固相颗粒粉末冶金泡沫铝的性能研究.pdf

第 2 4卷第 2期 2 0 1 4年 4月 粉 末 冶 金 工 业 poW DER M ETALLURGY I NDUS T RY Vo 1 ． 2 4 NO ． 2 Ap r ．2 014 固相颗粒粉末冶金泡沫铝的性能研究 王展 光 。 杜 晟连 ’ 1 ． 井 冈山大学 ， 江 西 吉安 3 4 3 0 0 9 ； 2 ．凯里学院 ， 贵州 ， 凯里 5 5 6 0 1 1 摘 要 本 文在 加入 粒 径 为 0 ． 5 t z m S i C颗粒 制备 出复 合 泡 沫 铝 的基 础 上 ， 对 其材 料 进 行 单 向 压缩试验 ， 研究其在 受力情况下的 力学性能、 吸能能力和吸 能效率。结果表 明 S i C颗粒增强 粉 末 冶金 泡 沫铝 的压 缩应 力应 变 曲 线 与其 他 多孔 泡 沫金 属 相 似 ； S i C 颗粒 增 强粉 末 冶金 泡 沫 铝 压 缩应 力应 变曲线 ， 呈现 线弹 性 变形 、 屈 服 平 台阶段 、 致 密化 阶段 ； 其 屈服 强度 随 S i C颗 粒 的 体 积 百分含 量 增 大而增 大。 关 键 词 S i C颗粒 ； 粉 末 冶金 泡沫铝 ； 压 缩应 力应 变曲线 ； 吸 能能 力 文 献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 4 0 2 0 0 2 9 0 4 MEHANI CAL P ROPERTI ES OF GRANUL AR REI NF oRCED P ／ M AL F0AMS W ANG Zha n- g u a ng - -， DU S he n g - l i an 1 ． J i n g g a n g s h a n Un i v e r s i t y 。 J i ’ a n 3 4 3 0 0 9 ， C h i n a ；2 ． K a i l i Un i v e r s i t y ， Ka i l i 5 5 6 0 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t P／ M A1 f o a ms we r e p r e p a r e d wi t h 0 ． 5“ m S i C p a r t i c l e s a s r e i n f o r c e me n t ．Th e me c h a ni c a l p r o pe r t i e s，e n e r gy a bs or p t i o n c a p a bi l i t y a nd e f f i c i e nc y ha d b e e n i nv e s t i g a t e d ． The r e s u l t s s h ow t ha t t h e c ompr e s s i ve s t r e s s s t r a i n c u r ve o f t he f o a m s c on s i s t s o f t hr e e di s t i nc t r e gi ons ，whi c h i n c l ud e s l i ne a r e l a s t i c i t y r e g i o n，pl a s t i c c o l l a ps e r e gi on a nd de ns i f i c a t i on r e g i o n． The y i e l d s t r e n gt h o f t he f oa m i m p r ov e s wi t h t h e i nc r e a s i n g o f Si C c o nt e nt ． Ke y wo r d s S i C p a r t i c l e ；P ／ M A1 f o a ms ；c o mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n c u r v e ；e n e r g y a b s o r p t i o n c a pa b i l i t y 超轻型多孔金属 以多样化孔隙为特征， 实现 了 结构材料轻质 p ≤1 和能量 吸收 、 阻尼减震 、 降噪、 隔热、 电磁屏蔽等多功能兼容而成为 当今的研 究热 点 之一 [ 一 。 粉末冶金法是制备闭孔泡沫金属特殊构件 的主 要方法之一， 其特点是根据工程实 际需要进行设计 ， 能 够制 备 出形状 复 杂 的泡沫 金属 异型 件 以及泡 沫 芯 复合结构。 粉 末 冶金发 泡 法制 备泡 沫铝 研究 在 欧洲 已经 开 展 了多年， 在国内， 申小平、 姚广春 、 左孝青等对粉末 冶金法发泡法的工艺参数进行 了探讨[ 3 ] ， 郭志猛 、 邓陈虹 、 风仪对粉末冶金制备样品的力学 、 物理性能 和应 用前 景进 行 分 析 ] ， 刘 斌 、 沈 骏对 粉 末 冶 金 制 备泡沫铝异型件工艺及其性能进行了讨论[ i o - 1 1 ] 。 本 文通 过 加人 粒径 为 0 ． 5 m S i C颗粒 ， 采 用粉 末冶金工艺制备增强颗粒增强复合泡沫铝⋯] ， 研究 复合泡沫铝性能。 1 实 验 1 ． 