（一般力学与力学基础专业论文）泡沫金属的基本力学性质及本构关系.pdf

湘潭大学工学硕士学位论文 摘要 泡沫金属具有许多传统密实金属和多孔聚合物不可比拟的优 点，它兼具了功能材料和结构材料的特点，是一种很有发展前景 的新型材料。 本文采用实验研究和理论分析相结合的方法，研究了泡沫金 属的拉伸力学性能及其本构关系。主要包括如下内容： 简要地介绍了泡沫金属的发展、制备方法，特性及应用。 介绍了泡沫金属的结构形态，给出几个评价泡沫金属结构的 参数，并分析了胞体结构参数( 主要是相对密度) 对泡沫材料力 学性能的影响。此外，简单介绍了泡沫金属的基本力学性质。 对一种用电沉积法制成的开孔泡沫镍进行了一系列的准静态 拉伸力学性能的测试。在实验研究的基础上，分析了相对密度、 应变率和温度对泡沫镍拉伸力学性能的影响。实验表明，密度对 泡沫镍的力学性能有很大的影响，其弹性模量、屈服强度、抗拉 强度随密度的增大而增大；在本实验的应变率范围( 准静态加载) 内，应变率对泡沫镍的力学性能影响不大；温度的变化会显著影 响泡沫镍的力学性能，弹性模量、屈服强度和抗拉强度随温度的 升高而降低。还提出了泡沫镍的力学性能( 模量与强度) 随相对 密度、应变率和温度变化的表达式，并用本实验结果进行验证， 理论与实验结果吻合较好。 介绍了一种建立泡沫金属宏观唯象层次上的本构模型的方 法。给出了一个包含应变率和温度的泡沫镍的拉伸本构关系。 关键词泡沫金属，力学性能，应变率效应，温度效应，本构关 系 湘潭大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a lf o a mh a sm a n y a d v a n t a g e sw h i c h a r es u p e r i o rt ot h o s eo f t r a d i t i o n a lm e t a la n dp o l y m e rf o a m i th a st h e p r o p e r t i e s o fb o t h f u n c t i o n a lm a t e r i a la n ds t r u c t u r a lm a t e r i a l a n di t i sa n e w s t y l e m a t e r i a lw i t hg r e a t p o t e n t i a l b yc o m b i n i n ge x p e r i m e n t a ls t u d yw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e t e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fm e t a lf o a m a r es t u d i e d t h em a j o rc o n t e n t sa r ef o l l o w e db yt h e s e ： t h ed e v e l o p m e n t ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s ，c h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i c a t i o n o f m e t a lf o a ma r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fm e t a lf o a ma r ei n t r o d u c e d s e v e r a lp a r a m e t e r st h a ta r eu s e dt oe v a l u a t et h es t r u c t u r eo fm e t a l f o a ma r e g i v e n ，a n d e f f e c to ft h e s ep a r a m e t e r s ( r e l a t i v e d e n s i t y m a i n l y ) o n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ff o a mm a t e r i a la r ea l s o a n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h e e s s e n t i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l f o a ma r ei n t r o d u c e d b r i e f l y as e r i e so fq u a s i - s t a t i cs t a t et e n s i l et e s t so no p e n - - c e l ln i c k e l f o a mw h i c hi sm a n u f a c t u r e di n e l e c t r o d e