基体对泡沫铝压缩行为与吸能性的影响.pdf

第5 5 卷第3 期 20 03 邙8 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E l A L S V o l5 5 ．N o3 A u g u s t 200 3 基体对泡沫铝压缩行为与吸能性的影响 程和法1 ，黄笑梅1 ，许铃2 1 ．合肥工业大学，台肥2 3 0 0 0 9 ；2 ．安徽工程科技大学，安徽芜湖2 4 10 0 0 摘要研究以工业纯铝、高强度铝镁合金及高含锌量脆性铝锌合金为基体的泡沫铝压缩行为。结果表明，基体性能对泡沫 铝的压缩行为和吸能性有显著影响。不同基体性质泡沫铝的压缩过程均出现三个明显的变形区域，但变形行为不同。“高塑性 工业纯铅为基休的泡辣铝表现出典型塑性泡沫特征和较低坍塌屈服强度，高强度脆性基体的铝锌泡抹呈现典型的脆性泡沫特征 和较高弹性模量盈屈服强度，相同应变量的哑能量和暇能效率均明显高于另外两种泡沫铝。 关键词材料科学基础；泡津铝合金；压缩行为；暇能性；基体性能 中围分类号T G l 4 6 ．2 l ；T B 3 8 3 ；T G l l 3 ．2 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 3 0 3 0 0 1 0 0 4 泡沫铝是刚度和强度较高的轻质结构材料，其 力学行为在近十年来受到广泛的关注。相关研究表 明泡沫铝具有独特的压缩吸能性，在压缩载荷下表 现出一个近似恒应力下的较长的坍塌过程，因而具 有在相对较低的流动应力下吸收大量压缩能量的特 征[ 1 。】，这种变形特征和力学性能在缓冲吸能方面 具广泛的应用前景。 泡沫铝的力学性能涉及孔洞结构参数、相对密 度以及基体力学性质。当相对密度一定时，基体材 料本身的力学性能对泡沫金属的压缩吸能性具有重 要的作用。A s h b y 和G i b s o n 指出泡沫材料的力学 性能，如弹性模量、屈服应力等均与基体材料的相应 性能成正比【“，并且基体金属的力学性质直接决定 泡沫金属的压缩变形行为和模式，即脆性泡沫和延 性泡沫口．6 ] 。因此，在相同的结构及参数下，基体性 质的变化对泡沫铝的压缩行为和吸能效果的影响是 非常显著的，基于此，可以在控制泡沫铝结构参数的 同时，通过改变基体金属的性能控制泡沫铝的力学 行为，从而获得不同的吸能效果以满足各种使用需 求。为此，采用低强度但高塑性的工业纯铝、高强度 较低塑性的铝镁合金以及具有硬脆性的高含锌量的 铝锌台金分别制备结构参数相同的铝合金泡沫，研 究其压缩力学行为和吸能性，为在不同的使用要求 下正确设计和选择泡沫铝性能提供依据。 基金项目安徽省自然科学基金资助项目 0 3 0 4 4 6 0 2 , 收稿日期2 0 0 2 1 0 1 5 作者简介程和法 1 9 6 2 ，男，安徽安庆市人，副教授，博士 1 实验方法 试验中采用工业纯铝、A l 一1 0 ％M g 和舢一2 8 ％Z n 合金制备具有不同性能的泡沫铝，其中A l 一】0 ％M g 合金和m ．2 8 ％z n 合金在实验室中配制，础一2 8 ％Z n 合金含Z n 2 8 ％，高于通常Z L 4 0 1 锌合金 Z n l 3 ％ ， 因而组织中沿晶界析出大量的富Z n 脆性相，这种 合金具有较高的强度和硬度，但塑性低。泡沫铝采 用渗流法制备，工艺原理如图1 所示。将一定粒径 的可溶性盐粒装填在模具中压实，并随模具一起放 人炉内加热，同时在电阻式坩埚炉内配制所需的台 金，待合金熔化完毕，出炉浇入模具中，通过在铝液 表面施加一定的压力使其渗透到粒子之间的缝隙之 中；当铝液凝固后便可得到铝台金与粒子的复合体， 用水将复合体中的盐粒溶去，即可制得具有三维连 通泡孔的泡沫合金。用工业纯铝、A 1 ．1 0 ％M g 合金 及A l ，2 8 ％z n 合金制成具有相同通孔结构的泡沫材 子 囤1 渗流法制备泡沫铝示意 F i g ．1 S c h e m eo fi n f i l t r a t i n gp r o c e s s f o rA If o a mp r e p a r a t i o n 万方数据 第3 期程和法等基体对泡沫铝压缩行为与吸能性的影响 料，泡孔直径l ～2 m m ，密度分别为i ．0 5 ～1 ．0 8 ， 0 ．8 8 ～0 ．9 0 和1 ．2 3 ～i ．2 4 9 c m 。尽管这些泡沫 铝的密度有一定的差别，但相对密度却大致相等，约 为0 ．3 9 ～0 ．4 0 。用于压缩试验的圆柱形试样尺寸 为蛇5m n l 2 0m n l ，采用线切割方法从不同泡沫铝 合金块上切取。 准静态压缩试验在M T S 8 1 0 型材料试验机上 进行，通过控制压头的位移速度来控制试样的应变 速率，每个试样的应变速率均为1 0 _ 3 ／S ，每条压缩 曲线采用三个试样曲线的平均值。 2 试验结果及讨论 2 ．I 不同基体泡沫铝的压缩应力一应变曲线 不同基体的相对密度和结构相同的三种泡沫铝 的压缩应力一应变曲线如图2 所示，三曲线均包含三 个明显的区域线弹性区、塑性坍塌或脆性溃塌平台 区及压缩紧实区。然而，曲线形状有较大差异。其 中，纯铝泡沫具有最低的屈服强度 F ，’ 和流动应 力，其压缩应力一应变曲线表现出与文献[ 1 ] 所报道 的典型塑性泡沫变形的类似特征从线弹性段逐渐 平滑地向塑性平台段过渡，在平台段随应变缓慢上 升，经过较长的塑性变形后，因结构中的孔洞闭合应 力开始急剧上升而到达紧实段 E P 。