸与靶板的作用时间较长，且130 m/s的冲击速度下弹丸嵌入靶板，导致了靶板弹性恢复受阻，靶板有较长的时间通过变形和破坏将弹丸的能量全部吸收，因而，靶板产生的损伤程度更大。

2.2.2 波纹靶板耗能分析

在不同速度下对波纹靶板进行冲击时，铝合金由最初的波纹结构变形转变为球形弹坑并伴随有裂纹生成，随后弹坑中的裂纹进一步扩大且在竖直方向上发生延伸。在一定的冲击速度范围内，靶板正面波纹结构的挤压形变可以吸收相当一部分弹丸能量，从而减小了局部区域的塑性变形程度，然而随着弹丸速度的增加，波纹结构的变形无法再抵抗弹丸的冲击能量，因此之后对能量的吸收更加依赖于铝合金材料本身的属性，同时波纹结构的存在同时也促进了铝合金上裂纹的产生，这对弹丸能量的吸收也作出了一定的贡献。镁合金的损伤形式主要为鼓包变形和开裂，在低于弹道极限速度冲击时未显现出塞块，这与平面复合板中发生的现象不同，因此，波纹板的吸能机制主要为靶板的局部塑性变形和开裂、结合界面的分层及弹丸与靶板间的摩擦耗能。

3 结论

采用波纹辊与平辊轧制的方法制备了Mg/Al复合板，研究了波纹结构对复合板抗冲击性能的影响以及不同冲击速度下平面复合板和波纹复合板的吸能机制，得出如下结论。

1）当弹丸冲击速度低于弹道极限速度时，波纹复合板的波纹结构能够促进裂纹产生，有利于对弹丸能量的吸收，抗冲击性能要优于平面复合板。当弹丸冲击速度高于弹道极限速度时，2种复合板的抗冲击性能和耗能程度相当。

2）由于铝合金波纹面板自身的变形和损伤耗散掉了一部分能量，有效降低了镁合金背板的损伤程度，因此波纹复合板的背板变形要小于平面复合板。

3）对于波纹复合板与平面复合板，当弹丸冲击速度高于弹道极限速度时，靶板对弹丸冲击能量的吸收并未随着速度的增加而增加，主要由于弹丸与靶板间的相互作用时间缩短，导致能量吸收程度减缓。

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Impact Resistance of Mg/Al Corrugated Composite Plate

ZHANG Xiao-qiong1a,1b, LIU Yun-fei1a,1b,2, ZHANG Bin1a,1b, GUO Xiong-wei1a,1b, WANG Zu-gui1a,1b, LI He1a,1b, WANG Tao1a,1b,3

(1. a. College of Mechanical and Vehicle Engineering; b. Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment, Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710068, China; 3. Taiyuan Heavy Machinery Group Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

The work aims to compare the impact resistance and energy absorption mechanisms of corrugated Mg/Al composite plate and planar Mg/Al composite plate. The Mg/Al composite plate was prepared by corrugated rolling, and the impact test of traditional planar composite plate and corrugated composite plate was carried out by hemispherical aluminum alloy projectile at different speed. The damage mechanisms of these 2 types of composite plates were compared and analyzed, and the influence of corrugated structure on the impact resistance of composite plate was proved. The energy absorption mechanism of planar Mg/Al composite plate against the impact of hemispherical projectile was mainly through the forms of plastic deformation, shear failure, tensile fracture, delamination failure and friction between projectile and target. The impact energy absorption of corrugated composite plate mainly depended on the local plastic deformation of the target plate, the cracking along the corrugated direction, the delamination of the bonding interface and the friction energy dissipation between the projectile and the target plate. When the impact velocity is lower than the ballistic limit velocity, the impact resistance of the corrugated composite plate is better than that of planar composite plate, and when the impact velocity is higher than the ballistic limit velocity, the impact resistance and energy dissipation of the 2 composite plates are similar.KEY WORDS: Mg/Al composite plate; impact resistance; energy absorption mechanism; deformation damage

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.010

TG335.81

A

1674-6457(2021)06-0077-07

2021-07-01

国家自然科学基金（U1710254）；国家重点研发计划（2018YFA0707300）

张晓琼（1987—），女，博士，讲师，主要研究方向为材料与结构动态力学性能。

刘云飞（1984—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为板带轧制装备及工艺。