應變速率對閉孔泡沫鋁力學性能和能量吸收性能的影響

1、第25卷第2期2004年4月材料熱處理學報TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.25No.2April2004應變速率對閉孔泡沫鋁力學性能和能量吸收性能的影響鳳儀,朱震剛,潘藝,胡時勝(1.合肥工業(yè)大學材料學院,安徽合肥230009;2.中國科學院固體物理研究所內耗與固體缺陷開放實驗室,安徽合肥230031;3.中國科學技術大學力學和機械工程系,安徽合肥230009)-3-1-1摘要:采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)技術,研究了應變速率(1×10s2500s1233性能和能量吸收性能的影響。結果表明:,的屈服強度和吸能能力增加,。關鍵

2、詞:閉孔泡沫鋁;霍普金森壓桿(SHPB);中圖分類號:TB339;O347.3:100926264(2004)0220068204,包含大量孔洞的低密度、。它是一種功能和結構一體化的新型材料,自20世紀90年代1,2以來,引起人們的廣泛關注。其具有良好的緩沖吸能性能,一定的強度、剛度,輕質,可用作結構材料和緩沖吸能材料。與泡沫塑料相比,泡沫金屬具有很多的優(yōu)點:強度高,能實現(xiàn)高能量的吸收;熔點高,具有高溫穩(wěn)定性;耐候性好,不易老化。它的出現(xiàn)為保護材料的開發(fā)與應用提供了廣闊的前景。近幾年來,隨泡沫鋁制備工藝的逐漸成熟和在汽車、建筑等方面應用前景的日益看好,對泡沫鋁的應力2應變關系和吸能性能的研究,

3、尤其是在高應變速率下的應力2應變關系和吸能性能受到各國學者的廣泛關注,5但相關研究報道較少。鑒于泡沫鋁在緩沖吸能、防爆隔振等方面的應用,本文研究了應變速率對泡沫鋁材料力學性能和吸能性能的影響,并對其機理進行了探討。3,4均勻分布于預制件中的TiH2分解,緩慢釋放出氫氣,使預制件開始膨脹,當其膨脹成近成品零件時,將鋼模取出,讓其迅速冷卻,就可得到所需孔隙率的泡沫鋁樣品。通過調整發(fā)泡劑含量、加熱溫度、加熱時間6等工藝參數(shù),可調整泡沫鋁的孔徑和孔隙率。圖1為粉末冶金發(fā)泡法制得的閉孔泡沫鋁樣品,從圖中可見,孔洞基本呈多邊形,且孔洞大小、分布均勻。圖1泡沫鋁的顯微組織照片1實驗方法制造閉孔泡沫鋁的主要工

4、藝流程為:將原料(Al粉、TiH2粉、Si粉等)混合均勻后壓實成致密預制件,放入鋼模中加熱到鋁合金熔點溫度使部分熔化,同時收稿日期:2003209216;修訂日期:2003212222基金項目:安徽省自然科學基金資助(03044602),男,合肥工業(yè)大學材料學院教授,博作者簡介:鳳儀(1964Fig11MicrographofAlfoam泡沫鋁的準靜態(tài)力學性能測試在MTS810123材料實驗機上進行。材料的動態(tài)力學性能,由于應同時計及材料本構的應變速率效應和試驗過程中的波傳播效應,與靜態(tài)試驗相比,具有更大的難度和復雜性。實驗采用分離式霍普金森壓桿(SHPB),壓桿直徑37mm,子彈、輸入桿、輸

5、出桿的長度分別為800mm、2000mm、2000mm。子彈高速撞擊輸入桿,初始輸入脈士,博士生導師,主要研究方向為復合材料和多孔材料,發(fā)表論文60多篇,獲省部級科技進步獎5項,電話:055123423150,E2mail:fy123沖的應力幅值與撞擊速度成正比,而撞擊速度可以通過調整氣壓控制。當輸入桿中的入射脈沖到達試樣第2期鳳儀等:應變速率對閉孔泡沫鋁力學性能和能量吸收性能的影響69界面時,一部分脈沖被反射,另一部分脈沖通過試件透射進輸出桿,通過測定入射、反射和透射脈沖可計7算材料動態(tài)應力2應變曲線。速率的變化情況。由圖3可知,泡沫鋁的應變率敏感性m不是常數(shù)。在同樣的應變速率變化情況下,隨

