空心微珠／Al復合材料的動態(tài)壓縮力學性能和吸能特性＊

張博一，王 偉，武高輝

（1.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150090；2.哈爾濱工業(yè)大學金屬基復合材料與工程研究所，黑龍江 哈爾濱150001）

泡沫金屬材料具有良好的壓縮力學性能，是吸收沖擊能量最理想的材料［1］。與傳統(tǒng)泡沫金屬相比，采用壓力滲透法制備而成的空心微珠／Al復合泡沫是一種金屬鋁基體骨架與飛灰／Al和Al2O3空心球結(jié)合而成的新型復合泡沫金屬材料，具有高比強度、高比剛度以及良好的緩沖吸能特性［2］。由于基體內(nèi)空心微珠的承載作用使該新型復合泡沫金屬材料的力學性能，特別是抗沖擊吸能性能，比普通泡沫鋁大為提高［3］，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工及工程防護等領(lǐng)域。對空心微珠／Al復合泡沫材料的壓縮力學性能的研究多集中于材料在準靜態(tài)和中、低應(yīng)變率加載條件下。A.Daoud等［4］、P.K.Rohatgi等［5］制備了不同基體合金的飛灰增強金屬基復合材料，表征了材料的密度、熱膨脹系數(shù)和準靜態(tài)壓縮等性能，并分析了飛灰體積分數(shù)不同的飛灰增強金屬基復合材料的準靜態(tài)壓縮性能，發(fā)現(xiàn)隨著飛灰體積分數(shù)的提高，材料整體的流動應(yīng)力也有所增加。D.X.Sun等［6］、X.F.Tao等［7］、L.P.Zhang等［8］采用不同方法制備了Al2O3和SiO2混合配比空心球復合材料，并分析了復合材料的壓縮性能。D.P.Mondal等［9－11］研究了飛灰／金屬基復合材料的結(jié)構(gòu)、壓縮性能以及相對密度和應(yīng)變率對壓縮變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)在相同應(yīng)變率下隨著相對密度的提高，材料的流動應(yīng)力有明顯的增加。Z.Y.Dou等［3］通過準靜態(tài)壓縮實驗對空心微珠平均粒徑為90和150μm的空心微珠／1199Al復合泡沫材料進行了測試，發(fā)現(xiàn)對于采用同一鋁合金基體的復合材料，空心微珠平均直徑越小，材料的屈服強度和吸能性越高。空心微珠／Al復合泡沫材料作為緩沖吸能材料主要承受高速撞擊、爆炸等沖擊載荷，在沖擊載荷下，材料的應(yīng)變率一般大于103s－1，因此，有必要對高應(yīng)變率下空心微珠／Al復合泡沫材料的動態(tài)壓縮力學性能進行研究。本文中，對空心微珠平均粒徑為80μm的空心微珠／1199Al復合泡沫在準靜態(tài)和高應(yīng)變率下的壓縮力學性能和吸能性能進行實驗研究，分析材料的宏觀和微觀壓縮變形機制。

1 實驗方案

1.1 材料及試件

通過壓力滲透技術(shù)制備得到空心微珠平均粒徑為80μm的空心微珠／1199Al復合泡沫，材料彈性模量為16.4GPa，密度為1 385kg／m3，泊松比為0.14，采用線切割加工技術(shù)分別將復合材料切割成尺寸為?20mm×30mm（準靜態(tài)實驗）和?8mm×3mm（SHPB實驗）的圓柱試件。

1.2 實驗設(shè)備及原理

準靜態(tài)實驗在INSTRON 5569電子萬能試驗機上進行。動態(tài)實驗在SHPB系統(tǒng)上進行，該裝置主要由氣槍、子彈、輸入桿、輸出桿、能量吸收裝置和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示，實驗壓桿為直徑為12.7mm的LC4鋁桿，子彈、輸入桿和輸出桿的長度分別是500、1 200和1 200mm。通過測定入射、反射和透射脈沖，可計算出材料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 SHPB裝置簡圖Fig.1 Schematic of SHPB setup

采用半導體應(yīng)變片以提高信噪比，并在輸入桿表面粘貼黃銅片波形整形器，濾去高頻信號，延長入射波的加載時間，保證應(yīng)力波傳播過程中應(yīng)力的均勻性，有利于實現(xiàn)恒應(yīng)變率，滿足實驗基本假設(shè)［12］。通過改變氣室的充氣壓力以調(diào)整撞擊桿的速度得到不同的應(yīng)變率，其范圍為1 700～2 900s－1。圖2為動態(tài)壓縮實驗中測得的入射波、反射波和透射波的典型波形。可以看出，透射波波形相對于入射波有較大幅度的減小，其原因可歸結(jié)為空心微珠／1199Al復合泡沫與壓桿材料相比，阻抗偏低，入射波在經(jīng)過輸入桿與試件的界面時大部分被反射，只有很小部分能透過試件繼續(xù)向前傳播。

圖2 SHPB實驗中典型的應(yīng)變波形Fig.2 Typical strain waves measured in SHPB experiments

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為空心微珠／1199Al復合泡沫在準靜態(tài)下（應(yīng)變率為10－3s－1）和在1 700～2 900s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖3可以看出，應(yīng)變率對復合材料的強度峰值和塑性變形都有明顯影響。準靜態(tài)下，復合材料發(fā)生破壞時的塑性應(yīng)變?yōu)?.44，應(yīng)變率為1 700、2 000、2 655和2 900s－1時的塑性應(yīng)變分別為0.42、0.54、0.67和0.67。這說明，材料在高應(yīng)變率下比其在準靜態(tài)下具有更好的塑性變形能力，且復合材料在高應(yīng)變率下的流動應(yīng)力比其在準靜態(tài)下的流動應(yīng)力顯著增大。

