多孔金属介质的力学性能及其参数依赖性研究.pdf

多孔金属介质的力学性能及其参数依赖性研究５５多孑Ｌ金属介质的力学性能及其参数依赖性研究ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｒｏｕｓＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＴｈｅｉｒＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎＧｅｏｍｅｔｒｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓ张晓伟，王彦莉，陈利，张庆明（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京１０００８１）———ＺＨＡＮＧＸｉａｏｗｅｉ，ＷＡＮＧＹａｎｌｉ，ＣＨＥＮＬｉ，ＺＨＡＮＧＱｉｎｇｍｉｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｘｐｌｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用万能材料试验机（ＭＴＳ）和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对几种典型多孔泡沫铜的准静态力学特性及其微观特征进行研究。结果表明，材料的压缩过程为典型的三阶段形式：弹性段、平台段和密实段；其力学性能不但依赖相对密度，而且受平均孔径的影响。材料力学性能的孔径依赖性主要是由其结构的各向异性所致。关键词：多孔金属；相对密度；平台应力；能量吸收—ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１４．０２．０１１中图分类号：ＴＢ３４文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１４）０２００５５０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＴＳ）ａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ），ｔｈｅ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｐｏｒｏｕｓｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉ—ｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｓｔａｇｅｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ，ｐｌａｔｅａｕｓｔａｇｅａｎｄｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔａｇｅ．Ｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｅｐｅｎｄ—ｏｎｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｐｏｒｅｓｉｚｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｔｈｅｐｏｒｅｓｉｚｅｉｓｍａｉｎｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌ；ｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙ；ｐｌａｔｅａｕｓｔｒｅｓｓ；ｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ多孔材料具有超轻的相对密度、优良的抗冲击和爆炸性能，被广泛应用于航空与防护结构中。如泡沫铝、泡沫铜、金属空心球材料、微型金属丝／网结构以及纳米多孔材料等。这些材料的工程应用推动了人们对金属多孔材料力学行为的研究兴趣［１］。泡沫材料的力学性能主要依赖于基体力学性能、相对密度及表征材料内部几何结构的参数等。许多研究者从这些方面人手，以理论、实验或数值模拟的方法—研究了泡沫金属材料的力学性能。如Ｇｉｂｓｏｎ和Ａｓｈｂｙｌ２利用立方体交错模型对不同种类泡沫材料的压缩变形机制进行简单解释，给出了宏观力学性能的半经验公式。ＶａｎｄｅｒＢｕｒｇ等［３］，Ｚｈｕ等］用Ｖｏｒｏｎｏｉ模型模拟泡沫材料的微结构，研究了材料的弹性模量和压缩性能。Ｗａｒｒｅｎ和Ｋｒａｙｎｉｋ［５利用支柱型四面体微结构模型建立了开孔泡沫材料的弹性非线性本构关系，但它只适用于泡沫材料因支柱屈曲而导致屈服变形前的单轴变形行为。Ｎｉｅｈ等［６研究了泡孔尺寸对材料屈服强度和弹性模量的影响，并认为这种影响可以忽略。Ｏｎｃｋ等［７］利用数值模拟对泡沫材料进行分析，认为开孑Ｌ尺寸对泡沫材料力学性能是有影响的。国内学者也在这方面作了众多研究，如卢子兴等［８］、赵隆茂等］、胡时胜等［１。］通过理论和实验研究了泡沫材料相对密度对材料整体力学性能的影响，刘培生等ｌ＿１１＿总结了近年来用于多孔材料的分析模型，曹晓卿等口从理论和计算两方面探讨了微结构对多孔材料力学性能的影响。纵观整个研究领域，对开孔泡沫金属力学行为的研究，理论方面主要通过对典型胞元结构进行分析，采用简化模型和有限元模拟方法来得到泡沫材料的力学行为；而在实验方面，采用准静态或动态冲击实验。绝大多数的研究表明，相对密度对材料的力学行为起主导作用。但是，在孔隙尺寸对其力学性能影响方面的研究报道相对较少。本工作以国内市场上典型的多孔泡沫铜产品为对象，通过静压实验对多孔金属介质的力学行为进行研究，得到了材料力学性能与相对密度、孔隙尺寸等材料参数之间的相依关系。在此基础上，多孔金属介质的力学性能及其参数依赖性研究５９则材料的宏观相对密度：（专）・（＋）㈦另一方面，材料在厚度方向的弹性模量和平台应力分别有如下规律：一ｃｚ・（毒）・（每）ｃ４一Ｃ。・（１／㈤Ⅶ＼ｚ以上各式中Ｃ，Ｃ，Ｃ。为比例常数。根据式（３），在相对密度相同的条件下ｚ／ｚ越小，则ｔ／ｌ越大。因此，由式（４），（５）可知，其厚度方向的无量纲弹性模量以及平台应力也会变大。该分析结果显示，该材料ｐｐｉ不同所造成的力学性能差异主要来自于其面内和面外方向的结构各向异性。３结论（１）多孔泡沫铜材料的平台应力和弹性模量均随相对密度的增大呈幂函数变化规律，材料的密实应变随相对密度的增大而降低。另外，在相对密度相同的条件下，该材料的平均孔径对弹性模量和平台应力也有非常明显的影响。（２）通过对材料微观特性的分析发现，其原因主要体现在材料孔棱的长度在材料面内和面外两个方向上的分布差异有关。随平均孔径的增大材料面内和厚度方向的孔径比越大，从而造成材料平台应力和弹性模量的明显增大。因此，该多孔金属材料力学性能对其平均孔径的依赖性是由材料微结构的各向异性造成的。该研究成果为该材料的力学设计和工程应用提供了相关参考。［１］［２］［３］Ｅ４］参考文献卢天健，何德坪，陈常青，等．超轻多孔金属材料的多功能特性及—应用［Ｊ］．力学进展，２００６，３６（４）：５１７５３５．———ＬＵＴｉａｎ－ｊｉａｎ，ＨＥＤｅｐｉｎｇ，ＣＨＥＮＣｈａｎｇｑｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ—ＥＪ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，３６（４）：５１７５３５．—ＧＩＢＳＯＮＬＪ，ＡＳＨＢＹＭＦ．