6、著應變的增大,應變率敏感性m值增大,而在相同的應變下,m值隨著應變速率變化幅度的增大而增大。2實驗結果和討論211應變速率對泡沫鋁力學性能的影響圖2為相對密度fs(泡沫材料的密度與固體材料密度之比)為0116的泡沫鋁材料,在不同應變速-3-13-13-1率(1×10s,116×10s,215×10s)下的應力2應變曲線,每條曲線均為三次實驗的平均值。從圖2中可見,無論應變速率高低,泡沫鋁材料都顯示出了典型的變形三階段:線彈性階段,塑變崩潰階段密化階段。從表1中還可看出,圖3泡沫鋁的應變率敏感性Fig13StrainratesensitivityofAlfoam圖2

7、不同應變速率下的泡沫鋁的應力2應變曲線Fig12Compressivestress2straincurvesofAlfoamatdifferentstrainrates4不同應變速率下的固體鋁合金的應力2應變曲線Fig14Compressivestress2straincurvesofAlsolidatdifferentstrainrates表1材料的應變速率敏感性Table1StrainratesensitivityofAlsolidandAlfoamPropertiesYieldstrengthofAlfoam(MPa)YieldstrengthofAlsolid(MPa)Strainra

8、te10-3s-15144220191600s-16104226132500s-1615223419為對比起見,研究了應變速率對與泡沫鋁基體同樣成分的固體鋁合金的應力2應變曲線的影響,如圖4所示。由圖4可知,隨著應變速率的增加,固體鋁合金的屈服強度增大,但其增加的幅度遠小于泡沫-3-1鋁。從表1可知,當應變速率從1×10s增加到、2500s時,固體鋁合金的屈服強度分別增加214%和613%,而泡沫鋁的屈服強度分別增加11%和20%,這表明泡沫鋁比基體鋁合金具有更大的應變速率敏感性。圖5為固體鋁合金的應變率敏感性m隨應變、應變速率的變化情況。由圖5可知,應變1600s-1-1應變速率對

9、泡沫鋁的力學性能的影響,常用應8變速率敏感性m來表示,)m(1)S(式中S, 分別表示材料的真應力和應變速率,可推9出m的表達式為()(2)m=ln( 21)式中 1,2分別為應變速率為1,2時的應力。圖3為泡沫鋁的應變率敏感性m隨應變和應變速率變化幅度越大,應變率敏感性m越大,但固體鋁合金的應變速率敏感性m與應變的大小無關,符合10-3-1Cottrell2Stokes定律。當應變速率從10s增加到-11600s時,基體鋁合金的應變率敏感性m值約為010028,而從圖3中可知,泡沫鋁的應變速率敏感性70材料熱處理學報第25卷m約為0100401013,這說明基體鋁合金和泡沫鋁存在差異,孔洞結

10、構對泡沫鋁的應變速率敏感性有影響。表示相對密度。由此式可見,氣體對泡沫鋁屈服強度的貢獻與應變有關。從以上分析可知,由于鋁合金本身的應變速率敏感性,以及微慣性和氣體的作用,導致泡沫鋁存在較強的應變速率敏感性。212應變速率對泡沫鋁吸能性能的影響當泡沫鋁承受壓縮載荷時,應力做功。泡沫鋁的能量吸收能力可以用其在變形過程中吸收的形變功W表示。,當應變是m時,其2應變曲線下的積分13:W=圖5Fig15of()dm(5):(1)基體材料的屈服強度隨應變速率的增加而增加。金屬的塑變和破壞,如位錯的運動、滑移面由不利位向向有利位向的轉動、晶界滑移和擴散蠕變等,都需要時間,變形速度的增加,意味著位錯運動速度等