p o s i t i o np r o c e s s a r e c o n d u c t e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，e f f e c t s o fr e l a t i v e d e n s i t y , s t r a i n r a t ea n d t e m p e r a t u r e o nt h et e n s i l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f n i c k e lf o a ma r ea n a l y z e d i ts h o w st h a td e n s i t yg r e a t l y a f f e c t st h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fn i c k e l f o a m ，a n d i t se l a s t i c m o d u l u s ，y i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g d e n s i t y ；u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h i se x p e r i m e n t ( q u a s i - s t a t i cs t a t e ) ， s t r a i nr a t ed o e sn o ts h o wn o t a b l ee f f e c to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i c k e lf o a ms h o w s t r o n g l yt e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e ，a n d i t se l a s t i c m o d u l u s ，y i e l ds t r e n g t h a n dt e n s i l e s t r e n g t h d e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e e x p r e s s i o n s o f 塑翌查兰三兰婴主兰堡笙苎 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( m o d u l u sa n ds t r e n g t h ) o fn i c k e lf o a m ，v a r y i n g w i t hr e l a t i v e d e n s i t y , t e m p e r a t u r e a n ds t r a i nr a t e a r e g i v e n t h e t e n d e n c yo ft h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l tc o i n c i d e w e l l am e t h o do fe s t a b l i s h i n gt h em a c r o s c o p i cp h e n o m e n o l o g i c a l c o n s t i t u t i v em o d e lo fm e t a l f o a mi si n t r o d u c e d a n dat e n s i l e c o n s t i t u t i v er e l a t i o no fn i c k e lf o a m c o n t a i n i n g s t r a i nr a t ea n d t e m p e r a t u r ei sr a i s e d k e y w o r d ：m e t a lf o a m ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t r a i n r a t e e f f e c t ， t e m p e r a t u r ee f f e c t ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n 湘潭大学工学硕士学位论文 第一章引言 1 1 泡沫金属的发展 在材料科学研究中，永不改变的话题是探索新材料。随着工 业和科技的发展以及社会的进步，人们早就不满足于大自然提供 的材料了，提出了各种各样的方法冶炼出许多合金材料、复合成 各类高分子聚台物、烧结成各种陶瓷和金属问化合物 在探索新材料的征途中，我们可以比较一下人类制造的材料 和大自然直接提供的材料在结构上的差异，可能会对我们今后研 究新材料有所启发。人造结构材料往往追求高致密固体，如：钢、 水泥、玻璃等，而自然界往往选用胞状材料或称多孔材料和泡沫 材料，如树木、骨骼、珊瑚等。