（工程力学专业论文）泡沫金属冲击动力学性能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 泡沫金属由于其独特的结构而具有优良的综合力学性能，如具有超轻型、高强 度比、吸声、隔声、隔热、散热、阻燃、减振、吸收冲击能、电磁屏蔽等性能，在 航空航天、汽车工业、建筑等领域有广泛的应用前景。因此对泡沫金属力学性能的 研究，特别是当其作为冲击防护材料时其冲击动力学性能的研究，具有重要的理论 意义和实际应用价值。本文的研究工作如下： 首先总结了近年来国内外研究人员在泡沫金属材料静态力学性能上的研究成 果，包括泡沫金属的静态力学性能、影响因素及静态本构关系。其次较为系统地总 结了近年来国内外研究人员在泡沫金属动态力学性能上的一些研究成果。分析了影 响泡沫金属动态力学性能的因素，包括应变率和时效处理等外部因素以及基体性能 和相对密度等内部因素。最后运用l s - d y n a y 有限元软件，采用幂函数塑性模型，对 圆孔和方孔两种胞元模型在冲击载荷作用下的变形过程进行了数值模拟，分析了泡 孔结构、相对密度及撞击速度对泡沫金属冲击动力学性能的影响。 所得结论如下： 1 、泡孔结构对泡沫金属的变形机理有重要影响。当应变较小时孔，圆孔的变形 方式以塑性屈曲为主，方孔以弹性弯曲为主；应变达到一定程度时，圆孔发生了坍 塌，方孔出现了失稳。 2 、两种泡孔结构的泡沫金属在变形过程中都呈现明显的不均匀特征，接触面处 的平均应力及宏观平均应变均高于试件的总体水平。 3 、忽略冲击过程中波的传播，转化为泡沫金属动能的那部分能量在吸能过程中 起主要作用。 4 、在冲击变形过程中，除泡孔结构影响泡沫金属稳定性外，相对密度也影响泡 沫金属稳定性，相对密度较低( 0 3 ) 时失稳现象更容易发生。 5 、泡沫铝是应变率敏感的，其屈服强度随着撞击速度的提高而增大。 关键词：泡沫金属；应变率；相对密度；冲击动力学；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fl t su m q u es t r u c t u r e s ，f o a m sm e t a lh a sal o to fe x c e l l e n t p r o p e r t i e s s u c ha se x c e e d l i g h ti n w e i g h t y , h i g hs t r e n g t hr a t e s ，s o u n d - a b s o r p t i o n ，s o u n d - i n s u l a t i o n ，h e a t i n g i n s u l a t i o n ，h e a t i n g - s c a t t e r i n g ，f i r e r e t a r d a n t ，v i b r a t i o n r e d u c i n g ，i m p a c te n e r g ya b s o r b i n ga n de l e c t r o m a g n e t i o n s h i e l da n ds oo n i ns o m ef i e l d ss u c ha sa e r o s p a c e ，a u t o m o b i l ea n db u i l d i n g ， f o a m sm e t a lh a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s ot h ei n v e s t i g a t i o n o nt h e p r o p e r t i e s o ff o a m sm e t a l ，e s p e c i a l l yt h e i n v e s t i g a t i o n o nt h e i m p a c t d y n a m i c sp r o p e r t i e sw h e nt h e ya r eu s e da ss a f e g u a r dm a t e