11、的加快,必然需更大的切應力,導致材料強度上升,11滿足下列關系:(3)ln)s=s(1-Tm0 s為基體在0K時的屈服強度,A、0為取決于材料本身的常數(shù)。Tm為熔點,從上式可見,只有當應變速率存在數(shù)量級變化時,固體材料強度才有明顯差別。(2)泡沫材料變形的特征是逐層破壞的,變形可1認為局限于厚為孔徑的小范圍內,這使得局部區(qū)域內的實際變形速率遠大于表觀變形速率,根據(jù)11Klintworth和Stronge提出的微慣性硬化機理,當材料的應變速率很大時,慣量(性)將起作用,即孔壁的慣性(如向與外力垂直方向轉動)增大了材料的破壞應力。(3)孔內氣體使泡沫鋁屈服強度增加。閉孔泡沫鋁在進行動態(tài)壓縮時,瞬間

12、內氣體難以從孔壁內逸出,假定動態(tài)測試時,氣體全部集中在孔壁內,考慮到孔壁材料的熱容量遠大于孔內氣體的熱容量,在進行12等溫壓縮時,氣體對泡沫鋁屈服強度的貢獻為)(1-2=(4)-1-(1-2sf式中p0表示大氣壓,表示應變,表示泊松比,s圖6應變速率對泡沫鋁吸能能力的影響Fig16CurvesofstrainvsenergyabsorptionofAlfoamatdifferentstrainrates圖7應變速率對泡沫鋁吸能效率的影響Fig17CurvesofstressvsenergyabsorptionefficiencyoffoamAlatdifferentstrainrates圖6為

13、泡沫鋁材料在不同應變速率情況下的吸能性能。從圖6中可見,在彈性變形階段(<0105),多孔材料吸收的能量很小;而在平臺區(qū),由于梁的彎曲、斷裂使泡沫鋁吸收大量能量的同時,應力保持恒第2期鳳儀等:應變速率對閉孔泡沫鋁力學性能和能量吸收性能的影響71定或略有增加。從圖6中可見,在應變量為40%時,-3-1-1當應變速率從10s增加到2500s時,其單位體積33吸收的能量從2105MJm增加到2153MJm,增長約23%,這在沖擊保護時顯得尤其重要。213應變速率對泡沫鋁吸能效率的影響J.Miltz等14能效率最大時所對應的應力分別為810MPa、715MPa、617MPa。與之相對應的吸能效率

14、為0133、0135、014?？梢娕菽X在準靜態(tài)的吸能效率比高應變速率時的大。提出的吸能效率的定義為mE=dm03結論(6)式中m為應變,m為對應的應力,此式表明吸能效率E為泡沫鋁所吸收的能量與對應應力的比值。當吸能效率達到最大值時,表明在該應力處泡沫鋁的吸能特性最好,泡沫鋁的性能可以得到最大的發(fā)揮。在產品設計階段,對于給定的材料,確定其最佳工作狀態(tài)。圖0由圖7可看出,-1-1-3-1不同,當應變速率為2500s、1600s、10s時,吸參考采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)技術,研究了-3-1-1應變速率(1×10s2500s)對泡沫鋁力學性能和能量吸收性能的影響。:由于鋁合金本身

15、,導致。隨應變速率的,泡沫鋁的、應變速率變化幅度的增加而增加,而泡沫鋁的吸能效率隨應變速率的增加略有下降。文獻1EvansAG,HutchinsonJW,AshbyMF.MultifunctionalityofcellularmetalsystemsJ.ProgressinMaterialsSciences,1999,43:171221.2SimoneAE,GibsonLJ.EffectsofsoliddistributiononthestiffnessandstrengthofmetallicfoamsJ.ActaMater,1998,46:21392150.3MiyoshiT,ItohM,

16、MukaiT.Enhancementofenergyabsorptioninaclosed2cellaluminumbythemodificationofcellularstructuresJ.ScriptaMaterialia,1999,41:10551060.4GibsonLJ.MechanicalbehaviorofmetailicfoamsJ.AnnuRevMaterSci,2000,30:191227.5TedescoW,RossCA,KufnnenST.Strainrateeffectsonthecompressivestrengthofshock2mitigatingfoamsJ