一般，人们总认为致密材料强度 大，而胞状材料强度小，不宜营造大型建筑或承受重负荷，但是 后来人们发现自然界却往往选用胞状结构作为大型生物或植物的 构体，如：大恐龙有2 5 架飞机那么大；红木树可高达1 0 0 米，重 达2 5 0 0 吨，人们由此猜测胞状材料可能同时具备最佳刚度、强度 和重量，因此模仿这种结构，制造出各种多孔固体材料，多孔金 属材料就是其中一种新型材料。 多孔金属材料是“粉末冶金烧结体的孔隙度高于4 5 ，并有 多量连通孔的材料”1 1 j 其孔隙度从4 5 9 0 ，大于9 0 ；f b 隙 度的多孔金属体称为泡沫金属。而从大量国内外的有关文献来看， 称为泡沫金属的多孔体孔隙度未必大于9 0 ，如熟知的泡沫铝， 其孔隙度往往低于8 0 。文献1 2 j 贝u 把泡沫金属当作孔隙度范围在 4 0 9 8 之间的多孔金属。而文献【3 j 贝0 认为，该材料由于最初采 用发泡法制备，曾称之为发泡金属，以后发展了渗流等制备方法， 称之为通气性金属，目前更为适合的名称应为多孔泡沫金属，通 常简称多孔金属或泡沫金属。多数作者都将多孔金属和泡沫金属 视为等同的概念，并不为孔隙度范围所区别。因此，凡是以获得 孔隙为基本要求( 之一) 的方法所制得的具有一定孔隙度的金属 湘潭大学工学硕圭堂位论文三 材料，即可称之为多孔金属材料，而将孔隙度高于8 0 的多孔金 属称为高孔隙度金属材料，简称高孔隙率金属。 自从美国的s o s n m 【4 j 于1 9 4 8 年第一次提出利用汞在铝中气化 制取泡沫铝的设想，e l l i o t t 5 随后进行了大量试验，并于1 9 5 2 年 成功地制取了泡沫铝以来，世界各国竞相投入到多孔泡沫金属的 研究与开发中，国外已有四、五十年的研究历史，其中日本和美 国在这方面的研究处于世界领先地位。我国起步较晚，仅从2 0 世 纪8 0 年代后期东南大学、贵州科学院、同济大学、四川大学、哈 尔滨工业大学、太原重型机械学院、洛阳工学院等院校才开始这 方面的研究。目前国内外对此方面的研究归纳起来主要包括两大 方面的研究：一是有关多孔泡沫金属的制备工艺的研究；二是有 关多孔泡沫金属的性能的研究。从泡沫金属的出现到2 0 世纪 7 0 8 0 年代，研究主要集中在泡沫金属的制备方面，在6 0 7 0 年 代制备泡沫金属的方法体系就大体地固定下来。另外对改善泡沫 金属性能方面进行了研究，各国都投入了大量人力物力，研究的 内容包括发泡金属的合金化、热处理、纤维增强或其它一些增强 方法。最近几年在理论方面也开始对泡沫金属进行系统的研究， 但关于泡沫金属性能方面的研究相对关于其制备工艺方面的研究 要少得多，主要进行了以下几个方面的研究：力学性能、阻尼性 能、吸声性能、电磁屏蔽性能、热物理性能、冲击性能和透过性 能等。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 泡沫金属的制备方法 到目前为止，国内外对多孔泡沫金属的制备工艺方面的研究 较多，归纳起来主要有以下几种【2 “。9 】：铸造法、粉末冶金法、金 属沉积法、纤维烧结法。各种工艺方法的原理如下： 1 铸造法 该方法是由熔融金属或合金冷却凝固后形成的多孔泡沫金 湘! ! 兰堂三学硕圭燮皇三 属，随不同的铸造方法可覆盖很宽的孔隙范围和具备各种形状的 孔隙与其他各种工艺方法相比，该方法具有生产工艺简单、成 本较低等优点，便于工业推广应用在铸造法中又可分为四种方 法：直接发泡法、加中空球料法、渗流铸造法和熔模铸造法。 2 粉末冶金法 该方法是将金属粉末与发泡粉末按比例配制并混匀，在适当 的压力下将其压成具有气密结构的预制品然后将压好的预制品 进一步地加工，如轧制、模锻或挤压，使之成为半成品，再将此 半成品放入所需零件形状的钢模内，加热到接近或高于混合物熔 点的温度，使发泡剂分解释放气体，使预制品膨胀，从而形成多 孔泡沫金属用此法制备的多孔金属，孔径大都小于0 3 m m ，孔 隙率一般不高于3 0 ，但也可通过特殊的工艺方法制成孔隙率大 于3 0 的产品此方法虽然工艺较为复杂，但产品质量高，性能 稳定，便于商业化生产，从而得到迅速发展。 3 金属沉积法 该方法是由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后，去除 有机体并烧结而成，由此方法所获得的泡沫金属的主要特点是孔 连通，孔隙率高( 均在8 0 以上) ，具有三维网络结构。这类泡沫 金属材料是一种性能优异的功能结构材料，但其强度性能受到一 定的限制。目前在国内外均大批量生产，其典型产品是泡沫镍和 泡沫铜。 4 纤维烧结法 该方法使用金属纤维代替粉末颗粒来制造多孔金属，由此方 法制备的多孔金属其渗透性要比粉末法制备的高几十倍。此外还 具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。可用于许多过 滤环境苛刻的行业，被称为第二代多孑l 金属过滤材料。 5 其它方法 5 1 自蔓延高温合成( s h s ) 该法又称燃烧合成法，是近2 0 年来发展迅速的材料制备新技 术，可用来制备金属问化合物和复合材料等产品。它的原理是利 湘潭大学工学硕士学位论文 一4 用化学反应自身的生成热来维持材料的合成。