r i a l ，h a si m p o r t a n t t h e o r ys i g n i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e ri se n g a g e di nr e s e a r c h a sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hr e s u l t so ns t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff o a m sm e t a l i nr e c e n ty e a r sa r es u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gt h es t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h es t a t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so ff o a m sm e t a l 2 t h er e s e a r c hr e s u l t so nd y n a m i c sp r o p e r t i e so ff o a m sm e t a li nr e c e n t y e a r sa r es u m m a r i z e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n a l y z e dc o u l db ed i v i d e di n t o t w ot y p e s ，e x t e m a lf a c t o ra n dt h ei n t e r n a lo n e t h ee x t e m a lf a c t o ri n c l u d e d t h es t r a i nr a t ea n de f f e c to fa g i n gt r e a t m e n t ，t h ei n t e m a lo n ei n c l u d e dt h e m a t r i xp r o p e r t i e sa n dr e l a t i v ed e n s i t ya n ds oo n 3 b yu s i n gt h ef e ms o f t w a r el s d y n aa n dt h ep o w e r l a w e rm o d e l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e f o r m a t i o np r o c e s so fc e l lm o d e lw i t hc i r c i n a lh o l e o rc u b i ch o l ea r em a d es e p a r a t e l yu n d e ri m p a c tl o a d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o fi m p a c td y n a m i c sp r o p e r t i e s ，i n c l u d eh o l es t r u c t u r e ，r e l a t i v ed e n s i t ya n d i m p a c tv e l o c i t ya r ed i c u s s e d c o n c l u s i o n so b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 、h o l es t r u c t u r ei s i m p o r t a n tt od e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff o a m