17、.JournalofSoundandVibration,1993,165:376384.6FengY,ZhengHW,ZhuZG.ThemicrostructureandelectricalconductivityofaluminumalloyfoamsJ.MaterialsChemistryandPhysics,2002,78:196201.7劉劍飛,王正道,胡時勝.低阻抗多孔介質材料的SHPB實驗技術J.實驗力學,1998,13:218223.8金屬機械性能編寫組.金屬機械性能M.北京:機械工業(yè)出版社,1983.9BlazL,EvangelistaE.Strainratesensitivi

18、tyofhotdeformedAlandAlMgSialloyJ.MaterialsScienceandEngineering,1996,A207:195201.10OosterkampLD,IvankovicA,VerizelosG.HighstrainratepropertiesofselectedaluminumalloysJ.MaterialsScienceandEngineering,2000,A278:225235.11GibsonLJ,AshbyMF.Cellularsolids:structureandpropertiesM.CambridgeUniversityPress,1

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20、ropertiesofplasticfoamscompressivemeasurementsJ.PolymerEngSci,1981,21:10101014.材料熱處理學報-3-1-1第25卷timesincreasing.Keywords:thermalshockresistance;cobalt2coated;alumina;compositesEffectofPre2treatmentbyAmmoniumSaltSolutiononPropertiesofActivatedCarbonZHAONai2qin,WEINa,GUOXin2quan,LIJia2jun(SchoolofMate

21、rialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjing300072,China)specificsurfaceareaofthe1.Theadsorptionwaspaniedwiththeporestructureofthe,mechanismofthepretreatmentbyammsaltsolutionwaselementarilydiscussed.Keywords:activatedcarbon;flyash;activation;adsorptionRelationofValenceElectronStructuresandM

22、echanicalPropertiesofFe3Al21,222PANGLai2xue,SUNKang2ning,SUNJia2tao,LIMing(1.KeyLaboratoryofLiquidStructureandHeredityofMaterialsofMinistryofEducation,ShandongUniversity,JinanShandong250061,China;2.KeyLaboratoryofEngineerCeramics,ShandongUniversity,JinanShandong250061,China)TransMaterHeatTreat,2004,

23、25(2):6467,fig2,table4,ref12.Abstract:Long2range2orderintermetalliccompoundofFe3Al(Fe228Al)isprocessedbyquenching(orderinginterception).TheimperfectlyorderedB2structureafterorderedinterceptionhassignificantlyeffectonthemechanicalpropertiesofFe3AlandtheresultsshowhardnessandstrengthofFe3Aldecrease.Ac

24、cordingtoEET,relationofvalenceelectronstructuresoftwokindsofstructures(type2D03andtype2B2)andmechanicalpropertiesareestablished.Theresultsobtainedwellconformtotheexperimentaldata.KeyWords:ironaluminides;mechanicalproperty;empiricalelectrontheoryofsolidsandmolecules(EET);valenceelectronstructure;quen

25、ching(orderinginterception)InfluenceofStrainRateontheMechanicalPropertiesandEnergyAbsorptionCapacityofAluminumAlloyFoam1233FENGYi,ZHUZhen2gang,PANYi,HUShi2sheng(1.DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhui230009,China;2.LaboratoryofInternalFrictionandDefectsinS

26、olid,InstituteofSolidStatePhysics,ChineseAcademyofScience,HefeiAnhui230031,China;3.DepartmentofMechanicsandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiAnhui230027,China)TransMaterHeatTreat,2004,25(2):6871,fig7,table1,ref14.Abstract:SHPBwasusedtoinvestigatethestrainrateeffectonthemechani

27、calpropertiesandenergyabsorptioncapacityofaluminumalloyfoams.TheirresponsetostrainratewastestedoverawiderangeKeywords:closed2cellaluminumfoam;splithopkinsonpressurebar(SHPB);strain;property;energyTemperatureFieldofSteelPCircularLaminarJetsafterRolling1,2133Qi2jian,JINYong2chun,SUNFeng2hua,LIUShu2qia

28、ng(1.TechnicalResearchInstitute,ShouduIronandSteelGroupCo,Beijing100041,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;3.SectionofEducationalAdministration,ShandongUniversityofScienceandTechnology,TaianShandong271019,China)TransMaterHeatTreat,2004,25(2):7275,fig4,table3,ref9.Abstract:Theheatflowboundaryconditiononsteelplatecoolinginlaminarjets,whichw