由于s h s 过程中产 生高的反应速度，以及高的温度梯度，造成生成物的晶体点阵具 有高密度的缺陷，易生成多孔的骨架结构，使生成物具有很大的 表面积。该法弥补了多孔体的其它制造方法( 如粉末冶金法和渗 流铸造法) 生产周期长、能耗大、工艺复杂等缺点，可降低制造 成本。 5 2 固一气低共熔凝固法( g a s a r ) 该法是近年来发展的一项制备多孔金属的新工艺，按其原理 也可归于铸造法。将充入氢气的液体金属通过低共熔点冷却，由 于冻结时气态氢析出，在低共熔点同时发生金属凝固和气孔成核。 g a s a r 法最使人们感兴趣的方面是它可将紧密层与多孔材料交 叠的部件制成单一铸件。 多孔金属的生产方法很多，但总的看来这些技术方法均朝着 高孔率、结构均匀、力学性能优良的方向发展，从而扩展其应用 范围。 1 3 泡沫金属的特性及其应用 1 3 1 泡沫金属的特性 泡沫金属由金属骨架及气孔所组成，具有金属材料的可焊性 等基本的金属属性。相对于致密金属材料，泡沫金属的显著特征 是其内部具有大量的孔隙，而大量的内部孔隙又使泡沫金属具有 诸多优异的特性【1 0 - 1 2 】。 1 渗透性能 渗透性是高孔隙率材料在过滤、液一液分离、噪声抑制等用 途中的关键性能。泡沫金属中闭孔的数目对渗透性的影响较大， 只有那些具有通孔结构的泡沫材料才有渗透性能，另外，渗透性 还与孔径大小、孔的表面光洁度、渗透物体的性质( 如黏度、流 速) 、渗透压力等因素有关。 2 消声减震性能 具有通孔结构的泡沫金属材料，当有声波或机械振动波进入 塑翌奎堂三兰堡主堂焦笙茎三 时，可以通过泡沫材料内轻微的振动将之转化为热能而散发掉。 孔隙率越高，孔直径越小，消声减震性越好。泡沫金属材料的消 声能力虽不及玻璃棉、石棉等，但后者存在长期使用易老化、吸 湿后消声能力下降等缺点，而泡沫金属材料具有不燃烧、重量轻、 强度较高等优点，是一种优良的消声减震材料。 3 电学性能 泡沫金属材料由于有孔隙的存在，因此具有很高的阻尼特性， 如果在孔中填充入高分子聚合物，其阻尼特性更高。阻尼特性随 比表面积的增大( 小孔径，高孔隙率) 而增大。海绵泡沫金属材 料由于具有粗细均匀的三维骨架结构，没有烧结多孔金属材料的 那种缩颈现象，因此它的导电率要比同样孔隙率的烧结多孔金属 材料大。 4 热传导性能 泡沫金属材料的导热系数介于金属材料与隔热材料之间，并 随孑l 隙率的增加而减小，闭孔结构的绝热性能优于通孔结构。具 有通孔结构的泡沫金属置于流动的空气或液体之中时，由于其大 的表面积、复杂的三维流动，使之具有很好的散热能力，在自然 对流的条件下，在一定范围内增大孔径、孔隙率均有利于提高对 流换热能力。 5 耐热抗氧化性 烧结多孔金属材料由于是以粉末为原料烧结而成的，容易在 颗粒之间产生腐蚀、氧化，而海绵态泡沫金属材料具有光滑的骨 架表面、均匀的材质，所以它具有与无孔金属大致一样的耐热抗 氧化性能。 1 3 2 泡沫金属的应用 多孔材料由于其特殊的多孔结构而具有许多不同于密实材料 的优良性能，而多孔有机高分子材料强度低且不耐高温，多孔陶 瓷则质脆且不抗热震，因此，多孔金属材料被广泛应用于航空航 天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保、建 筑等行业的分离、过滤、布气、催化、电化学过程、消音、吸震、 湘潭大学工学硕士学位论文 6 屏蔽、热交换等工艺过程中，制作过滤器、催化剂及催化剂载体、 多孔电极、能量吸收器、消音器、减震缓冲器、电磁屏蔽器件、 电磁兼容器件、热换器和阻燃器，等等。另外，还可制作多种复 合材料和填充材料。多孔金属既可作为许多场合的功能材料，也 可作为一些场合的结构材料，而一般情况下它兼有功能和结构双 重作用，是一种性能优异的多用工程材料【1 3 _ 1 4 l 。 1 过滤与分离 泡沫金属具有优良的渗透性，是适合于制各多种过滤器的理 想材料。利用泡沫金属的孔道对流体介质中固体粒子的阻留和捕 集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或 分离作用。 2 能量吸收 能量吸收是泡沫金属材料的重要用途，其中缓冲器和吸震器 是典型的能量吸收装置。其应用从汽车的防冲挡直至宇宙飞船的 起落架，以及升降机、传送器安全垫和高速磨床防护罩吸能内衬。 消音材料是泡沫金属在能量吸收方面的又一重大应用。泡沫 金属具有与可得最好的声控材料聚合物泡沫媲美的声性能， 并能在高温下加以保持。吸声材料需要同时具有优良的吸声效应、 透声损失、透气性、耐火性和结构强度。玻璃毛织品等纤维材料 变形性差，且吸声效率在雨水条件下易于变坏，而陶瓷等烧结材 料则冲击强度低。因此，泡沫金属被广泛用于建筑和自动办公设 备、无线电录音室等，既作外表装饰，又作吸声材料。 在超声检测方面，因泡沫金属的超声阻抗处于适合的范围， 可用作接收器。 3 电极材料 泡沫金属的另一类用途是作电极材料。各种蓄电池、燃料电 池、空气电池中都用泡沫镍作电极，并要求孔隙率尽可能高。 4 流体分布与控制 泡沫金属作为一种流体分布装置也得到广泛应用。如用泡沫 不锈钢控制火箭鼻锥体偏航指示仪外壳的冷却气体或液体；多孔 湘潭大学工学硕士学位论文 7 粉末冶金材料则大量使用于磁带处理设备中的漂浮塑性膜的气浮 锟筒中。