m e t a l w h e nt h es t r a i ni ss m a l l ，p l a s t i cy i e l di st h em a i nd e f o r m a t i o nt ot h e c i r c i n a ls t r u c t u r e ，e l a s t i cb e n di st h em a i nd e f o r m a t i o nt ot h ec u b i co n e ；w h e n t h es t r a i ni s b i ge n o u g h ，t ot h ec i r c i n a lh o l e ，c o l l a p s eh a p p e n e d ，a n dt ot h e 1 1 1 c u b i co n e ，b u c k l i n gh a p p e n e d 2 、o b v i o u sa s y m m e t r i cp h e n o m e n o na p p e a r e di nt h ed e f o r m a t i o n p r o c e s s o ff o a mm e t a lw i t h c i r c i n a lh o l eo r c u b i c h o l e ，a v e r a g es t r e s sa n d m a 盯o s c o p i c a la v e r a g es t r a i nn e a rt h ec o n t a c ts u r f a c ei s h i g e rt h a nt h a to f w h o l e1 e v e l 3 、t r a n s m i t i o no fw a v ei nt h ei m p a c tc o u r s ei si g n o r e d ，e n e r g yw h i c h w a st r a n s l a t e di n t ok i n e t i ce n e r g yo f f o a mm e t a lp l a y e da ni m p o r tr o l ei nt h e p r o c e s so fe n e r g ya b s o r p t i o n 4 、b e s i d eh o l es t r u c t u r e ，r e l a t i v ed e n s i t ya l s oa f f e c t st h es t a b i l i t yo f f o a m m e t a l ，w h e nt h er e l a t i v ed e n s i t yi sl o w e rt h a n0 3 ，b u c k i n gh a p p e n e d e a s i l v 5 、a l u m i n u mf o a mh a ss t r a i n r a t es e n s i t i v i t y ，i t s y i e l ds t r e s si se n h a n c e d w h e nt h ei m p a c tv e l o c i t yi si n c r e a s e d k e yw o r d s ：f o a mm a t e r i a l ；s t r a i nr a t e ；r e l a t i v ed e n s i t y ；i m p a c td y n 锄i c s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：臼期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 在传统的工程材料中孔洞常被认为是一种结构上缺陷，因为这往往是裂纹形成 和扩展的中心，对材料的性能产生不利影响。但是，当材料中孔洞的数量增加到一 定的程度且有规律地分布时，材料就会因为这些孔洞的存在而具有一些特殊性能， 从而形成一个新的材料门类，这就是所谓的的多孔材料或泡沫材料。 