由于固溶强化 作用，A l 。1 0 ％M g 合金强度远高于工业纯铝，泡沫 舢一1 0 ％M g 合金坍塌屈服强度 d ； 和流动应力均 比泡沫纯铝高，其压缩应力．应变曲线位于泡沫纯铝 曲线的上方，两曲线走向上虽相差不大，但在一些局 部位置上有较大的差异。从图2 可见，泡沫A 1 ．1 0 ％ M g 合金的压缩应力．应变益线在弹性段比泡沫纯铝 曲线陡峭，说明其弹性模量大于泡沫纯铝，另外在平 台段泡沫A 1 ．1 0 ％M g 合金的压缩应力．应变曲线也 比同样相对密度的泡沫纯铝曲线上升的稍快。泡沫 脚．2 8 ％Z n 合金的压缩过程表现出与泡沫纯铝及泡 沫A 1 1 0 ％M g 合金显著不同的变形行为，从压缩应 力．应变曲线的形状上可以看出，泡沫舢一2 8 ％Z n 合 金表现出典型的脆性金属泡沫的变形特征，弹性区 很小 小于0 ．0 3 ，此段曲线上升很快，表现出比另 外两种泡沫高得多的弹性模量，在经过一个很小的 弹性区后，压缩应力上升到较高的水平即坍塌应力 一；后，曲线急剧转向平台段，开始泡孔的脆性坍塌。 此时虽然宏观上变形很大而应力变化很小，表现在 应力一应变曲线上，塑性平台段的压缩曲线几乎保持 水平状态，平台段位置的高度比泡沫纯铝和泡沫A l f 1 0 ％M g 台金的塑性平台段的位置高。 图2 三种铝合金泡沫的压缩应力．应变曲线 F i g2C o m p r e s s i v es t r e s } 5 t r a i nc u r v e s o f t h 工雎A l f o a m s 表l 三种泡沫铝合金的压缩力学参数 T a M e1 C o m p r e s s i v em e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o f t h r e e A I f o a m s 三种不同基体泡沫在压缩变形过程中的一些具 体力学参数见表1 。由表l 可知，泡沫～一2 8 ％z n 合 金的弹性模量、坍塌强度均比另外两种泡沫高得多， 然而由于其压缩曲线较平坦，在开始紧实以后其对 应的应力反而比泡沫～．1 0 ％M g 合金的低，表明由 于锌原子的固溶强化作用以及大量脆性富锌相的析 出使泡沫A J 一2 8 ％Z n 的基体强度上升，从而表现出 较高的弹性模最和屈服坍塌强度，又由于其塑性差 而表现出脆性的变形行为。 2 ．2 不同基体泡沫铝的能量吸收性 当金属泡沫被压缩时，外力所做的功或者说压 缩能量就被吸收了。泡沫在压缩变形到某一应变量 e 时，单位体积中所吸收的能量等于相应的应变量e 下压缩曲线以下的面积，金属泡沫的压缩吸能性用 其压缩到密实开始阶段的应变量时所吸收的能量来 衡量，用式 1 表示HJ 。 r ‘ C l ’d ￡ d ￡ 1 J0 式中e 。一开始密实化前的最大应变；d 一随应变e 而变化的压缩应力。 通常e 。取应力一应变曲线上应力开始急剧上升 的位置所对应的应变。如图2 所示，所研究的三种泡 沫相对密度大至相同，因此其密实化开始的e 。均为 万方数据 1 2 有色金属第5 5 卷 4 0 ％左右。由于泡沫A 1 ．2 8 ％Z n 台金具有最高的屈 服强度，因此在开始密实化以前的应变量下所吸收 的能量均最高，如图3 所示。从表1 可见，在压缩致 相同的密实阶段 4 0 ％ 时，泡沫A 1 ．2 8 ％Z n 合金、 A l 。1 0 ％M g 台金及泡沫纯铝所吸收的能量分别为 1 6 ．1 ，1 4 ．0 和4 ．7 M J ／m 3 ，泡沫A 1 2 8 ％Z n 合金吸能 性最高。对于一定的吸能量，压缩至密实化时所对 应的压力峰值是评价金属泡沫吸能性的另一指标。 从图2 可以看到。在相同的密实化应变量下，泡沫 m ．2 8 ％Z n 合金的压缩应力一应变曲线上所对应点的 压力峰值比泡沫A 1 ．1 0 ％M g 合金小。超过密实化 应变量以后，在相同吸能量下，泡沫A I ．2 8 ％Z n 合金 的压力峰值最低。 应变e 脯 图3 不同基体泡沫铝的吸能量随应变 的变化关系 F i g ．3E n e r g ya b s o r p t i o nv 3s t r a i no fA I i o a m sw i t hd i f h r e n tm a t r i x e s 2 ．3 唆能效率 能量吸收效率 E 【8 1 是描述泡沫材料吸能特 性的另一重要参数，用式 2 计算。 r l d E d ￡ E o L 一 2 O p ’E 式中d 。一峰值压力；e 一对应于口的应变；唧￡一 在给定峰值压力一。和对应的应力下理想泡沫的吸 能量。 显然，泡沫铝的能量吸收效率 E 主要取决于 其压缩应力一应变曲线的形状，图4 是各泡沫的吸能 效率随应变的变化关系。在各种泡沫的应力，应变曲 线上的平台开始段以前，曲线处于快速上升阶段，曲 线以下的面积也随之迅速增加，吸能效率随应变的 增大上升很快，泡沫A I ，2 8 ％Z n 合金在此段的曲线 上升得最快，吸能效率上升也最迅速。纯铝泡沫的 吸能效率最早上升到最高点，而后随应变的增加，吸 能效率逐渐下降。泡沫A I ．加％M g 合金的应力一应 变曲线最陡峭，因而其吸能效率在达到1 5 ％～2 0 ％ 的应变量才达到最大值。从图4 可以看出在几乎在 全部应变量范围，泡沫A l 一2 8 ％Z r x 合金的吸能效率 均高于泡沫脚．