另外一些布气元件用于液体中分布入气体，如用泡沫钛 管给啤酒充气，泡沫不锈钢或泡沫钛在医用氧合器中使氧气均匀 充入血液中等等。 在石油化工、冶金等工业中，广泛采用流态化床技术。已广 泛采用的流体分布板有青铜、镍、蒙乃尔合金、不锈钢等粉末烧 结多孔板。 泡沫金属材料还用于流体控制。如用于气体或液体的计量器、 自动化系统中的信号控制延时器等。 5 热交换 泡沫金属具有很大的比表面积，是热交换和加热的有效材料， 通孔体适作热交换器、加热器和散热器，其中循环空气加热器和 电阻水加热器都表现了很高的效率和优良的使用性能。闭孔泡沫 金属可作绝热材料，其强度及耐温性优于相应传统材料。 泡沫钢可应用的温度区问很宽，如可制作汽车发动机的排气 歧管。此外，泡沫金属耐火且具有与阻火能力协调的高渗透性， 可作为防止火焰沿管道蔓延的优质材料，故可制成灭火器。 6 反应材料 在化学工业中，可利用泡沫金属比表面积大并具有支撑强度 等特点，制作高效催化剂或催化剂载体。本身即可作某些反应催 化剂的泡沫金属如泡沫拉内铜、泡沫镍等，作催化剂载体的如泡 沫c r n i 不锈钢等。 7 结构材料 泡沫金属具有一定的强度、延展性和可加工性，可作轻质结 构材料，尤其是温度超过2 0 0 。c 的场合。泡沫铝很早就用于飞机 加合件的芯材。将多孔金属与致密基体连结在一起，可提高其作 为结构材料的使用性。在飞机和导弹工业中，多孔网状金属被用 作轻质、传热的支撑结构。 在建筑上，需要泡沫金属制作轻、硬、耐火的元件、栏杆或 这些东西的支撑体。现代化电梯高频高速的加速和减速，特别需 湘潭大学工学碗士学位论文8 要轻质结构来降低能耗。而安全规则常常排除传统的轻质结构技 术，故泡沫铝以其同时具备吸能和刚硬的特性，在这些应用中充 满前景。 泡沫金属可作许多有机和无机材料的增强材料。还可作镶板、 壳体和管体的轻质芯，制成多种层压复合材料。 8 电磁屏蔽 泡沫金属的电磁波吸收性能可用于电磁屏蔽、电磁兼容器件。 现代电子工业的高速发展和电子电器的普遍使用，使电磁波 辐射日益严重，不仅干扰其它电子仪器设备，而且造成信息泄露， 因此屏蔽措施十分重要。泡沫金属在这方面的应用主要是开孔泡 沫铜和泡沫镍，这种孔隙之间相互连通的三维网状结构透气散热 性好，比重轻，比金属网的屏蔽性能高得多，可达到波导窗的屏 蔽效果，但体积比波导窗小、轻便，更适合于移动的仪器设备使 用。 9 生物材料 钛等多孔材料对人体无害且有较好的相容性而被大量用于医 疗卫生行业，如泡沫钛髓关节用于矫形术，泡沫钛种植牙根用于 牙缺损的修复，钨铬镍合金复合体用于多孔复合心瓣体等。 除作隔热材料等少数用途在追求高孔率的同时还需要闭孔隙 外，对多孔材料的绝大多数应用均是在保证基本的强度使用要求 的基础上追求高孔率、高比表面积和高通孔率，以使产品的使用 性能达到最佳状态。这不但促成了三维网状结构的泡沫金属材料 之大规模生产，同时也使三维网状的高孔率金属的应用几乎遍及 所有多孔金属的应用领域并有所拓宽。因此，为提高和促进泡沫 金属的已有优势，目前对高孔率金属的制备工艺改进和性能研究 显得很有意义。 1 4 本论文的研究目的和主要内容 本文对一种用电沉积法制成的开孔泡沫镍进行了一系列的准 静态拉伸力学性能的测试。在实验研究的基础上，研究了泡沫镍 湘潭大学工学硕士学位论文 9 的拉伸力学性能及本构关系。 第二章介绍了泡沫金属的结构形态及其对力学性能( 强度和 模量) 的影响，以及泡沫金属的基本力学性质，包括其压缩行为 和拉伸行为。 第三章介绍了泡沫镍在准静态范围内的单轴拉伸实验，包括 不同密度、不同应变率和不同温度下的单轴拉伸，并分析了实验 结果，提出了泡沫镍的力学性能( 模量与强度) 随相对密度、应 变率和温度变化的表达式，这些表达式与实验结果吻合较好。 第四章介绍了一种建立泡沫金属宏观唯象层次上的本构模型 的方法。给出了一个包含应变率和温度效应的泡沫镍的拉伸本构 关系。 在第五章，对全文的工作进行了总结，并对下一步的工作进 行了展望。 湘潭大学工学硕士学位论文 第二章泡沫金属的力学性能 材料的结构性，指材料不仅能够自支撑，而且能够承受一定 的外加载荷。因此，力学性能是结构材料研究和使用的基本参数。 泡沫材料因具有较高的比强度和比模量，因此是较为理想的轻质 结构材料。随着人造泡沫材料特别是泡沫塑料在众多领域和各种 轻质结构中的广泛应用和迅速发展，使得力学行为成为泡沫材料 研究的重要内容之一。泡沫金属材料作为一种新型工程材料，由 于它的应用刚刚起步，与泡沫塑料相比，人们对它的力学行为的 认识还非常有限。当前人们已经取得的主要进展可见g i b s o n 和 a s h b y 1 5 - 1 6 】的专著。他们所做的一系列开创性的工作，首先探讨了 一般的泡沫材料( 包括泡沫金属) 在单向和多向静态载荷作用下 的力学行为，并着重对相关的力学性能参数进行了理论模型和实 验方面的研究，提出了静态载荷下泡沫材料破坏的几种模式和机 制。对于动态力学性能的研究则主要集中在泡沫塑料上。本章从 以下几个方面阐述泡沫金属的主要力学性能。 2 1 泡沫金属的结构形态 泡沫金属由金属骨架和气孔组成，其气孔结构分为闭孔和开 孔两种形式。