通过比较人造材料和大自然直接提供的材料在结构上的差异，可能会对今后研 制新材料有所启发( 见图1 - 1 ) 。 图1 1 新材料探索途径示意图 f i g1 - 1 t h ed i a g r a mo fn e wm a t e r i a le x p l o r ea p p r o a c h 人造结构材料往往追求高致密固体，如：钢、水泥、玻璃等。而自然界往往选 用泡沫材料( f o a mm a t e r i a l ) 或称多孔材料( p o r o u sm a t e r i a l ) 和胞状材料( c e l l u l a r m a t e r i a l ) ，如：蜂窝、木材、珊瑚等。一般人们印象中总认为致密材料强度大，而多 孔材料强度小，不宜营造大型建筑或承受重负荷，这种观念随着众多人造多孔材料 的逐渐出现而得以纠正。 相对于致密金属材料，泡沫金属具有许多优良特性，如密度小、比表面积大、 能量吸收性好、热导率低( 闭孔泡沫金属) 、吸声性能好( 开孔泡沫金属) 、隔音性 佳( 闭孔泡沫金属) 、透过性( 渗透性) 优良( 开孔泡沫金属) 、电磁波吸收性好( 开 泡“、金屉冲h t 动力学性能研究 t l 泡沫余属) 、阻火( 丌孔泡沫余属) 、| 1 6 j 热耐火、抗热震，气敏( 些泡沫金属对 某些气体十分敏感) 、能再生、加_ t 性好等。泡沫金属兼具多孔材料的绝大部分优异 性能，其应用几乎涵盖了多孔材料的所有用途。泡沫金属的强度、韧性、抗冲击性 能等综合力学性能，使泡沫金属在工程中r 叮以作为优异的承载结构：如泡沫铝、泡 沫镁、泡沫钛，以及它轻质泡沫会属都可以用来制缶承载结构件、防震结构件等等i l 2 1 。 11 泡沫金属简介 111 泡沫金属的定义 泡沫金属是一种在金属基体中形成无数气泡的多 l 性金属材料，它是由固相和 通过固相形成的孔隙所组成的复合体，一般要达到相对孔隙含量( 即孔率，又称孔 隙率或孔隙度) 争4 0 它区别于普通致密余属的最显著的特点是具有有用的孔隙。 112 泡沫金属的结构特征 观察并分析泡沫金属的微观结构可以为建立力学分析模型提供重要的基础，人 们对泡沫金属孔体结构的认识主要基于扫描电镜分析( s e m ) 或其它的显微观察。 图1 2 为几种常见的泡沫铝的微观结构p 。 a ) l i l c o 硒a mb ) a l d o r a s d ) a l u i i g h t e ) f r a u n h o f e rn a l c a n 囤i 2 几种常见的泡津铝的擞观结构 f i g i - 2 t h e m i c r o n r u c m r eo f s e v e r a la l u m i n u m 自a m s 泡沫金属本体的支架结构可分为【5 】= ( 1 ) 孔壁：气孔和气孔交界的地方；( 2 ) 筋 ( 又称孔棱) ：孔壁和孔壁交界的地方：( 3 ) 节( 孔节点) ：筋和筋交界的地方( 如 图1 埘所示) 。对于开孔结构来说，气孔和气孔间是没有完整的孔壁隔离的，而闭孔 2 第一章绪论 结构则正相反。当孔壁与筋相比显得非常薄弱时，孔壁对材料的整体力学性能的影 响就非常小，这样在分析材料力学性能时，闭孔结构就可蛆作为准丌孔结构来处理， 即把孔壁的作用忽略掉或折算到筋上。 泡沫金属由金属骨架和气i l 组成，从孔貌上可分为闭孔和j 阿l 两种。前者含有 大量独立存在的气泡，而后者则是连续畅通的三维多孔结构( 如图1 3 ) 。闭孔结构 为内部气孔相互独立，由母体金属分离，每个气孔都是封闭的。开孔结构为内部气 孔相互连接在一起，单个气孔不是封闭的。在许多泡沫金属中，f 孔和闭孔是同时 存在的”。 根据孔径大小可将泡沫金属材料分为三类：微孔材料( - l 径 2 n m ) 、中孔材料 ( 2 n m 7 0 ) 的泡沫金属，其力学性能的研 究工作相对较少。在单向力学性能方面，c h e n i 噶】等研究了泡沫铜的杨氏模量、屈服 强度和变形性；c h o i i l 2 j 等发现负泊松比的开口泡沫铜的断裂韧性被提高；g i b s o nlj ， a s h b yme 发表的文献则对这类高孔率泡沫金属的各方面性能己取得的研究成果进 行了较系统的总结。