Ｃｅｌｌｕｌａｒｓｏｌｉｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｍ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９９７．—ＶＡＮＤＥＲＢＵＲＯＭＭＤ．ＳＨＵＬＭＥＩＳＴＥＲＶ。ＶＡＮＤＥＲＧＥＩＳＳＥＮＥ，ｅｔａ１．Ｏｎｔｈｅｌｉｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｅｇｕｌａｒａｎｄｒａｎ—ｄｏｍｏｐｅｎ－ｃｅｌｌｆｏａｍｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．ＪＣｅｌｌＰｌａｓｔ，１９９７，３３（１）：３１５４．ＺＨＵＨＸ，ＷＩＮＤＬＥＡＨ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｅｌｌｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｎｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｏｐｅｎ－ｃｅｌｌｆｏａｍｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００２，—５０（５）：１０４１１０５２．Ｅｓ］ＷＡＲＲＥＮＷＥ，ＫＲＡＹＮＩＫＡＭ．Ｔｈｅｌｉｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏｐｅｎｃｅｌｌｆｏａｍｓ［Ｊ］．ＪＡｐｐｌＭｅｃｈ，１９８８，５５（２）：３４１３４６．—［６］ＮＩＥＨＴＧ，ＨＩＧＡＳＨＩＫ，ＷＡＤＳＷＯＲＴＨＪ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏｐｅｎ－ｃｅｌｌａｌｕｍｉｎｕｍｆｏａｍｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，２８３（１２）：—１０５１ｌ０．—［７］ＯＮＣＫＰＲ，ＡＮＤＲＥＷＳＥＷ，ＧＩＢＳＯＮＬＪ．Ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｓｉｎｄｕｃｔｉｌｅｃｅｌｌｕｌａｒｓｏｌｉｄｓ．ＰａｒｔＩ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ—ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００１，４３（３）：６８１６６９．［８］卢子兴，王建月．开孔Ｖｏｒｏｎｏｉ泡沫支柱形状变化对力学性能的—影响ｒ－ｊ］．航空动力学报，２００９，２４（９）：２００８２０１１．——ＬＵＺｉｘｉｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｙｕｅ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｅｌｌｓｔｒｕｔｓｈａｐｅｏｎｔｈｅ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＶｏｒｏｎｏｉｏｐｅｎｃｅｌｌｆｏａｍｓＩ－ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ—ＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒ，２００９，２４（９）：２００８２０１ｌ＿Ｅ９］赵隆茂，宋延泽，李志强．基于Ｖｏｒｏｎｏｉ随即模型研究多孔材料的—动态特性［Ｊ］．机械强度，２００９，３１（６）：９３２９３８．————ＺＨＡＯＬｏｎｇｍａｏ。ＳＯＮＧＹａｎｚｅ，ＬＩＺｈｉｑｉａｎｇ．ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｒｕｓｈｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｅｌｌｕｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＶｏｒｏｎｏｉｒａｎｄｏｍｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ，２００９，３１（６）：——９３２９３８．［１ｏ］潘艺，胡时胜，凤仪，等．泡孔尺寸对开孔泡沫铝合金力学性能的—影响［Ｊ］．工程力学，２００３，２０（４）：１７１１７５．——ＰＡＮＹｉ，ＨＵＳｈｉｓｈｅｎｇ，ＦＥＮＧＹｉ，ｅｔａ１．Ｃｅｌｌｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔｏｎ——ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏｐｅｎｃｅｌｌａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆｏａｍ［Ｊ］．Ｅｎ—ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００３，２０（４）：１７１１７５．［１１］刘培生，夏风金，罗军．多孔材料模型分析［Ｊ］．材料工程，２００９，（７）：８３８７．——ＬＩＵＰｅｉｓｈｅｎｇ，ＸＩＡＦｅｎｇ－ｊｉｎ，ＬＵＯＪｕｎ．Ａｎａｌｙｓｅｓｏｆｔｈｅｅｌａｓｓｉ—ｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，（７）：８３８７．［１２１曹晓卿，王志华，马宏伟，等．微观结构对多孔材料细观力学特性—的影响［Ｊ］．太原理工大学学报，２００６，３７（１）：１４．———ＣＡＯＸｉａｏｑｉｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉｈｕａ，ＭＡＨｏｎｇｗｅｉ，ｅｔａ１．Ｔｈｅ—ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆ—ｃｅｌｌｕｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｒ＇Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏ—ｇＹ，２００６，３７（１）：１４．Ｅ１３］许庆彦，熊守美．多孔金属的制备工艺方法综述［Ｊ］．铸造，—２００５，５４（９）：８４０８４３．——ＸＵＱｉｎｇｙａｎ，ＸＩＯＮＧＳｈｏｕｍｅｉ．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆ—ｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．Ｆｏｕｎｄｒｙ，２００５，５４（９）：８４０８４３．基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１０２０２５）；爆炸科技与技术国家重点实验室自主基金项目（ＱＮＫＴ１卜０３）———收稿日期：２０１２０９１３；修订日期：２０１３－０５２０作者简介：张晓伟（１９８２一），男，博士，讲师，主要从事冲击动力学、吸能材料与结构、结构非线性等问题的研究，联系地址：北京市海淀区北京理工大学机电学院（１０００８１），Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｚｈａｎｇｘｗ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ａｎ