摘要：金属层状复合材料的界面结合质量是评价其复合性能的主要指标。介绍金属层状复合材料结合性能的主要评价方法，分析包括定性评价、定量评价及无损检测等各种方法的优缺点。评价方法的选择要结合复合材料性能要求及复层尺寸等具体情况来进行确定。
关键词：金属层状复合材料；结合性能；评价方法
金属层状复合材料又称层状金属复合材料，它是由两层或多层不同性能的金属通过一定结合方法结合形成的一种复合材料。与单组元材料相比，经过合理设计组合后的结构层状复合材料可以获得相对较高的强度及较好的耐蚀、耐磨性能，而功能层状复合材料则具有优异的导电、导热及导磁等综合性能。目前金属层状复合材料已经在石油、化工、航天、汽车、造船、冶金、建筑、电力、电子、核能及日用品等领域得到了广泛的应用［１－２］。
各国的材料研究者在金属层状复合材料的结合机理、性能评价及界面表征等方面进行了大量的研究，取得了诸多成果，并在金属层状材料的结合质量评价方面建立了不同的规范标准体系，如美国的ＡＳＴＭ Ｄ９０３—９８、ＡＳＴＭ Ｄ９０６—９８、、ＡＳＴＭＤ１８７６—０１、ＡＳＴＭ Ｃ６３３—０１和ＡＳＴＭ Ａ２６３—０３，日本的ＪＩＳ Ｇ０６０１—２００２、ＪＩＳ Ｇ３６０１—２０１２，中 国 的ＧＢ７７３４—２００４、ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８和ＧＢＴ８１６５—２００８等。
金属层状复合材料的界面由于受制造工艺、生产条件等因素的影响，可能会产生结合不均匀甚至部分未结合的情况，从而在实际使用过程中引发严重的质量事故，因此界面结合质量成为人们关注的焦点问题，并已经成为评价金属层状复合材料性能优劣的主要指标。评价金属层状复合材料界面结合性能的方法有很多种，定性的评价方法主要有弯曲试验［２－８］和冲击试验［９－１３］等，定量评价方法有剪切试验［１４－２６］、剥离试验［２７－３０］、界面结合度试验［２８，３０］、压痕试验［３１］及粘结拉伸试验［３２－３３］等，无损检测方法主要有超声检测 技术［３４－３５］、红外热波成像技术［３６－３７］、声－超声技术［３４］、微波检测技术等［３４］。本文对金属层状复合材料结合性能的评价方法进行总结，并分析包括定性评价、定量评价及无损检测等各种方法的特点，以期为金属层状复合材料的研究及开发提供有价值的参考。
１ 定性评价方法
１．１ 弯曲试验
弯曲试验一般用来定性评价层状复合材料结合性能［５－８］，根据ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８，弯曲试验有内弯、外弯和侧弯３种。内弯指试样基层为受拉面的弯曲试验，外弯指试样复层为受拉面的弯曲试验，侧弯指试样复层及基层均为受拉面的弯曲试验。弯曲试样的形状和尺寸、样坯的切取和试样的制备等应按照钢板或基层材料的相关产品标准规定执行。层状复合材料弯曲性能合格的标志为：对内弯和外弯试样来说，在弯曲部分的外侧不得产生肉眼可见裂纹；对侧弯试样来说，受拉表面两种金属结合面不能开裂。
弯曲试验常用于评价不锈钢／钢复合板的结合性能，为了充分地反映层状材料的结合界面特性，日本学者提出了缺口弯曲试验方法［７］，该方法所用的是带缺口的试样［７－８］（见图１），即将层状复合材料中的复层侧剖开，经弯曲试验后，根据剥离的长度，对界面结合性能进行评价。采用缺口弯曲试验对层状复合材料进行评级时，冲头的曲率半径、板宽、切口宽等须根据材料的种类、尺寸以及二次加工时的变形程度来确定。该方法在试样形状、尺寸精度以及测试装置的尺寸精度等方面还需要进行系统的规范化工作。
ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８还对利用弯曲试验检测结合面的分离状态并计算分离率进行了规定。由于弯曲试验仅计算了侧表面的分离状况，因此可认为是一种半定量的评价方法。在某些情况下，弯曲试验可作为剪切试验的一种替代试验。
１．２ 冲击试验
冲击试验也可用来定性评价层状复合材料的结合性能［１，９－１３］。冲击试验主要有缺口冲击［９－１３］和弹道冲击两种方法［１］。目前尚无层状复合材料冲击试样制备及试验方法的相关标准，大多数试验是根据基材的相关产品标准执行的，如样坯的切取和试样的制备按照ＧＢ／Ｔ２９７５—１９９８有关规定执行；缺口形状及尺寸、试验要求及方法等按照ＧＢ／Ｔ２２９—２００７中有关规定执行。