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，内部同时存在闭式气孔 和开式气孔。 对泡沫金属胞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2 1 为几种常见的泡沫铝的微观结构。 湘潭大学工学硕士学位论文 ( e ) 图2 1 几种常见的泡沫铝的微观结构 ( a ) a l c a n ( b ) a l p o r a s ( c ) a l u l i g h t ( d ) f r a u n h o f e r ( e ) e r g 泡沫金属本体的支架结构( 见图2 2 1 1 驯) 可分为：( 1 ) 孔壁一 一气孔和气孔交界的地方；( 2 ) 筋孔壁和孔壁交界的地方； ( 3 ) 节筋和筋交界的地方。对于开孔结构来说，气孔和气孔 问是没有完整的孔壁隔离的，而闭孔结构则正相反。当孔壁与筋 相比显得非常薄时，孔壁对材料整体的力学性能的影响就非常小， 这样在分析材料力学性能时，闭孔结构就可以作为准开孔结构来 湘潭大学工学硕士学位论文 处理，即把孔壁的作用忽略掉或折算到筋上。 四面体形节 - _ 唾 图2 2 泡沫金属的支架结构( 胞元由十二个五边形构成) 目前研究泡沫材料性能的主要方法是从其微观结构出发，提 出各种胞体结构的代表单元模型来模拟泡沫材料的力学性能【1 引。 g e n t 和t h o m a s 2 0 j ( 1 9 5 9 年) 首先提出描述开孔泡沫材料的弹性 杆支柱网络模型及简单立方体支柱模型( 图2 3a 、b ) 。j o n e s 和 f e s m a n 2 1 谴过一系列观察得到了五边十二面体结构( 图2 3c ) ： s i i l i t h 【2 2 j 贝0 证明，满足局部几何条件的相同胞体每一多面体都具有 1 3 3 9 4 个面，每个面需要有5 1 0 4 3 个边，因此，五边十二面体是 这一条件的很好近似。按照k e l v i n 的证明【2 3 1 ，满足相容条件的唯 一构形是图2 3 ( d ) 所示的最小面积的四一六边十四面体 ( t e t r a k a i d e c a h e d r o n ) 。g i b s o n 和a s h b y 2 4 j 提出用反映弯曲变形机 制的立方体结构模型( 见图2 4 ) 来模拟开孔和闭孔泡沫材料的力 学行为，较为系统地研究了泡沫材料的弹性性质。 湘潭大学工学硕士学位论文 一 ” 图2 3 ( a ) 支柱网络模型 ( c ) 五边十二面体模型 ( a ) ( b ) 简单立方体支柱模型 ( d ) 四一六边十四面体模型 ( b ) 图2 4 g i b s o n 和a s h b y 模型 ( a ) 开孔泡沫材料( b ) 闭孔泡沫材料 湘潭大型堡士学位论文 一1 4 此外，比胞体形状更为重要的是固相材料在孔壁、筋和节的 分布。通常假设孔壁比筋要薄，且厚度均匀；筋沿长度具有均匀 截面；节则比筋厚。有些学者i 2 5 弓3 贝0 考虑了缺陷( 如孔筋的弯曲 和缺省、孔壁的弯曲、褶皱、缺省和质量分布不均，以及裂纹等) 和胞元宏观无序排列对泡沫金属材料性能的影响。 目前评价泡沫金属材料的结构一般采用如下几个参数： ( 1 ) 孔径 ( 2 ) 密度p + ( 3 ) 相对密度pp 定义为泡沫金属材料密度p 等口本体金属 材料密度p ；之比，即 d 一p ( 2 1 ) 以 ( 4 ) 孔隙率0 孔隙率与相对密度之间存在以下关系： 0 ：1 一生：1 一p p ， ( 2 2 ) ( 5 ) 体积分数在闭孔的泡沫金属材料中，固相基体分别分 布在胞体的筋和壁中。体积分数定义为分布在孔筋上的固相材料1 所占的体积分数。 2 2 胞体结构参数对泡沫材料性能的影响 这是以往文献中研究最多的，最早是g e n t 和t h o m a s 2 0 通过 整个孔壁的响应为均匀形变这一假设，提出了泡沫材料刚度和压 缩强度的模型，奠定了这一领域的研究基础。此后m a t o n i s 3 4 】、 m e n g e s p 川、l e d e r m a n 拍j 、g i b s o n 和a s h b y 等大批学者也相继用不 同的模型研究了这个问题，得到了许多泡沫材料的模量和强度的 表达式，其中最具影响力的是g i b s o n 和a s h b y 的工作。 泡沫材料的力学性能主要由基体材料的性质、泡沫材料的相 对密度和胞体结构的几何性质决定。由于泡沫材料胞体的几何形 状过于复杂，无法像蜂窝材料那样精确分析，通常采用量纲分析 塑翌查堂三堂堡主兰堡笙兰 笪 的方法，也就是选取某种几何形状的胞体模型，分析其性质与相 对密度、基体材料的关系。这种关系只是按照量级估计的，表达 式中保留有待定常数，通常需要通过实验测定。实践证明，这种 量纲分析的结果只依赖于假定的变形模式，对选取的胞体模型不 敏感。 对于开孔各向同性泡沫材料，g i b s o n 和a s h b y 采用立方体结 构模型( 见图2 4 a ) ，将材料视为棱柱截面为t x t ，棱边长为z 的 立方体胞体的集合体。相邻的胞体交错排列，各胞体的连接点在 边的中点处。他们认为在准静态荷载作用下，弹性变形模式主要 是棱杆的弯曲，根据初等梁理论，有： 等甜 弦3 ， 若有一外力p 作用于梁的中点，将产生挠度6 6 。