后来a s h b y 【1 9 1 等还研究了高孔率泡沫材料的蠕变行为。虞吉林等 【2 0 】通过限制试件的径向变形和侧向变形实现复杂加载，对泡沫金属在多轴应力状态 下的动态力学响应进行了实验研究。 目前国内外对泡沫金属的研究以泡沫铝和泡沫铝合会为主【2 卜2 2 1 ，以其它金属做 基体材料的泡沫金属所占比例较小。现有的研究归纳起来主要包括制备工艺和性能 研究两大方面。制备泡沫金属的方法体系在六七十年代就大体地固定下来。于此同 时各国都投入了大量人力物力对改善泡沫金属性能方面进行了研究，研究的内容包 泡沫金属的合金化【2 3 2 6 1 、热处理【2 7 】、纤维增强或其它一些增强方法f 2 8 】。 7 泡洙金属冲击动力学性能研究 近年来，人们在理论方面也开始对泡沫金属进行系统的研究。一是在泡沫金属 的结构参数上的研究，人们越来越注意到泡沫金属在物理结构上的特殊性，它不仅 是一种结构材料，而且是一种具有许多物理性能的多功能材料，它的那些特殊的性 能都源于它的结构。例如泡沫金属孔隙通孔率与闭孔率的测定研究、孔径的统计测 量、比表面积的测量及这些参数对泡沫金属性能的影响【2 9 】。其次是对泡沫金属性能 方面如泡沫金属的力学性能、冲击性能、机械阻尼性能、消声吸声性能、阻尼内耗 特性、电磁屏蔽性能、热物理性能、变形特性和透过性能等的研究【3 0 3 2 1 。这些研究 给应用研究提供了理论依据。但关于泡沫金属的研究理论还是很不完善，有待于进 一步研究。 现在，随着新型、轻型材料的需求的不断增加，以及一些特殊的应用场合对材 料的要求，人们对泡沫金属的性能和生产方法的研究及其用途的开发仍然在不断的 探索当中。 1 2 3 压缩力学性能和应变率效应 泡沫材料的重要应用之一就是作为冲击防护材料的填充材料，其作用是通过孔 壁的形变或断裂来吸收冲击动能而不会产生超过被保护对象的所能承受的最高应 力。泡沫材料之所以具有这样的性能是源于其对压缩载荷的独特的响应特征，如图 1 7 所示，在压缩载荷作用下，无论是准静态还是动态，泡沫材料的应力一应变( 仃一s ) 具有明显的三阶段特征，即初始的弹性段( l i n e a re l a s t i c i t y ) 、中间的塑性平台( p l a t e a u r e g i o n ) 段及最后应力急剧上升的致密段，其中平台段的起始点应力成为泡沫材料的 屈服或坍塌强度，而此强度远小于其基体的屈服强度。正是由于泡沫材料这种独特 的压缩行为，当受到外界冲击载荷作用时很容易发生变形，同时随变形量增大而变 形所需的流动应力水平较低，在压缩变形过程能消耗大量的功，将其转变为结构中 孔泡的变形、坍塌、破裂，胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效的吸收外 界的冲击能量，这种在较低应力水平下大量吸收冲击能的特性正是作为缓冲吸能的 理想材料。 8 第一章绪论 图1 - 7泡沫材料的典型压缩应力应变曲线 f i g l 7c l a s s i cc o m p r e s s i v es t r e s s s t r a i nc u r v eo ff o a mm a t e r i a l 随着高分子泡沫制备技术的发展，其压缩应力特征受到了人们的普遍关注，在 过去的三十多年中人们对高分子泡沫的压缩力学行为和吸能特征展开了一系列系统 而深入的研究，取得了一大批重要成果。研究表明，泡沫铝具有与其它泡沫材料相 似的压缩应力应变响应特征【3 3 3 5 1 ，然而却具有比通常的泡沫塑料更高的力学性能， 在压缩载荷下表现出更高的屈服强度或平台应力，因而也具有更高的吸能性。 作为一种高性能吸能材料，其应用场合均具有动载荷特征因此对泡沫金属动态 相应特征的研究更具有实际意义。动载荷作用下材料响应对应变率的敏感性是材料 的重要重要力学行为特征之一，了解这一特征是了解材料动态响应机制的重要前提 之一。