1材料 制 备 为了提高 泡沫铝的强度及 能量吸收性能， 一般 都 向熔体中加入适当的合金元素制成强度更高的泡 沫铝合金 。制备中以工业纯铝 9 9 ． 6 A1 为基体材 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 1 6 基金项 目 江西省科技支撑项 目 2 0 1 0 B GA 0 1 7 0 0 ； 井冈山大学博士启动项 目 J Z B 1 1 0 1 5 作者简介 王展光 1 9 7 7 一 ， 男 汉 ， 江西九江人 ， 博士 ， 副教授 ， 主要研究方 向为超轻金 属材料 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 王展光等 固相颗粒粉末冶金泡沫铝的性能研究 31 强度 ， 但 是线 弹性 阶段 的弹性 模量影 响不 明显 。 图 3 0 5 p m 固 相 颗 粒 对 力 学 性 能 的 影 2 ． 3 ． 2屈服 阶段 当 固相颗粒粉末 冶金泡沫铝 弹性 应变不断增 大 ， 泡 沫 铝进入 塑 形 屈 服 阶 段 ， 对 于 多 孔 金 属 ， 一 般 取 塑 性平 台 阶段 的对应 的应力 为泡 沫金 属 的屈 服应 力 。固相 颗粒 泡 沫铝屈 服 强度 见 表 1 。从 表 1可 以 看 出 ， 体 积含量 2 、 P r 7 6 ． 9 ％ 固相颗 粒粉 末 冶金 泡沫铝的屈服应力 3 ． 5 MP a远低于体积含量 1 5 、 P r 7 6 ． 3 的屈服 应 力 8 ． 3 MP a ， 固相 颗 粒 含 量 可 以增 大粉 末冶 金泡 沫金 属 的力学 性 能 。 固相 颗粒 含 量不同的泡沫铝试样 的屈服应力亦随之变化 ， 体积 分数越高 ， 屈服应力越高。 表 1 固相颗粒泡沫铝屈服 强度 当固相颗粒粉末冶金泡沫铝的压缩应力超过屈 服应力 ， 粉末冶金泡沫铝孑 L 结构 的骨架所受的应力 已经基体材料的弹性应力 ， 这是孔结构的薄壁 由弹 性弯 曲变为塑性弯曲、 折叠 ， 表现为应变逐渐增大而 应力却很少增加 ， 即图 3所示 的压缩曲线的屈服阶 段 ， 由于粉末 冶 金泡 沫铝 的孔 结构 不均 匀 ， 所 以孑 L 结 构的薄壁塑性弯 曲首先在薄弱区发生 ， 最后不断扩 张 ， 直至 大部 分 薄壁屈 服 。 2 ． 3 ． 3 致密 化 阶段 随着压力 的进一步加大 ， 固相颗粒粉末冶金泡 沫铝试样孔结构变进一步压缩 ， 几乎所 有的孔洞都 被压垮 ， 孔结构的泡壁开始相互接触 ， 不 断被压 紧， 增 加 的应 力越 来 越多 地 为孔结 构 的基 体材 料铝 所 承 受， 而不再是孑 L 结构所承担， 这个时候表现为压缩应 力随应变 的增大而急剧升 高， 而且这个 阶段有相互 靠 拢 的趋势 ， 为 图 3所示 的致 密化 阶段 。 2 ． 4 固相 颗粒 对泡 沫铝 吸 能性能 的影 响 吸能特性通常用单位体积所吸收的能量 称为 吸能能力 w 和吸能效率 E 来表征 ， 其计算公式 分 别为 r wI e 1 f 。 E 一 _ _ _ 一 2 ’ e 其 中 e 为 应变 ； 为 相应 的压 缩应力 。 S i C颗 粒 复合 泡 沫 铝 体 内含 有 大 量 孑 L 洞 ， 在单 向压 缩 时 泡 沫 孔 洞发 生 较 大 变形 ， 因此 S i C颗 粒 复 合泡沫铝具有优异的压缩吸能能力 。其在单向压缩 情况 下 的 的 吸能 能力 w 和 吸 能 效 率 E 曲线 ， 如 图 4 、 图 5所 示 。 图 4 0 ． 5 la m S i O颗粒增强泡沫铝 压缩 吸能 能力曲线 图 5 0 ． 5 p m S i C对压缩 吸能效 率曲线 的影响 由图 4可以看到 ，S i C颗粒复合泡沫铝的吸能 能力 随应变 的增 加 而上 升 S i C颗粒 对 吸能能 力 的提 高作用 明显。从 图 5可以看 出，S i C颗粒 复合泡沫 铝吸能效率表现为随应变量的增加很快达 到峰值 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 32 粉末冶金工业 第 2 4卷 随后出现基本稳定 的阶段 ， 当应变增大到一定程度 后 ， 吸能效率快速 回落 。S i C颗粒对线 弹性 阶段 吸 能效率影响很小 ， 而对致密化阶段的影响较大 ，S i C 颗粒可提高致密化 阶段的吸能效率 。 3 结论 1 S i C颗粒 复合泡 沫铝 的压 缩 口一 e曲线 呈 现 明 显 的三个 阶段 。 2 固相颗粒可 以提高粉末冶金泡沫铝的屈服强 度 ， 而且固相颗粒体积分数越高 ， 屈服强度越高 。 3 固相颗粒对 吸能能力的提高作用明显 ， 而对 线弹性阶段吸能效率影响很小 ， 可提高致密化阶段 的吸能效率 。 参考 文献 [ 1 ] N a t h a n Wi c k s ， J o h n W．Hu t c h i n s o n ．O p t i ma l T r u s s P l a t e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s， 2 0 0 1 ， 3 8 3 0 5 1 6 5 - 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