层状材料具有非常优异的缺口冲击性能［１，９－１３］，如１２层超高碳钢／低碳钢层状材料［９，１０］的上平台吸收功高达３２５Ｊ，而单层低碳钢的吸收功仅为１９０Ｊ，同时使得韧脆转变温度向低温端移动。
Ｌｅｅ等［１１］研究了钢／铜层状材料的冲击性能，Ｅｌｌｉｓ等［１２］研究了层的厚度对Ａ１／Ａ１－ＳｉＣｐ层状材料冲击性能的影响规律，Ｔｅｋｙｅｈ－Ｍａｒｏｕｆ等［１３］研究了层数对Ａｌ合金板冲击韧性的影响。
层状材料冲击韧性提高的最主要原因是材料在受冲击时层间发生了分离，这种分层使得裂纹的扩展转向，从而提高了材料对能量的吸收效果［９－１３］。也就是说，结合强度的增大使得了层状材料分层困难从而使其冲击韧性降低。用冲击试验来评价层状复合材料的结合性能非常直观，但由于缺乏相关的理论支持，因此该方法目前仅处于定性评价的阶段。
１．３ 其他定性评价方法
除弯曲试验和冲击试验外，其他常用的层状材料结合性能定性评价方法还有蠕变试验、疲劳试验、断裂韧性试验、阻尼试验等，这些试验更多地用于评价具有特殊功能的层状复合材料［１］。
２ 定量评价方法
定量评价层状复合材料结合性能的指标有很多，常见的有剪切强度、剥离强度及结合度等，这些指标都能有效地反映层状复合材料的界面结合质量。
２．１ 剪切试验
由于剪切试验具有试样加工简单、测量方便可靠等优点，已经成为定量评价金属层状复合材料界面结合性能最常用的方法。剪切强度的大小表示复合材料复层和基层结合的牢固程度，结合越牢固，复合材料的工艺性能越优异。实践证明，剪切强度的高低会直接影响到层状材料的后续加工性能和使用寿命，因此，剪切强度是层状材料最重要的技术指标。剪切强度表示在受切线方向应力时层状材料单位面积上的最大断裂负荷，根据受力方式主要分为压缩剪切强度［１４－２０］和拉伸剪切强度［５，２１－２６］。
２．１．１ 压缩剪切试验
压缩剪切试验使用静压缩力，通过相应的试验装置，使平行于试验力方向的基层与复层的结合面承受剪切力直至分离，以测定层状材料的抗剪强 度。 美 国ＡＳＴＭ Ａ２６３—０３及 中 国ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８中规定的压缩剪切试验方法如图２所示。
剪切试样尺寸应符合图２（ａ）中的规定，如果结合面呈波纹状，复层加工掉后，结合面应呈两种金属混合的斑点状。将剪切试样放入图２（ｂ）所示的剪切试验装置中，调整试验装置，使试样在试验 装置中的间隙为０．１～０．１５ｍｍ。试验装置的设计应确保试验力作用在试样基层的中心线上。
夹持时要注意试样的复合界面与下模剪口边缘线对齐，以便剪切时恰好在复合界面处被剪断。另外，为防止压头受力后倾斜而影响测试精度，可对称放置试样。
剪切试样加工容易、试验操作简单，是目前应用最普遍的一种评价方法［１４－１５］。但是，当复层材料较薄时，试样的尺寸加工精度、测试装置的刚度、界面位置以及试样与卡具之间的间隙对测试结果有很大的影响。为此，Ｂｌｉｃｋｅｎｓｄｅｒｆｅｒ等［１６］设计了多台阶步进压缩剪切试验方法，即把试样中的台阶根部加工在距离界面不同的位置，通过剪切试验得到一系列的剪切强度值，然后再根据强度曲线获得更接近实际结合强度的数值，该方法在一定程度上消除了试样加工时界面位置不确定性的影响，但试样加工复杂，成本较高。
美国ＡＳＴＭ Ｃ６３３和 中 国ＧＢ／Ｔ １３２２２—１９９１（后被ＹＳ／Ｔ ５５０—２００６取代）对复层较薄的涂层复合材料的压剪试样尺寸和检测方法进行了规定，但在实际检测过程中由于试样尺寸及变形等问题使得结合强度的测量误差较大。为此，朱有利等［１７－１８］通过试验研究结合有限元模拟手段改进了该评价方法，并成功应用于涂层复合材料结合强度的评价中。之后，崔学军等［１９］对朱有利等提出的模型进行了改进，使法向应力有了很大程度的降低，大大减小了法向应力对涂层界面剪切结合强度预测的影响，进一步提高了涂层界面剪切结合强度预测的灵敏度。
２．１．２ 拉伸剪切试验
