应变速率对闭孔泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响

1、第25卷第2期2004年4月材料热处理学报TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTVol.25No.2April2004应变速率对闭孔泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响凤仪,朱震刚,潘艺,胡时胜(1.合肥工业大学材料学院,安徽合肥230009;2.中国科学院固体物理研究所内耗与固体缺陷开放实验室,安徽合肥230031;3.中国科学技术大学力学和机械工程系,安徽合肥230009)-3-1-1摘要:采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,研究了应变速率(1×10s2500s1233性能和能量吸收性能的影响。结果表明:,的屈服强度和吸能能力增加,。关键

2、词:闭孔泡沫铝;霍普金森压杆(SHPB);中图分类号:TB339;O347.3:100926264(2004)0220068204,包含大量孔洞的低密度、。它是一种功能和结构一体化的新型材料,自20世纪90年代1,2以来,引起人们的广泛关注。其具有良好的缓冲吸能性能,一定的强度、刚度,轻质,可用作结构材料和缓冲吸能材料。与泡沫塑料相比,泡沫金属具有很多的优点:强度高,能实现高能量的吸收;熔点高,具有高温稳定性;耐候性好,不易老化。它的出现为保护材料的开发与应用提供了广阔的前景。近几年来,随泡沫铝制备工艺的逐渐成熟和在汽车、建筑等方面应用前景的日益看好,对泡沫铝的应力2应变关系和吸能性能的研究,

3、尤其是在高应变速率下的应力2应变关系和吸能性能受到各国学者的广泛关注,5但相关研究报道较少。鉴于泡沫铝在缓冲吸能、防爆隔振等方面的应用,本文研究了应变速率对泡沫铝材料力学性能和吸能性能的影响,并对其机理进行了探讨。3,4均匀分布于预制件中的TiH2分解,缓慢释放出氢气,使预制件开始膨胀,当其膨胀成近成品零件时,将钢模取出,让其迅速冷却,就可得到所需孔隙率的泡沫铝样品。通过调整发泡剂含量、加热温度、加热时间6等工艺参数,可调整泡沫铝的孔径和孔隙率。图1为粉末冶金发泡法制得的闭孔泡沫铝样品,从图中可见,孔洞基本呈多边形,且孔洞大小、分布均匀。图1泡沫铝的显微组织照片1实验方法制造闭孔泡沫铝的主要工

4、艺流程为:将原料(Al粉、TiH2粉、Si粉等)混合均匀后压实成致密预制件,放入钢模中加热到铝合金熔点温度使部分熔化,同时收稿日期:2003209216;修订日期:2003212222基金项目:安徽省自然科学基金资助(03044602),男,合肥工业大学材料学院教授,博作者简介:凤仪(1964Fig11MicrographofAlfoam泡沫铝的准静态力学性能测试在MTS810123材料实验机上进行。材料的动态力学性能,由于应同时计及材料本构的应变速率效应和试验过程中的波传播效应,与静态试验相比,具有更大的难度和复杂性。实验采用分离式霍普金森压杆(SHPB),压杆直径37mm,子弹、输入杆、输

5、出杆的长度分别为800mm、2000mm、2000mm。子弹高速撞击输入杆,初始输入脉士,博士生导师,主要研究方向为复合材料和多孔材料,发表论文60多篇,获省部级科技进步奖5项,电话:055123423150,E2mail:fy123冲的应力幅值与撞击速度成正比,而撞击速度可以通过调整气压控制。当输入杆中的入射脉冲到达试样第2期凤仪等:应变速率对闭孔泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响69界面时,一部分脉冲被反射,另一部分脉冲通过试件透射进输出杆,通过测定入射、反射和透射脉冲可计7算材料动态应力2应变曲线。速率的变化情况。由图3可知,泡沫铝的应变率敏感性m不是常数。在同样的应变速率变化情况下,随

6、着应变的增大,应变率敏感性m值增大,而在相同的应变下,m值随着应变速率变化幅度的增大而增大。2实验结果和讨论211应变速率对泡沫铝力学性能的影响图2为相对密度fs(泡沫材料的密度与固体材料密度之比)为0116的泡沫铝材料,在不同应变速-3-13-13-1率(1×10s,116×10s,215×10s)下的应力2应变曲线,每条曲线均为三次实验的平均值。从图2中可见,无论应变速率高低,泡沫铝材料都显示出了典型的变形三阶段:线弹性阶段,塑变崩溃阶段密化阶段。从表1中还可看出,图3泡沫铝的应变率敏感性Fig13StrainratesensitivityofAlfoam图2

7、不同应变速率下的泡沫铝的应力2应变曲线Fig12Compressivestress2straincurvesofAlfoamatdifferentstrainrates4不同应变速率下的固体铝合金的应力2应变曲线Fig14Compressivestress2straincurvesofAlsolidatdifferentstrainrates表1材料的应变速率敏感性Table1StrainratesensitivityofAlsolidandAlfoamPropertiesYieldstrengthofAlfoam(MPa)YieldstrengthofAlsolid(MPa)Strainra

8、te10-3s-15144220191600s-16104226132500s-1615223419为对比起见,研究了应变速率对与泡沫铝基体同样成分的固体铝合金的应力2应变曲线的影响,如图4所示。由图4可知,随着应变速率的增加,固体铝合金的屈服强度增大,但其增加的幅度远小于泡沫-3-1铝。从表1可知,当应变速率从1×10s增加到、2500s时,固体铝合金的屈服强度分别增加214%和613%,而泡沫铝的屈服强度分别增加11%和20%,这表明泡沫铝比基体铝合金具有更大的应变速率敏感性。图5为固体铝合金的应变率敏感性m随应变、应变速率的变化情况。由图5可知,应变1600s-1-1应变速率对