泡孔结构是影响金属泡沫材料力学性能的重要因素之一，在动态压缩变形过 程中，变形过程的均匀与否对其动力学性能有重要影响，而泡孔结构和相对密度及 撞击速度都会对变形过程的均匀性产生影响，本文的研究结果可望对泡沫材料的理 论分析及工业设计提供一定的参考。 1 3 本文的主要工作 首先总结了近年来国内外在泡沫金属的静态和动态力学性能研究上的一些成 果，分别介绍了内部结构因素( 包括基体性能、相对密度和孔结构等) 及外部因素 ( 实效处理效应、应变率效应等) 对其力学性能的影响。本文的主要研究工作是研 究泡孔结构及撞击速度对泡沫材料的冲击动力学性能，具体工作如下： 1 、建立了圆孔和方孔两种与泡沫金属实际形貌较为接近的泡沫胞元模型，用有 限元软件a n s y s l s d y n a 软件对泡沫金属在冲击载荷作用下的变形过程进行数值 模拟。 2 、根据模拟结果对两种泡孔的变形机理进行了理论分析，较为详细地考察和分 析了泡孔结构对泡沫金属冲击动力学性能的影响，对数值模拟中方孔结构出现的失 9 泡沫金属冲击动力学性能研究 稳现象进行了解释。 3 、对同一相对密度和相同撞击速度下不同泡孔结构的两种胞元模型在相等时间 内的吸能量进行对比，考察了变形过程的均匀性对其能量吸收能力的影响， 4 、保持同一相对密度，对方孔胞元模型在不同撞击速度下的变形过程进行了数 值模拟，并对泡沫材料所吸收能量的转化情况进行了分析，同时对数值模拟中容易出 现的问题进行了讨论。 1 0 第二章泡沫金属的静态力学性能和本构关系 第二章泡沫金属的静态力学性能和本构关系 泡沫金属作为一种新型的集结构一功能一体化材料，在工程中的应用正在逐步 推广，研究其各种性能已成为一种必然的要求。本章总结了最近几年来国内外研究 人员在泡沫金属材料静态力学性能上的研究成果，包括泡沫金属的静态力学性能及 其影响因素，同时介绍了泡沫金属的静态本构关系。 2 1 泡沫金属的静态力学性能的影响因素 金属泡沫材料的力学性能主要取决于基体材料、相对密度，另外孔洞结构参数 也会有一定的影响。 2 1 1 基体材料的影响 当相对密度一定时，基体材料本身的力学性能会对泡沫金属的性能起重要的作 用。a s h b y 和g i b s o n 深入地研究了泡沫材料的力学性能后得出结论：泡沫材料的弹 性模量、屈服应力等均与基体材料的相应参数成比例。尽管在相对密度比较低时孔 径参数也会影响泡沫金属的力学性能p 州，但是基体材料的力学性质直接决定泡沫金 属的压缩变形行为和模式，决定了泡沫材料的脆性和韧性。 2 1 2 相对密度的影响 泡沫金属材料与其他孔隙材料一样，其性能与孔隙率或相对密度关系密切。隔 热、减振、阻尼、能量吸收等特性和其有很强的相关性，抗压强度和弹性模量也随 之变化，抗压刚度随着密度的增加而急剧增加，且与密度成线形关系，表观弹性模 量也随之升高。由经验可知泡沫材料的弹性模量与其密度之间的关系为指数1 6 的关 系。空隙率不同时其压缩应力一应变曲线也不尽相同，主要表现在屈服平台的长度 上。当平均孔径相近时，随着孔隙率的增大，相同应变量的应力值减小，曲线明 显下移，屈服平台段延长。湘潭大学的康颖安等人p u 对两种不同相对密度的胞孔一 开孔和闭孔泡沫铝进行了单轴压缩实验，研究了相对密度对泡沫铝力学性能和能量 吸收性能的影响，并在文中从能量吸收率的角度比较了两种胞孔结构的泡沫铝的吸 能效果。 2 。1 3 泡沫金属孔结构的影响 根据对光测和c t 图像的观察【3 8 】，对闭孔泡沫金属材料孔的变形过程已有了一些 初步的概念，可以分3 个阶段进行叙述。第1 阶段；没有明显的孔弯扭和应力集中现 象，但也能看出孔节点处产生了局部变形。局部构件的塑性变形、孔面的弯扭和 残余应力的存在都可能使结构初始刚度降低，孔壁的弯曲也可能使节点处产生塑性 1 1 泡沫金属冲击动力学性能研究 铰。第2 阶段：形态上有缺陷的孔面、孔壁导致变形带的萌生和扩展。基于孔的几何 形态和材料的非线性特性，这个阶段有下列现象：孔壁受弯产生塑性变形，接着塑 性铰形成，孔壁失稳；对每个弱孔来说，至少有一孔壁受弯，尽管是非弹性变形， 但孔并不立即塌陷。孔壁的塑性失稳和弯曲使周围孔产生应变集中，进而引起孔的 弹性弯扭和旋转。如果周围的孔有足够大的强度，则应力重分布，产生局部变形， 但这些变形并不能引起周围孔的塌陷，这是由于周围一些位于变形带之外的孔仍处 于弹性阶段，对其起约束作用，因而变形带离散，而不贯穿整个试件截面。