盟( 2 4 ) e 。 其中e 为梁材料的弹性模量，为梁的二次矩，且 ，。c t 4( 2 5 ) 又因为 尸o co 2( 2 6 ) o 为应力，而应变e 与挠度6 存在： 。“拿( 2 7 ) 所以 e ；里：了c o e s l ( 2 8 ) s，4 7 岛为常量。将式( 2 3 ) ( 2 5 ) 代入( 2 - 8 ) ，得 e = c ，e 。( 鲁) = c - e ，p 2 c 2 - 9 ， 湘潭大学工学硕士学位论文 1 6 即泡沫材料的杨氏模量e + 与相对密度p 的平方成正比。 同理，还可得到泡沫材料的剪切模量g 及体积模量k + 和相对 密度p 的关系。他们认为泊松比与相对密度无关。 当梁内的应力超过泡沫材料的屈服强度时，梁将产生塑性变 形直到断裂，于是其失效主要由某种塑性坍塌机构所控制。当作 用在梁上的力矩超过完全塑性矩时，将产生塑性铰，从而导致断 裂，此时力矩为 m ，= i l d p f 3 ( 2 1 0 ) 吼，为构成梁材料的屈服强度，假设外力p 垂直于梁，则最大弯矩 与只成正比，而作用在泡沫上的应力与p f 2 成正比，所以 口：，。c y _ p ( 2 1 1 ) 一 ，。 盯：，为泡沫材料的屈服极限。将式( 2 3 ) ( 2 1 0 ) 代入( 2 1 1 ) 得 ，、i 33 堕。c ，f 生r ；c 2 p 一2 ( 2 1 2 ) 盯”。i p t 即泡沫材料的屈服极限与其相对密度的3 2 次方成正比。 c i 和c 2 的取值与材料的内在结构有关。在微观尺度上，影响 这些值的因素主要有孔洞特征( 如开孔或闭孔) 、孔的几何特征( 如 孔的形状、孔径尺寸、筋与筋或孔壁与孔壁之间的夹角等) 以及 孔筋和孔壁的几何特征( 如曲率、横截面形状及其不均匀性等) 。 在宏观尺度上，孔洞的几何排列( 周期性或无序排列) 也是一个 重要的影响因素。这些取值对于预测和优化泡沫材料的弹性性能 非常重要，因此，这也是许多学者重点关注的问题。大量的实验 表明c 1 ：1 ，c 。= 0 3 适用于多种泡沫材料( 包括泡沫金属材料) 。 此外，在一些文献里还提到，泡沫材料的许多力学性能，都 遵循一个幂法则 爿( p ) 。a o p “ ( 2 1 3 ) 式中a 是泡沫材料的性能，4 。是反映基体材料性能的因子，挖是 湘潭人学工学硕士学位论文 指数。 2 _ 3 泡沫金属的基本力学性质 2 3 1 泡沫金属的压缩力学性质 1 静态压缩行为 图2 5 是泡沫金属材料的静态压缩应力一应变曲线。从图可 以看出：其应力一应变曲线表现出明显的“三阶段”特征，即由 线弹性变形段、屈服平台段和压实段组成。当应变很小t i , j ，应力 应变曲线呈线性弹性；然后出现个平台，这时随着应变的增大 而应力几乎保持不变；最后随着孔洞被挤压在一起，材料被压实， 应力又迅速增大。变形过程的示意图如图2 6 。泡沫金属受压时， 变形机制主要为棱杆的弯曲( 开孔泡沫) 和孔壁薄膜的弯曲和拉 伸( 闭孔泡沫) 。然而，由于存在较弱的孔洞，应变将集中在局部 地区，这些孔洞首先被压坏，然后相邻的孔洞再被压坏，如此依 次传递，形成了的“变形带”。当“变形带”的不断形成传递到整 个材料时，材料被压坏。因此，材料的变形特征是逐层破坏的。 图2 5 泡沫金属村料的静态压缩应力一廊变曲线 湘潭大学工学硕士学位论文 初始态 弹性形变 部分破碎 继续形变部分破碎继续破碎完全崩塌 图2 , 6 泡沫金属的变形示意图 对于没有明显屈服行为的材料，一般以应变为2 时发生的应 力值作为它的屈服强度。大量的实验表明，泡沫金属受压时其弹 性变形段很短，一般在应变为2 时已经由弹性变形段进入到屈服 平台段。因此，泡沫金属的压缩屈服应力等于平台区应力，均可 由式( 2 - 1 2 ) 表示。 2 动态压缩行为 作为一种减振缓冲材料，泡沫金属在很多实际应用场合中承 受的都是动态载荷的作用，因此研究其在动态压缩载荷作用下的 力学行为有很重要的意义。 自上世纪五十年代以来，围绕泡沫材料的冲击压缩特性，各 国学者分别从不同的角度对此进行了广泛的研究，并取得了大量 的研究成果。这些研究工作大致可归纳为两方面内容：一是通过 一定的实验手段，对泡沫材料的冲击压缩曲线进行实验测试；二 是在一定假设的基础上，提出泡沫材料的冲击压缩模型并建立相 应的本构方程。但上述研究主要集中在聚合物泡沫材料上，泡沫 金属的动态性能的研究并不多见。 动态问题比静态问题的分析要复杂得多，因为动载下须考虑 动态效应，如应变率效应、惯性效应和波的传播等。 目前研究材料的动态问题，主要是用分离式h o p k i n s o n 压杆 ( s h p b ) 实验。k l i n t w o r t h 和s t r o n g e 7 】的研究表明，在高应变率 湘潭大学工学硕士学位论文竺 下，材料的屈服强度有所增大。这种现象可以由泡沫材料的压缩 变形机制来解释。在准静态条件下，泡沫材料的压缩变形是逐层 进行的，先是一层气孔的孔壁发生弯曲变形( 弹性段) 至塌陷， 而后随着气孔的一层层塌陷( 屈服平台段) 来承受载荷，最后所 有的气孔全部被压实，达到致密化( 压实段) ，这是一个十分不均 匀和局部不稳定的变形过程。