9、泡沫铝的力学性能的影响,常用应8变速率敏感性m来表示,)m(1)S(式中S, 分别表示材料的真应力和应变速率,可推9出m的表达式为()(2)m=ln( 21)式中 1,2分别为应变速率为1,2时的应力。图3为泡沫铝的应变率敏感性m随应变和应变速率变化幅度越大,应变率敏感性m越大,但固体铝合金的应变速率敏感性m与应变的大小无关,符合10-3-1Cottrell2Stokes定律。当应变速率从10s增加到-11600s时,基体铝合金的应变率敏感性m值约为010028,而从图3中可知,泡沫铝的应变速率敏感性70材料热处理学报第25卷m约为0100401013,这说明基体铝合金和泡沫铝存在差异,孔洞结

10、构对泡沫铝的应变速率敏感性有影响。表示相对密度。由此式可见,气体对泡沫铝屈服强度的贡献与应变有关。从以上分析可知,由于铝合金本身的应变速率敏感性,以及微惯性和气体的作用,导致泡沫铝存在较强的应变速率敏感性。212应变速率对泡沫铝吸能性能的影响当泡沫铝承受压缩载荷时,应力做功。泡沫铝的能量吸收能力可以用其在变形过程中吸收的形变功W表示。,当应变是m时,其2应变曲线下的积分13:W=图5Fig15of()dm(5):(1)基体材料的屈服强度随应变速率的增加而增加。金属的塑变和破坏,如位错的运动、滑移面由不利位向向有利位向的转动、晶界滑移和扩散蠕变等,都需要时间,变形速度的增加,意味着位错运动速度等

11、的加快,必然需更大的切应力,导致材料强度上升,11满足下列关系:(3)ln)s=s(1-Tm0 s为基体在0K时的屈服强度,A、0为取决于材料本身的常数。Tm为熔点,从上式可见,只有当应变速率存在数量级变化时,固体材料强度才有明显差别。(2)泡沫材料变形的特征是逐层破坏的,变形可1认为局限于厚为孔径的小范围内,这使得局部区域内的实际变形速率远大于表观变形速率,根据11Klintworth和Stronge提出的微惯性硬化机理,当材料的应变速率很大时,惯量(性)将起作用,即孔壁的惯性(如向与外力垂直方向转动)增大了材料的破坏应力。(3)孔内气体使泡沫铝屈服强度增加。闭孔泡沫铝在进行动态压缩时,瞬间

12、内气体难以从孔壁内逸出,假定动态测试时,气体全部集中在孔壁内,考虑到孔壁材料的热容量远大于孔内气体的热容量,在进行12等温压缩时,气体对泡沫铝屈服强度的贡献为)(1-2=(4)-1-(1-2sf式中p0表示大气压,表示应变,表示泊松比,s图6应变速率对泡沫铝吸能能力的影响Fig16CurvesofstrainvsenergyabsorptionofAlfoamatdifferentstrainrates图7应变速率对泡沫铝吸能效率的影响Fig17CurvesofstressvsenergyabsorptionefficiencyoffoamAlatdifferentstrainrates图6为

13、泡沫铝材料在不同应变速率情况下的吸能性能。从图6中可见,在弹性变形阶段(<0105),多孔材料吸收的能量很小;而在平台区,由于梁的弯曲、断裂使泡沫铝吸收大量能量的同时,应力保持恒第2期凤仪等:应变速率对闭孔泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响71定或略有增加。从图6中可见,在应变量为40%时,-3-1-1当应变速率从10s增加到2500s时,其单位体积33吸收的能量从2105MJm增加到2153MJm,增长约23%,这在冲击保护时显得尤其重要。213应变速率对泡沫铝吸能效率的影响J.Miltz等14能效率最大时所对应的应力分别为810MPa、715MPa、617MPa。与之相对应的吸能效率

14、为0133、0135、014。可见泡沫铝在准静态的吸能效率比高应变速率时的大。提出的吸能效率的定义为mE=dm03结论(6)式中m为应变,m为对应的应力,此式表明吸能效率E为泡沫铝所吸收的能量与对应应力的比值。当吸能效率达到最大值时,表明在该应力处泡沫铝的吸能特性最好,泡沫铝的性能可以得到最大的发挥。在产品设计阶段,对于给定的材料,确定其最佳工作状态。图0由图7可看出,-1-1-3-1不同,当应变速率为2500s、1600s、10s时,吸参考采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,研究了-3-1-1应变速率(1×10s2500s)对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响。:由于铝合金本身

15、,导致。随应变速率的,泡沫铝的、应变速率变化幅度的增加而增加,而泡沫铝的吸能效率随应变速率的增加略有下降。文献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刘剑飞,王正道,胡时胜.低阻抗多孔介质材料的SHPB实验技术J.实验力学,1998,13:218223.8金属机械性能编写组.金属机械性能M.北京:机械工业出版社,1983.9BlazL,EvangelistaE.Strainratesensitivi

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

19、997.12DeshpandeVS,FleckNA.HighstrainratecompressionbehaviourofaluminumalloyfoamsJ.IntJImpactEnging,2000,24:277298.13MukaiT,KanahashiH,MiyoshiT.Experimentalstudyofenergyabsorptioninaclosed2celledaluminumfoamunderdynamicloadingJ.ScriptaMaterialia,1999,40:921927.14MiltzJ,GruenbaumG.Evaluationofcushionp

20、ropertiesofplasticfoamscompressivemeasurementsJ.PolymerEngSci,1981,21:10101014.材料热处理学报-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