泡沫铝的单向压缩行为及其吸能性曹晓卿a ,杨桂通b(太原理工大学 a 1材料科学与工程学院b 1应用力学研究所,太原 030024)摘 要:在SUNS 电子万能材料试验机上对国产工业用泡沫铝材料进行准静态单向压缩试验,分析试件尺寸、材料相对密度及泡孔尺寸对材料静态压缩性能及吸能性能的影响。

结果表明,在准静态条件下,泡沫铝泡孔孔径越大,弹性模量与塑性模量越小、屈服强度越大,但当相对密度超过32%后,塑性压垮强度却因泡孔孔径增大而降低,弹性模量在相对密度约为30%时出现拐点。

孔径大吸能效率高。

试件高度减小,压缩应力-应变曲线中的塑性平台长度缩短,且当试件高度小于10mm 时,塑性压垮强度明显提高。

理想吸能效率最大值随试件高度增加而提高。

泡沫铝微结构中的微缺陷引起材料压缩性能的降低。

关键词:金属材料;泡沫铝;单向压缩;准静态;应力-应变;吸能效率中图分类号:TG146121;T G113125;TB383 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2006)04-0009-06收稿日期:2005-05-13基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90205018);太原理工大学青年科技研究项目(2004)作者简介:曹晓卿(1966-),女,山西孝义市人,副教授,博士生,主要从事材料性能及塑性成形等方面的研究。

多孔金属材料既具有一般多孔材料所具有的轻质等特性,又具有优良的机械性能和热、电等物理性能,并且比聚合物泡沫更易于再生,扩大了多孔材料的应用范围。

近年来,新工艺的发展使得泡沫金属的质量大有好转,而且新材料的应用条件也改变了很多,人们对泡沫金属尤其是泡沫铝合金的发展开始感兴趣[1-9]。

作为结构材料,泡沫金属的机械性能主要取决于其密度和基体金属的性能,如密度高的或基体强度高的泡沫金属压缩强度就高。

作为功能材料,泡沫金属具有吸声、过滤、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等各种物理性能。

因此,国际上不少研究机构把泡沫金属作为21世纪新材料研究的重点,同时,孔洞材料力学在国际力学界已成为具有明确定义的力学研究领域。

目前,较多的研究是针对其单一功能,特别是国内因泡沫金属产业化程度还不高,研究的材料大多是实验室专门为研究而研制的,极少对批量生产的工业用泡沫金属进行研究。

研究中,以上海某泡沫铝材有限公司生产的泡沫铝吸声材料为研究对象,对两种孔径、多组密度的泡沫铝材料在SUNS 微机控制万能材料试验机上进行了准静态单向压缩实验。

由于实际泡沫材料的微结构并不是理论分析中采用的正立方体结构,泡壁也不是规则的棱柱,因此分析讨论试件尺寸、材料相对密度及泡孔尺寸对材料静态压缩力学与吸能性能的影响,对生产实际及全面了解泡沫金属的力学性质具有重要意义。

试验发现,泡沫的力学性能的确受试件尺寸及泡孔大小的影响,即泡沫材料的力学性能不只由材料的相对密度唯一确定。

1 实验方法试验中所用泡沫铝材料是由上海某泡沫铝材有限公司提供的采用渗流法制造的开孔泡沫铝,相对密度为24%~39%,平均孔径分别为019mm 和116mm 。

准静态压缩试验在SUNS 电子万能材料试验机上进行。

试件为圆柱体,试件尺寸有<35m m @30mm,<35mm @20m m 及<35m m @10mm 三种,初始应变率约为1@10-3s -1。

图1 试验用材料的微观结构Fig 11 M icrostructure of material used in exper iment图1所示为试验所用材料的微结构的显微观察照片。

可见所用泡沫铝材料的微结构并不是规则的正方体,且泡孔壁也并非是规则的棱柱,而是无序的固体集合体,在这些集合体中还有一些孔洞和大量的微裂纹。

因此,有必要研究泡孔微结构对泡沫金第58卷 第4期2006年11月有 色 金 属Nonferrous M etalsVol 158,No 14November 2006属力学性能的影响。

图2为试件压缩前后的宏观照片。

从图2可见,在压缩应变达一定值后材料出现了沿45b 方向扩展的裂纹,随着应变增大,裂纹进一步扩展而失稳,表明该材料并不具有所预料的好的延性,这可能与原材料的纯度及加工工艺方法有关。

图2 压缩变形前后试件的外观Fig 12 Picture of specimen pr e -and post -compr ession2 试验结果与讨论对相对密度为24%~39%、平均孔径分别为019mm 和116mm 的开孔泡沫铝在1@10-3s -1初始应变率下进行了压缩试验。

分别讨论了试件高度、相对密度及泡孔尺寸对其压缩行为(应力-应变曲线形式、弹性模量、塑性压垮强度等)及吸能性能的影响。

所有试件的应力应变曲线均表现出泡沫材料的典型曲线形式,即由线弹性阶段、应力随应变提高而缓慢提高的塑性平台段及应力随应变急剧上升的压实段组成。

211 泡沫铝的压缩力学性能21111 试件高度的影响。

按材料力学中对压缩试件的要求,试件高度与试件直径之比应在1~3之间,但在已报道的泡沫铝单向压缩试验中,试件高度及试件形状千差万别[9-16],尚无统一标准。

为此,有必要分析试件高度对泡沫材料特别是泡沫金属压缩力学性能的影响。

图3是两种孔径的泡沫铝在三种试件高度下的压缩应力-应变曲线。

可见,试件高度对两种孔径的泡沫铝的准静态压缩行为均有影响。

试件高度越小,塑性压垮强度R *p l 越高,塑性平台长度越短,亦即越早出现压实,且试件高度较大时(20mm 和30mm ),影响不很显著,如泡孔平均直径为019mm 的泡沫铝,h =20mm ,R *p l =6166MPa ,E d=38%,h =30m m ,R *p l =6135M Pa ,E d =38%(此处R *pl 取自E =10%,E d 采用切线法确定)。