对厚度较薄的层状材料进行压缩剪切试验时，在压力的作用下，基体会发生弯曲变形而影响精度，甚至完全测不出剪切强度值。针对这一状况，可采用拉伸剪切试样代替压缩剪切试样进行剪切试验，ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８中规定拉伸剪切的试样尺寸如图３所示。试样在拉伸试验机上以一定的拉伸速度施加负荷，直到试样被剪断。拉伸剪切强度的计算与压缩剪切强度的公式相同。有研究人员通过拉伸剪切试验评价了如Ｓｎ－Ｚｎ－Ｃｕ／Ｃｕ［２１］、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ［２１］、ＳｎＡｇＣｕ／Ｃｕ［２３］、铝／钢［２４－２６］、铝／铜［２５］等层状材料的结合性能，但采用的试样尺寸与图３所示的不尽相同，主要区别为槽 宽、搭 接 面 积 的 大 小 以 及 复 层 的 厚 度等［２４－２６］。
ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８、ＡＳＴＭ Ａ２６４及ＹＳ／Ｔ４８５—２００５中规定了复合钢板拉剪强度的测试方法和测试装置。但拉伸剪切的测试方式也只适合复层相对较厚的情况，当复层厚度很薄时（如厚度小于１ｍｍ），采用拉伸剪切方法时很容易在复层最薄弱的位置发生弯曲和断裂，影响测试精度，甚至使测试失败。对复层很薄的层状复合材料（如涂层材料），剪切强度的测试技术并不完善，仅在ＧＢ／Ｔ１３２２２—１９９１中对涂层复合材料的评价方法进行了一定的规范，但仍存在很多问题。为此，井玉安等［２０］开发了一种双金属复合板抗剪强度测试装置，采用该装置能够准确测试出复层厚度小于０．２ｍｍ的双金属复合板的抗剪强度值。
２．２ 剥离试验
ＧＢ／Ｔ６３９６—２００８中规定的剥离试验方法如图４所示。除了图４所示的剥离试验之外，还有利用Ｔ型剥离试验对铝复层材料［２７］、铜／铝及铝／钢复层材料［２９］以及利用圆辊剥离试验对锡／铜合金及锡／铝 合 金 材 料［２８］进 行 结 合 强 度 的 评 价。ＧＢ２７９２－８１中规定的１８０°Ｔ型剥离试验方法是先将试样沿着轧制方向 用线 切割法 切 割为１０ｍｍ×２５ｍｍ的长方形试样，再用线切割机沿不锈钢与普碳钢的结合界面切开，最后制成Ｔ型剥离试样，通过单位宽度上剥离复层和基层所需要的力来确定复合板的结合强度。
福田隆等［３０］利用剥离试验研究了不锈钢复合板的剥离性能，发现剥离面积和复层厚度等对剥离强度影响很大。另外，该方法的试样加工比较困难，并且其测试结果无法与其他方法的结果进行比较，需要进一步加以完善。
２．３ 其他定量评价方法
除了压剪试验［１７－１９］之外，还可采用压痕法［３２］及粘结拉伸法［３３－３４］等对涂层复合材料结合强度进行评价和测定，但这些方法由于受涂装环境和涂装技术的影响往往不能反映涂层的真正附着力。至今还没有一种理论能够完整地描述涂层与基体界面结合强度的分布情况，但近十几年来应用有限元分析对涂层与基体界面结合强度的研究取得了一定的进展［１７－１９］，相信有限元数值方法将会成为改进层状复合材料结合性能评价方法的主要手段。
３ 无损评价方法
层状复合材料中的微观破坏和内部缺陷，用常规的机械和物理方法一般不能满足检验精度要求，也不能采用破坏性实验方法进行检测，必须对其进行无损探伤检测，即在不损坏结构使用性能的前提下，采取一定的手段，检测其特征质量，确定其是否达到需要的工程使用要求。无损检测是检验复合材料产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命必要的有效技术手段。对复合材料界面结合质量进行无损检测的技术很多，包括射线检测技术、超声检测技术、红外热波成像技术、声－超声技术、微波检测技术等［３４－３７］。
在先进复合材料制造过程中，由于难以对各种工艺参数进行精确控制，导致复合材料结构质量不稳定，具有一定的随机性，缺陷的存在不可避免；另外，使用过程中的静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变、过热等原因也会引起复合材料中损伤的产生，而损伤的产生、扩展与积累将会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料性能下降，降低结构的使用寿命，有时还可能会造成灾难性的后果。因此，在复合材料结构使用前以及使用过程中，对其进行无损检测就显得极为重要。
３．１ 超声检测技术
由于超声波对界面结合特性非常敏感，因此，金属层状复合材料的无损检测大都采用超声检测技术［３４－３５］。ＧＢ７７３４—２００４中对厚度大于４ ｍｍ的金属复合板检验方法进行了规定，采用单晶片或双晶片探头纵波脉冲反射法时，探头在基层或复层一侧按５０ｍｍ间距沿垂直于轧制方向扫查；采用耦合方式时可采用水浸法或接触法，并对探头频率和直径进行了规定。ＧＢ７７３４－２００４也对金属复合板界面未结合缺陷进行了分级，具体见表１。