通过对 光测图像和c t 图像的观察和分析发现，椭圆状、非等轴、孔壁和孔面上有缺陷、并 且孔壁含有与加载方向平行的t 字形结点的孔对荷载比较敏感。这些孔既不是尺寸最 大，也不具有明显缺陷。第3 阶段：整个截面形成变形带的过程。由于应变集中而储 存的能量的转移，失稳将立即自动地传播至整个截面，直至整个截面形成几个变形 带，试件完全破坏。 由以上讨论可知，闭孔结构在荷载作用下既有孔边缘的弯曲又有孔面的伸展， 它们共同作用导致孔的破坏。而开孔结构没有孔面，显然，它的失效是由孔壁受弯而 屈服或失稳，最终导致孔的塌陷所致。 另外，泡沫金属的温度和微观孔的分布与缺陷都会对其力学性能产生比较大的 影响。 2 2 泡沫金属的静态力学性能及本构关系 2 2 1 泡沫金属的静态力学性能 ( 1 ) 压缩性能 压缩是基本的力学性能实验，使用受力状态，泡沫金属材料具有较高的抗压强 度，依据基体材料和孔隙率的不同，一般从几个兆帕到几十兆帕。泡沫金属材料轴 向压缩应变曲线基本上分为3 个阶段。第1 阶段：弹性阶段，这个阶段很短，应力一 般可达n 2 5 m p a ，应变只有0 2 ，此阶段泡沫金属处于线弹性范围，胞壁经受弹性 变形，此阶段主要反映了孔结构的强度特性。第2 阶段：塑性平台阶段，这个阶段跨 度很大，应力几乎不变，应变可达到5 0 以上。随着应变的增大，荷载上升缓慢， 这个过程主要反映了孔结构被压垮屈服。从孔的失效过程看：首先个别孔壁被压垮； 接着其所在层面上的其余胞壁产生应力集中，导致整层胞孔被压垮。这样沿着与加 载方向垂直的面形成一条变形带，而变形带之外的孔壁仍处于弹性阶段。第3 阶段： 致密化阶段，这个阶段试样中孔全部被压垮，导致应力急剧增加，表现为荷载随应 1 2 第二章泡沫金属的静志力学性能平率构戈系 变增大迅速上升，反映了泡沫金属材料被压实后的变形过程，即重复第2 阶段的过程 直至试件整个截面均形成变形带并被压实( 见图2 1 ) 。 图2 - i 泡沫金属的压缩曲线 f k 2 1 c o m p r e s s i o nc u m o f a l u m i n o m f o a m s ( 2 ) 拉伸性能 拉伸的初始变形过程与压缩过程十分相似，但在后屈服阶段，拉伸变形机理与 压缩变形机理出现明显的差异。压缩过程中，泡沫孔的塑性或脆性坍塌是在与加载 方向垂直的变形带内进行的。拉伸时，孔壁和孔棱主要受拉应力的作用，使得这些 部位的屈曲变得不可能。拉伸变形集中在多孔会属的薄弱区域，在最终失效前，没有 变形带形成。擐终的失效机理取决于泡沫基体材料的韧性。在最终失效前，脆性陶 瓷泡沫在较高应力的孔壁和孔棱上通常有微裂纹在。如果这些缺陷的大小超过了其 临界尺寸，则裂纹会通过泡沫进行扩展，导致灾难性的失效。对于闭孔泡沫金属， 情况更复杂。在主裂纹扩展前，可观察到韧性多孔金属( 例如泡沫铝) 孔壁和孔棱 上的裂纹扩展。随着变形的增加，断裂扩展区出现并发展，变形集中在该断裂区内。 闭孔泡沫金属断裂区内会有几个孔壁发生断裂。随着变形的加剧，主裂纹沿多孔结 构里最薄弱的路径发展和传播( 见图2 - 2 ) 。只有强度最高的孔棱能够保持完整。并 保持不同泡沫孔间的连接。上述过程进行时，将伴随着应力的减少，这可以从泡沫 铝的拉伸应力一应变曲线上看出。( 见图2 - 3 ) 。 巍 泡沸金属冲1 j 动力学性能研究 黼霾 塾摇划 囤2 - 3 泡沫金属拉伸变形应力压变关系 f i g2 - 3 $ | r 1 1 s 5 一一s t r a i nr e l a t i o n o f f o a m s m e t a lu n d e rs t r e t c h ( 3 ) 泡沫金属的扭转性能 泡沫金属扭转变形时，孔棱弯曲，孔壁同时承受弯曲和剪切变形。剪切性能对 于材料性能的认知及共层板的结构应用是非常重要的( l 层扳泡沫芯在加载情况下 可能会扭转变形) 。通常用双叠剪切( d o u b l e l a p ) 测试或a s t m c 2 7 3 方法进行剪切 强度的测试。大多数泡沫的自由扭转变形都远大于其拉伸变形，如图2 - 4 就是典型的 例子。