孔隙結(jié)構(gòu)與變形條件對藕狀多孔金屬變形行為和吸能特性的影響

1、孔隙結(jié)構(gòu)與變形條件對藕狀多孔金屬變形行為和吸能特性的影響藕狀多孔金屬是一種力學(xué)性能優(yōu)良的新型多孔金屬材料 , 是近年來多孔材料 研究的熱點(diǎn)。 藕狀金屬的變形行為和吸能性能的研究可為其在航空航天、 高速交 通等高技術(shù)領(lǐng)域輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸能部件方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文以變形能力差異較大的兩種典型藕狀多孔金屬 （銅和鎂）為對象, 采用GLEEBL實(shí)驗(yàn)和直撞式霍普金森壓桿方法,在10-32500S-1應(yīng)變速率范圍內(nèi),對 藕狀多孔金屬進(jìn)行了壓縮變形測試 , 系統(tǒng)研究了孔隙結(jié)構(gòu)和變形條件對藕狀金屬 變形行為、力學(xué)性能和吸能特性的影響 , 構(gòu)建了藕狀多孔金屬的本構(gòu)關(guān)系 , 取得的 主要研究結(jié)果如下。采用自行研制

2、的定向凝固裝置 , 研究了凝固速度、澆注溫度、 鑄型溫度等主要制備參數(shù)對藕狀鎂和銅孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律 , 獲得了可制備出具 有較高孔隙率（40%-65%）、較小平均孔徑（0.15-0.55mm）和較好均勻性孔隙結(jié)構(gòu) 的藕狀多孔鎂和銅的條件：采用水冷銅模直接冷卻以獲得較大的凝固速度 , 鑄型 溫度分別約為500r和900r,澆注溫度分別約為760r和ii8oc。采用變形量控制和高速攝像等方法 , 研究了藕狀多孔金屬的壓縮變形行為 , 給出了孔隙結(jié)構(gòu)的變化過程和圖景 , 探明了變形條件對多孔金屬變形行為的影響。 結(jié)果表明：藕狀多孔金屬表現(xiàn)出與致密金屬迥異的壓縮變形行為 , 即在壓縮過程 中應(yīng)力在較

3、大應(yīng)變范圍內(nèi)緩慢增加或基本不變 ,壓縮變形過程主要包括以孔壁發(fā) 生彈性和鐓粗變形為主的線彈性階段、 以孔壁發(fā)生塑性彎曲變形為主的低應(yīng)力平 臺階段和以孔隙進(jìn)一步閉合并發(fā)生整體流變?yōu)橹鞯拿軐?shí)化階段。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)平行于氣孔壓縮時 ,藕狀多孔金屬在平臺階段的變形行為與材 料特性和應(yīng)變速率有關(guān)。對塑性變形能力良好的純銅 , 在低、中應(yīng)變速率時以孔 壁發(fā)生的S形彎曲變形為主，在高應(yīng)變速率時則以C形彎曲變形為主；對塑性變 形能力較差的純鎂 ,在低、中應(yīng)變速率時主要以孔壁發(fā)生局部剪切斷裂進(jìn)而向孔 隙內(nèi)塌陷的方式變形 , 在高應(yīng)變速率時主要以孔壁發(fā)生傾轉(zhuǎn)進(jìn)而折斷的方式變形。當(dāng)垂直于氣孔壓縮時 , 藕狀多孔金屬在

4、平臺階段的的塑性變形行為主要與應(yīng) 變速率有關(guān)。在低、中應(yīng)變速率時 , 以孔壁向氣孔內(nèi)發(fā)生彎月形彎曲和塌陷并逐 漸填充孔隙部位的變形方式為主 , 而在高應(yīng)變速率時以氣孔直接壓扁閉合的變形 方式為主。分別采用力學(xué)分析的方法 , 建立了藕狀金屬壓縮變形平臺階段的本構(gòu)關(guān)系模 型, 具有較高的精度。研究了孔隙結(jié)構(gòu)與變形條件對藕狀多孔金屬壓縮力學(xué)性能 的影響,結(jié)果表明,孔隙率、平均孔徑和孔隙均勻性等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中孔隙率對壓 縮力學(xué)性能的影響最顯著。藕狀多孔金屬的力學(xué)性能具有顯著的各向異性 , 壓縮方向與氣孔方向夾角越 小, 平臺應(yīng)力越大：應(yīng)變速率較低時對力學(xué)性能的影響不明顯 , 但對藕狀多孔銅當(dāng) 應(yīng)變速率

5、增大到某一臨界值時表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變速率硬化效應(yīng)；變形溫度升高 , 壓縮應(yīng)力下降 , 平臺區(qū)的寬度增加。 采用線性擬合的方法 , 獲得了孔隙率和變形條 件對藕狀多孔金屬應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響的數(shù)學(xué)模型 , 建立了藕狀多孔金屬壓縮變形 包含孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和變形條件的本構(gòu)關(guān)系 , 具有較高的精度。研究了典型藕狀多孔金屬的吸能特性以及孔隙結(jié)構(gòu)和變形條件的影響 , 結(jié)果 表明, 藕狀多孔金屬具有較高的單位體積與單位質(zhì)量吸能能力以及可在較大的應(yīng) 變范圍保持基本不變的較高穩(wěn)定吸能效率；吸能性能具有明顯的各向異性 , 平行 于氣孔方向壓縮與垂直時相比 , 吸能能力較高 , 穩(wěn)定吸能段明顯較寬 , 但穩(wěn)定吸能 效率值稍低；吸能能力隨孔隙率的增大而減小 , 而吸能效率受孔隙率和應(yīng)變速率 的影響不明顯。藕狀多孔銅的吸能