Influence of Deformation Parameters on Mechanical Behaviour of Aluminium-Magnesium Roll-Bonded Composites with Kirigami-Structured Inlays

ENG: Purpose. To assess how the mechanical properties of a composite material comprising EN AW 1050 aluminium, and kirigami-inspired structure made from E235 steel and AZ31 magnesium alloy, depend on the initial configuration of its components and the degree of reduction during roll bonding. Methodology. The study involved roll-bonding five-layer composite sheets with the following configuration: two of the internal layers consisted of a kirigami structure implemented using an expanded metal mesh made from low-carbon steel. The outer matrix layers were aluminium alloy sheets, and the core matrix layer was formed from magnesium alloy sheets. The transformation of the kirigami structure within the composite was assessed using X-ray analysis. The mechanical properties of the composites were evaluated using three methods: impact bending tests, three-point bending tests and ball indentation tests. Findings. Experimental investigations yielded data on how the kirigami structure transforms within the five-layer composite, depending on the rolling reduction. It was found that a rolling reduction of 55 % provided an isotropic mechanical response. Mechanical testing showed that the energy absorption capacity was enhanced by 60–70 % with kirigami inlay, even under complex stress–strain conditions. The stiffness of the reinforced composite was found to be several times higher than that of unreinforced aluminium. Originality. This study is the pioneer in analysing the combined effect of component configuration and rolling reduction on the mechanical behaviour of a five-layer aluminium-magnesium composite reinforced with a steel kirigami structure. The study demonstrated that deformation parameters ensured reliable bonding between the aluminium and magnesium layers and significantly enhanced mechanical performance by controlling the transformation of the kirigami structure. Practical value. The findings of this study enhance our understanding of how rolling reduction and initial layer configuration affect the deformation behaviour of multilayer Al-Mg composites. They also lay the groundwork for designing novel composites reinforced with kirigami structures for advanced structural applications.

UKR: Мета. Оцінка залежності механічних властивостей композиційного матеріалу, що складається з алюмінію EN AW 1050, структури кірігамі зі сталі E235 і магнієвого сплаву AZ31, від початкової конфігурації його складових і обтиску при прокатці-з’єднанні. Методика. Дослідження включало отримання методом прокатки-з’єднання п’ятишарових композитних листів такої конфігурації: два внутрішні шари складалися з кірігамі-структури, у якості якої використовували просічно-витяжну сітку з низьковуглецевої сталі; у якості зовнішніх матричних шарів використовували листи з алюмінієвого сплаву, а внутрішнього матричного шару – лист зі сплаву магнію. Стан кірігамі-структури оцінювали за допомогою рентгенівського аналізу. Механічні властивості отриманих композитів оцінювали трьома методами: випробування на ударний вигин; триточковий вигин; випробування на вдавлювання кульки. Результати. За результатами експериментального дослідження були отримані дані про трансформацію кірігамі-структури в середині п’ятишарового композиту в залежності від величини відносного обтиску. Встановлено, що забезпечення ізотропії властивостей композиту можливо за умови дотримання деформації при прокатці на рівні 55 %. Результати механічних випробувань показали, що армування кірігамі-структурою на 60‒70 % підвищує здатність до поглинання енергії, у тому числі в умовах складного напружено-деформованого стану. Жорсткість таких композитів у декілька разів вища за жорсткість неармованого алюмінію. Наукова новизна. У даному дослідженні вперше кількісно оцінено вплив конфігурації компонентів і відносного обтиску при прокатці на механічні властивості п’ятишарового алюмінієво-магнієвого композиту, армованого сталевою кірігамі-структурою. Встановлено, що параметри деформації забезпечують не тільки надійне з’єднання шарів магнію й алюмінію, а ще, за рахунок контрольованої трансформації кірігамі-структури, значне збільшення показників механічних властивостей. Практична значимість. Результати дослідження розширюють уявлення про вплив обтиску й початкової конфігурації шарів багатошарового алюмінієво-магнієвого композиту на його деформацію під час прокатки-з’єднанні та можуть бути основою для розробки нових композитів, армованих кірігамі-структурами.