如果在扭转测试期间，试样的两端固定，则会出现附加的拉伸应力，其应变 就减少到了典型的拉伸测试水平。重要的扭转性能有剪切模量g 、剪切强度和剪切 断裂应变。在扭转测试时通过在试样上施加拉伸或压缩载荷可以获得多种应力状 态，并进行相关失效机理的研究。 4 第二章泡沫金属的静态力学性能羊l j 本构关系 c 口 皇8 ；芎 尽6 二* t 小 4 2 0 l t 一 。 。 自由扭转 。 厶转和拽。 i 厂 0 0 20 0 40 0 60 0 80 1 0 剪切应变 图2 4 泡沫铝剪切压力一应变曲线 f i 醇- 4 s h e a rs t r e s s s t r a i nc u r v eo fa l u m i n u mf o a m s ( 4 ) 泡沫金属的断裂机理 断裂性能和断裂韧性值对于承载的泡沫金属的应用有着重要的意义。由于多数 泡沫金属结构的不均匀性，在断裂测试时可以预料到有局部效应的存在【3 9 】。 在裂纹尖端附近，孔壁最薄弱的区域最容易发生变形，随着进一步加载，一些 孔壁发生断裂，微裂纹在裂纹尖端附近出现。离裂纹尖端几个孔径远处的孔壁，在 其他区域未变形时也可能会塑性变形，并出现几个孔径大小的、包含有局部变形和 微裂纹的所谓断裂发展区( f p z ) 。在较高载荷作用下，局部屈服在整个试样长度上 都有可能发生，因此泡沫金属的塑性区很难定义。随着载荷的增加，主裂纹在缺口 根部形成，或由微裂纹沿着结构的最薄弱处传播，并产生了次生裂纹和裂纹桥( c r a c k b r i d g e ) 。裂纹桥的长度和微裂纹取决于孔的结构和泡沫的基体材料。 ( 5 ) 泡沫金属的蠕变行为 泡沫金属在较低温度下承载时，变形主要表现为孔壁的弹性弯曲、屈曲和塑性 坍塌。如果材料处于较高的环境温度下，而且承载时间比较长时，蠕变对变形的贡 献就不能忽略了。a n d r e w s 报道了闭孔铝泡沫a l p o r a s 的蠕变实验结果，认为在低应 力和温度下的行为可用现有泡沫模型很好地描述。但在高应力和温度下幂律蠕变指 数从4 增加到1 5 ，激活能从1 0 0 增加到4 5 0 k j p m o l ，且幂律指数的增加可以与损伤 相联系。此外，a n d r e w s 指出，蜂窝和泡沫在低温下受载，孔壁按照弹性屈曲偏离或 塑性破坏变形。在升高温度下，蠕变对变形有贡献，于是，变形与时间相关了。 1 5 泡沫金属冲击动力学性能研究 ( 6 ) 多向拉压特性 以各向同性泡沫材料为研究对象，g i b s o n 和a s h b y 等在其四方结构模型的基础 上，研究了该类材料的多向拉伸性能，得出了如下的关系公式： 塑性破坏关系 詈一；f 1 _ 翻n 沼， 式中a d 为多孔体所受偏应力，为对应致密材料的屈服应力，a 为常数，p 母为多孔 体的表观密度，p ，为对应致密材料的密度，为外加在多孔体上的平均名义应力。 仃。：昙p ，+ 仃：+ 仃。) ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中盯1 、晚、a 3 即为多孔体在三个主方向所受的外加应力。 脆性破坏关系 嚣一埘 ，一赢p c 2 4 ， 仃母lp ，7 i 叮声( p 。) f 式中酝为对应致密材料的断裂强度( 一般略大于抗拉强度) 。 双向等应力拉伸破坏关系 在双向等应力拉伸( 双向等载拉伸) 时，有：们= 0 - 2 = 0 - ，o 3 = 0 。因此，由( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 式并结合 l 生l = ( 1 - 臼) 的关系可将( 2 1 ) 和( 2 4 ) 两式分别改写成： 一肛靠宰 1 一 尚卅声 协5 ， 一肌靠木 ，一桶卜 协6 ， 式中膨和杨均为常数，它们取决于材质种类和多孔体的制备工艺条件，且：骈a ， 1 6 第_ 二章泡沫金属的静态力学性能和本构关系 聃a 7 。 近年来，国内有些文献【4 0 4 3 1 基于g i b s o n 和a s h b y 。四方模型理论的研究成果提 出了泡沫金属材料微观结构的“八面体模型 ( 如图2