在动态条件下，有两个因素使材料 得到强化，应力增加：( 1 ) 当冲击速度增加时，冲击表面的气孔 被更为紧密地压实，造成了屈服应力的增加。( 2 ) 压缩时的高度 局域化特征使压缩变形带的应变速率增大，而且由于微惯性，也 随之造成了变形的对称模式( 弯曲) 和非对称模式( 塌陷) 的增 强。第一个原因即是被称为由高速冲击带来的应变强化，第二个 则是微惯性起突出作用的所谓应力强化。 3 应变率效应 到目前为止，对泡沫金属的应变率敏感性并未有深入透彻的 研究。d e s h p a n d e l 3 7 1 、d a n n e m a n n 【3 8 1 、p a u l 3 9 1 等人对泡沫铝进行了 准静态和少量高应变率的压缩实验。但他们的结果并不一致。 d e s h p a n d e 认为泡沫铝无论闭孔或开孔都对应变率不敏感。 他指出，泡沫材料的结构有两种基本形式，分别为第一类型和第 二类型，它们在准静态加载条件下，有不同的应力应变关系。泡 沫材料是否具有应变率效应，主要取决于其微观惯性效应的影响， 一般说来，第二类泡沫材料具有应变率效应。但第一类泡沫材料， 由于内在结构因制各工艺产生的缺陷，导致孔壁弯曲，从而降低 了微观惯性效应，使材料不具有应变率敏感性。d e s h ) a n d e 认为 泡沫铝材料在准静态加载下有应力平台产生，应属第一类泡沫材 料，不具有应变率效应。 d a n n e m a n n 、p a u l 等人认为泡沫铝中闭孔材料属于应变率敏 感材料，而开孔材料属于应变率不敏感材料。d a n n e m a n n 认为开 孔泡沫铝之所以不具有应变率效应，是因为其基体材料的应变率 敏感性较弱。而闭孔材料是由于胞体坍塌时，内部气体的流动， 而导致其具有应变率效应。他还分析了自己的研究结果与 湘潭大学工学硕士学位论文 垫 d e s h p a n d e 的不同是因为两种闭孔泡沫铝的制备方法不同，前者 是渗流铸造法，具有应变率效应；后者是粉末冶金法，不具有应 变率效应。 多孔材料的应变率敏感性的差异可归结予以下原因： ( 1 ) 基体材料的屈服强度随应变率的增加而增加。金属的塑 变和破坏，如位错的运动、滑移面由不利位向向有利位向的转动、 晶界滑移和扩散蠕变等，都需要时间，变形速度的增加，意味着 位错运动速度等的加快，必然需要更大的切应力，导致材料强度 上升，满足下列关系： ，、 d 。? 1 1 一竺l 堑i ( 2 - 1 4 ) 。 。l ，二 j 盯? 为基体在o k 时的屈服强度，a 、晶为取决于材料本身的常数。 l 为熔点，从上式可见，只有当应变率存在数量级变化时，固体 材料强度才有明显差别。 ( 2 ) 从前面的变形机理可知，泡沫材料变形的特征是逐层破 坏的，变形可认为局限于厚为孔径的小范围内，这使得局部区域 内的实际变形速率远大于表观变形速率，根据k l i n t w o r t h 和 s t r o n g e 0 7 j 提出的微惯性硬化机理，当材料的应变速率很大时，惯 量( 性) 将起作用，即孔壁的惯性( 如向与外力垂直方向转动) 增大了材料的破坏应力。 ( 3 ) 孔洞中存在气体，在压缩时，孔洞中的气体被迫流出， 气体分子与孔隙管壁碰撞引起的流动阻力以及层流中各层流体分 子之问的碰撞阻力，引起能量损失，材料变形越快，消耗的能量 越多，从而引起一个强度附加的增量。流体的流动一般可用d a r c y 公式描述，即流体的流速与压力梯度成正比，与流体的黏度成反 比，其比例常数是反映多孔材料孔洞特征的参数，称为透过系数。 而多孔材料的孔隙率对材料的透过性能的影响十分明显，透过性 随孔隙率增大而迅速增加，两者满足公式 k 。c 。日“( 2 1 5 ) 塑翌叁堂! ：堡兰堂竺堡兰 型 即透过系数与孔隙率矽的胛次方成正比。在高速变形条件下，气 体对多孔材料应力贡献为 旷卷 协1 6 ) 其巾c 为常量。从此式可见，相对密度越大( 孔隙率越小) ，气体 流动越困难，引起的应力增量越大。 从以上分析可知，当材料的相对密度越小( 孔隙率越大) 时， 由于孔洞的连通性好，气体流动所消耗的附加能量可忽略不计， 因此主要由于材料本身特性和惯性作用，而导致其平台应力随应 变率的增大而线性增加。当材料的相对密度较大( 孔隙率小) 时， 由于孔洞的连通性不好，气体流动的阻力增大，尤其是当应变率 较高时，消耗附加能量，使泡沫材料的平台应力随应变率的增大 呈双直线形状。 4 能量吸收 由于泡沫金属在压缩载荷下表现出一个近似恒应力的塑性应 变过程，因此能在保持较低的应力水平下吸收大量的压缩能量， 从而成为一种极具应用潜力的冲击缓冲材料。 在压缩过程中，泡沫金属的应力一应变曲线与应变轴之问所 包含的面积就是其吸收的能量c c = f 毗 ( 2 - 1 7 ) 因此屈服应力仃：和平台区的宽度( s ，一0 ) ( 定义压实段开始 时的应变为g d ) 是决定吸能缓冲性能好坏的两个主要因素。 是个与泡沫金属相对密度p 有关的量。从实际意义上来 说，应选在曲线切线斜率等于实体金属的杨氏模量时的起始点所 对应的应变，但由于曲线的斜率在平台段和压实段的交接处有明 显的突变，所以确定起来很困难。 对于泡沫塑料，人们通过经验公式