1 0 ％M g 合金和泡沫纯铝，尤其是在 一个非常宽的应变范围内能保持高于8 0 ％的吸能 效率，而泡沫A 1 ．1 0 ％M g 合金和泡沫纯铝只在某个 应变量下出现最高值后叉逐渐下降。 应变e 脚 图4 不同基体泡沫铝的吸能效率 随应变的变化曲线 F i g4V a r i a t i o no fe n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c yw i t h s t r m nf o rA If o a m sw i t hd i f f e r e n tm a t r i x e s 3 结论 1 泡沫铝基体的性能对其压缩行为和力学性 能有显著的影响，以工业纯铝为基体的泡沫铝表现 出典型的塑性泡沫变形特征，具有较低的弹性模量 和坍塌屈服强度，而以高强度且脆硬的～．2 8 ％Z n 合金为基体的泡沫铝在压缩中表现出典型的脆性泡 沫特征，弹性模量和坍塌强度高于泡沫A l _ 1 0 ％M g 合金和泡沫纯铝。 2 对于相对密度相同的泡沫铝合金，吸能量随 基体强度的升高而增加，泡沫A L 2 8 ％Z n 合金比泡 沫A 1 ，1 0 ％M g 合金和泡沫纯铝具有更高的能量吸 收性能和吸能效率，并且在密实后泡沫A L 2 8 ％Z n 合金的压力峰值低于泡沫A 1 ．1 0 ％M g 合金。泡沫 砧．2 8 ％g n 合金在相当大的应变量范围内保持高于 8 0 ％的吸能效率。 下转第2 2 页，C o n t i n u e d 。np ．2 2 m爵篓群 一十山_邑E卿栏罄 万方数据 有色金属第5 5 卷 P r e c i p i t a t i o no fr P h a s ea n dR e s i d u a lS t r e s sR e l a x a t i o ni nS h o tP e e n e dI n c o n e l7 1 8 C A I D a y o n g ．N 1 E P u l i n ．S H A N J i a p i n g ．L f U W e n c h a n g ．Y A O M e l K e y la b o r a t o r y 口，M e t a s t a b b e M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a nU n l z M r s i t y ，Q i r d a u a n g d a n0 6 6 0 0 4 ，H e b o l ，C h i n a A B S T R A C T M e c h a n i c a ls u r f a c et r e a t m e n tb ys h o tp e e n i n gf o l l o w e db ya g e i n ga t7 0 0 。Ca n d7 4 0 。Ci sp e r f o r m e do nI n c o n e ／7 1 8 ．T h er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s sf i e l di n d u c e db ys h o tp e e n i n ga n di t sr e l a x a t i o nb e h a v i o rd u r i n ga g e i n g a r ed e t e r m i n e d ．T h ed e t e r m i n a t i o no ft h ep r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f ，p h a s ei nt h es h o tp e e n e dl a y e ra n dt h em a t r i xr e s p e c t i v e l yb yX R D q u a n t i t a t i v ep h a s ea n a l y s i sT h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e s i d u a ls t r e s sa tt h es u r f a c ei s c o m p r e s s i v e ，a n dt h er e s i d u a ls t r e s sv a l u ei n c r e a s e sw i t hd e p t ht ot h ep e a kv a l u ea n dt h e nd e c r e a s e s ．T h et o m p r e s s i v er e s i d u a is t r e s sa tt h es u r f h c ei sa b o u t 一5 3 0 M P a ，a n dt h em a x i m u mv a l u eo ft h ec o m p r e s s i v er e s i d u a I s t r e s si sa b o u t 一6 2 0 M P aa p p e a r e da ta b o u t0 ．