然而当试件高度为10mm 时,材料的R *p l 明显偏高,这是因为试件承受压缩时,其上下两端面与试验机支承垫之间产生很大的摩擦力,这些摩擦力阻碍试件上部和下部的横向变形,试件的抗压能力提高。

当试件的高度相对增加时,摩擦力对试件中部的影响将有所减小。

静态单向压缩时,试件高度越小,端面摩擦对压缩行为的影响越大,使其应力状态由单向压缩转为复杂应力状态,从而使其工程压缩强度表现出提高的趋势。

从试验结果来看,试件高度大于20m m 既满足试件尺寸与泡孔直径之比大于6~8的要求,又对其压缩力学性能指标影响甚微,因此可以20mm作为低限。

图3 试件高度对泡沫铝压缩行为的影响F ig 13 Effect of specimen heig ht on foam compressive behavior21112 相对密度的影响。

关于相对密度对泡沫铝力学性能的影响研究得较多。

普遍认为相对密度越高,泡沫的弹性模量越大,塑性压垮强度越高,试验也得到类似的结果。

图4为相对密度对两种孔径泡沫铝压缩性能的影响。

可见,泡沫的相对密度越高,塑性屈服压垮强度R *p l 越大,而塑性压缩平台长度越短,这与已有的研究结果一致[10-12]。

然而线性阶段的弹性模量却不是随相对密度的提高而提高,而是在30%左右时弹性模量出现极大值,见表1。

类似情形也曾在文献[10]中有过报道。

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其力学参数和相对密度10有 色 金 属 第58卷Q */Q s 的关系。

通常采用量纲分析的方法。

Gibson和Ashby 采用正立方体模型,假设弹性变形模式主要是棱杆的弯曲。

根据初等梁理论计算变形量,并注意到Q */Q s W (t/l )2,得到开孔泡沫材料的弹性模量E *的表达式(1)[1]。

E */E s U (Q */Q s )2(1)图4 相对密度对泡沫铝压缩行为的影响F ig 14 Effect of relativ e density on foam compr essive behav ior当应变较大时,泡沫材料不再保持线弹性,而是进入塑性屈服,塑性屈服极限载荷与基体材料的屈服应力有关,可表示为式(2)[1]。

R *p l /R ys U 013(Q */Q s )3/2(2)表1中列出了由Gibson 和Ashby 的理论公式(1)计算出的弹性模量,由此可见,由理论公式计算得出的弹性模量比实验测得的大得多,平均在10倍左右。

原因之一,理论公式是基于聚合物泡沫推出的,聚合物泡沫相对密度都较低,试验所用泡沫铝的相对密度均在20%以上;原因之二,试验所用材料的微结构与理论分析的开孔微结构有明显差别。

可以看出,两种泡孔尺寸下,当相对密度接近40%时,压缩应力-应变曲线都类似于普通塑性金属材料,这可能是因为批量制作时参数控制不严,使得当相对密度达到一定值时,材料中的泡孔仅可作为材料的内部缺陷来处理,当应变较大时,由于材料本身微表1 不同孔径的泡沫铝在不同相对密度下的弹性模量T able 1 Elastic mo dulus of foams with differentcell size and relative density孔径/mm相对密度/%弹性模量/M Pa 计算值实验值019264732510306300104235857574139106479171162647324453063008653271687053910647816结构中原有微缺陷的存在和扩展,导致材料最终失稳。

总体看,研究中所用材料在准静态下的压缩应力-应变曲线表现出了泡沫材料典型的三阶段特征,即线弹性阶段、塑性平台与压实阶段,但出现了一些压实不明显的试件,这可能是因为泡沫铝制造过程中残留下来的物质使泡沫铝变脆所致,且泡沫铝微结构中的微缺陷也引起材料压缩性能的降低。

21113 泡孔尺寸的影响。

由式(1)和式(2)可知,泡沫的相对密度是决定泡沫材料力学属性的一个重要参数。

实际上泡沫材料的微结构并不是规则的正立方体,且泡孔壁也并非是规则的棱柱,而是无序的固体集合体,在这些集合体中还有一些孔洞和大量的微裂纹,这些微结构的缺陷必然会对材料的力学性能产生影响[10]。

所以泡孔的几何性质也是影响泡沫力学性能的重要因素之一。

图5所示为相对密度相同情况下孔径对泡沫铝压缩行为的影响。

从图5可见,当泡孔尺寸从019mm 增大到116mm ,塑性屈服压垮强度增大,这一点完全可通过讨论两端铰支的压杆稳定问题做出解释。

长度为l 的压杆失稳的临界压力为P cr =P 2EI /l 2。

屈服强度的不同是由惯性矩的差异引起的。

已经证明,孔径越大,惯性矩I 也越大,P cr 也就越大,从而R pl 就越大,但是在相对密度较低和较高的两头却出现相反的情况,即弹性模量随泡孔孔径从019m m 增大到116mm 而减小,因此泡沫铝的弹性模量不仅与其相对密度有关,还与其泡孔的大小有关,这些与潘艺等的结果不同[11-12]。