超声检测的优点是技术成熟，设备费用低，可对试件进行微观缺陷检测、几何特征定位和组织变化的检测和表征，并进而对试件的使用特性进行评估。超声检测技术能有效检测出复合材料中的分层、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷，但在测定薄板材时所引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比低，不易分辨，另外，超声检测效率低，对不同类型的缺陷和不同厚度的复合板要使用不同规格的探头，而且在检测过程中需要使用耦合剂。
３．２ 红外热波检测技术
红外热波无损检测的基本原理就是对检测材料进行主动加热，利用被检材料内部热学性质差异，使热传导的不连续反映在物体表面温度的差异上，即物体表面的局部区域产生温度梯度，表面红外辐射能力表现出差异性，再借助红外热像仪探测被检试件的辐射分布，反映到热像图序列就可推断出材料内部缺陷情况［３６］。红外热波检测方式特别适合于检测复合薄板，尤其是当材料不能浸入水中进行超声扫描检测以及零件表面形状使得超声检测实施比较困难时可采用红外热波检测方式［３７］。红外热波法能够准确测定复合材料分层的深度，具有非接触、实时、高效、直观的特点，但不适用于加热后产生性能变化的复合材料。
３．３ 声－超声检测技术声
超声技术又称应力波因子技术，能够对复合材料界面进行有效检测，而且克服了超声发射技术信号清晰度不高、超声透射技术传感器可达性差的缺点。美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室的Ｇｉｅｓｋｅ等［３４］采用声－超声振幅Ｃ扫描技术成功地检测了涡轮叶片中复层与钢芯棒间界面的结合状态。
３．４ 微波检测技术
微波在复合材料中穿透能力强、衰减小，适合于复合材料的无损检测。它可以克服常规检测方法的不足（如超声波在复合材料中衰减大、难以检测内部较深部位缺陷，射线检测对平面型缺陷灵敏度低等），对复合材料结构中的孔隙、疏松、基体开裂、分层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。据报道，美国在２０世纪６０年代就采用微波技术对大型导弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量进行检测，结果证明了微波检测技术对复合材料中缺陷检测的有效性［３４］。
适用于复合材料结构的无损检测技术很多，不同的检测技术对不同类型缺陷的敏感性差别很大，同时还与材料类型、制造工艺、结合方式、厚度尺寸等因素密切相关。一般情况下，仅采用单一技术无法检测出复合材料中的所有缺陷，应根据材料中可能存在的缺陷类型以及缺陷所处的大概深度、取向等因素选择多种适当的方法进行综合检测，如对于孔隙、疏松、夹杂等体积缺陷，采用射线检测或微波检测技术比较有效；对于分层、裂纹、脱粘等缺陷，超声扫描技术、红外热波成像技术是首先应该考虑的检测手段，但当材料较厚（大于５０ｍｍ）时，检测灵敏度会大幅降低；声－超声检测技术比较适合于复合材料／金属粘接界面状态的检测。
４ 结语
本文总结了金属层状复合材料界面结合质量的主要评价方法，并把评价方法简单分为３类：定性评价方法、定量评价方法及无损检测方法。不同的评价检测技术都具有各自不同的优点和局限性，在选择检测方法时，应综合考虑材料特征、尺寸规格、形状特性、制造工艺、结合方式以及界面的类型、位置及取向和检测方法的有效性、检测仪器的可达性、要求的灵敏度、检测效率、检测成本等各方面的因素。
金属层状复合材料的复合机理较为复杂，人们为此做了大量的研究探索工作，许多学者也提出了不同的结合机理，这些理论大大促进了复合材料的发展。同时，复合材料生产工艺及技术的不断改进又促使复合理论日趋深入。随着计算机技术水平的提高，有限元数值模拟技术在金属层状材料的结合性能评价中起到越来越重要的指导作用。人们对界面结合机理认识的不断深入以及检测技术的不断发展，在某些领域已经由无损检测向无损评价方向发展。
参考文献略
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