1 m mf r o mt h es u r f a c eT h er e s i d u a ls t r e s si n d u c e db vs h o tp e e n i n gr e l a x e sd u r i n gf o l l o w i n ga g e i n gp r o c e s sa n dt h er e l a x a t i o np r O C e s si se o ∞s o 玎日n fw i t ht h eZ e n e r - W e r t A v r a m i f o r m u l a ．P r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f 广p h a s ei ns h o tp e e n e dl a y e ra r ed i f f e r e n tb e t w e e nt h ea g e i n gt e m p e r a t u r e so f 7 0 0 1 2 a n d7 4 0 * 2 ，e s p e c i a l l ya tt h ei n i t i a ls t a g e ．T h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s so fy ”p h a s ei sa c c e l e r a t e db yt h es h o t p e e n i n g ． K E YW O R D S m a t e r i a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ；I n m n d 7 1 8 ；s h o tp e e m i o g ；，p h a s e ；a g e i n gk i n e t i c s ；r e s i d u a ls t r e s s 上接第1 2 页C o n t i n u e df r o mP ．1 2 参考文献 [ 1 ] F u s h a n g H ，Z h e n g a n g Z ．T h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f f o a m e da l u m i n u m [ J ] ．JM a t e rS c i ．1 9 9 9 ．3 4 2 9 1 [ 2 1 如出懈E ，岛【妇W ，G i b ∞n LJ h 、印B 啦№a n d 挺n 衄eb e h a v i c f d u n l i Ⅱl Ⅱn ‘Ⅺ蛐[ J ] ．I v h t e fS d 舀1 9 ，1 9 9 9 A 2 7 0 1 1 3 【3 ] B e a d sJ T ，T h o m p s o n MS ．D e n s i t y g r a d i e n t d f e e t so na l u m i n u m f o a mc o m p r e s s i o nb e h a v i o r [ J ] ．J M a t e r S e i ，1 9 9 7 ．3 2 3 5 9 5 【4 ] 王斌，何得坪，舒光冀．泡沫A I 合金的压缩性能及能量吸收【J ] 金属学报，2 0 0 0 ，3 6 1 0 1 0 3 7 [ 5 ] G i b s o nLj ．A s h b yMF ．e e l M 8 J rs o l i d s S t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e a [ M ] ．2 e d nU K ，C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ．1 9 9 7 2 0 5 【6 ] Y a m a d sY ，S h i n d h mK ，M a l m e NM ，e td ，0 m 妒陀s 直垤d d o m x a t l e nb e h a v i 茁dA 口0 3 n ] ．M a t e rs dH 1 9 ，2 0 0 0 A 2 7 7 2 1 3 1 7 ] F u s h e nH A N ，Z h e n g m a gZ H U ，J u n e h a n gG A O ，C o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o na n de n e r g ya b s o r b i n gc h a r a c t e r i s d co ff o a m e da l u m i n u m [ J ] ．M e t a l l M a t e r T r a n s A 。1 9 9 8 ，2 9 2 4 9 7 [ 8 ] 郑明军，何得坪，陈锋多孔铝台金的压缩应力应变特征及能量吸收性能[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 1 ，儿 S 2 8 1 E f f e c to fM a t r i xP r o p e r t i e so nC o m p r e s s i v eB e h a v i o r a n dE n e r g yA b s o r p t i o no fF o a m e dA IA l l o y s C H E N G H e r 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