準靜態(tài)下，空心微珠／1199Al復合泡沫的屈服強度約為45MPa，而高應(yīng)變率下，空心微珠／1199Al復合泡沫的屈服強度均接近110MPa，增加約1.5倍。從圖3還可以看出，對于給定的應(yīng)變，復合材料的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大；在較高應(yīng)變率下，復合材料的動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢與準靜態(tài)壓縮時的相似，即同樣存在彈性變形階段、塑性屈服平臺階段和致密化階段；在1 700s－1的應(yīng)變率下，試件的變形量較小，處于平臺屈服階段，材料還未進入致密化階段；在2 900s－1的應(yīng)變率下，試件變形較大，材料已經(jīng)進入致密化階段。

圖3 準靜態(tài)及動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress－strain curves at quasi－static and dynamic loading conditions

2.2 應(yīng)變硬化和應(yīng)變率敏感性

圖4給出了塑性應(yīng)變分別為0.20、0.30和0.45時，空心微珠／1199Al復合泡沫所對應(yīng)的流動應(yīng)力σ與應(yīng)變率ε·的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，對于給定的塑性應(yīng)變，復合材料的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大，且對應(yīng)的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化曲線幾乎是平行的。在應(yīng)變率為0.001、1 700、2 000和2 900s－1時，塑性應(yīng)變從0.20變化到0.45，空心微珠／1199Al復合泡沫流動應(yīng)力增大的幅值明顯低于應(yīng)變率從0.001s－1變化到2 900s－1時其流動應(yīng)力增大的幅值，說明應(yīng)變率硬化效應(yīng)對該復合材料流動應(yīng)力的影響明顯大于應(yīng)變硬化的影響。

根據(jù)文獻［12］，應(yīng)變率敏感率R可表示為：

式中：σd和σs分別為在給定塑性應(yīng)變下的動態(tài)流動應(yīng)力和準靜態(tài)流動應(yīng)力為高應(yīng)變率為準靜態(tài)應(yīng)變率。

根據(jù)式（1）可計算不同塑性應(yīng)變值對應(yīng)的R值。圖5為應(yīng)變率敏感率與塑性應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。可以看出，在彈性階段，復合材料的應(yīng)變率敏感度上升較快，當復合材料的塑性應(yīng)變大于0.15，復合材料的應(yīng)變率敏感率基本保持恒定，不再隨塑性應(yīng)變的增加而變化。

圖4 在不同的塑性應(yīng)變下，流動應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系曲線Fig.4 Flow stress varied with strain rate at different plasitc strains

圖5 不同應(yīng)變率時，塑性應(yīng)變與應(yīng)變率敏感率之間的關(guān)系Fig.5 Strain－rate sensitivity varied with plastic strain at different stain rates

2.3 吸能特性

泡沫金屬材料的吸能能力W 可用單位體積所吸收的能量來表征，J.Miltz等［13］提出吸能效率E和理想吸能效率I，E為泡沫鋁所吸收的能量與對應(yīng)應(yīng)力的比值，I為真實材料在壓縮過程中任意應(yīng)變下所吸收的能量與理想吸能材料在相同應(yīng)變下吸收的能量的比值，且有：

式中：εm為任意應(yīng)變，σm為對應(yīng)的應(yīng)力。

在W 和E的計算公式中，應(yīng)變可以在0～εmax的范圍內(nèi)任意取值，εmax為壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)變。考慮到泡沫金屬材料在壓實應(yīng)變εd（屈服平臺的截止應(yīng)變）以下可以發(fā)揮最佳的吸能特性，空心微珠／1199Al復合泡沫的相對密度為0.41，即壓實應(yīng)變εd，這里選用εm＝εd＝0.41。根據(jù)不同應(yīng)變率下材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過數(shù)據(jù)處理得到如圖6～7所示的材料吸能效率σ－E曲線和理想吸能效率σ－I曲線，綜合考察其吸能特性。

圖6 不同應(yīng)變率時吸能效率與壓縮應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.6 Energy－absorption efficiency as a function of compressive stress at different stain rates

圖7 不同應(yīng)變率時理想吸能效率與壓縮應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.7 Ideal energy－absorption efficiency as a function of compressive stress at different stain rates

從圖6可以看出，在準靜態(tài)下，當壓縮應(yīng)力為55MPa時，空心微珠／1199Al復合泡沫的吸能效率達到最大值0.35；在1 700～2 900s－1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，當壓縮應(yīng)力為130～175MPa時，吸能效率的最大值均接近0.31。吸能效率最大值所對應(yīng)的壓實點應(yīng)力和理想吸能效率最大值所對應(yīng)的平臺應(yīng)力都隨應(yīng)變率的增大而增大，表明空心微珠／1199Al復合泡沫是一種應(yīng)變率敏感材料。

從圖7中可以看出，理想吸能效率隨壓縮應(yīng)力的增大而快速達到峰值，當壓縮應(yīng)力達到一定程度后，理想吸能效率迅速回落，在3種應(yīng)變率下理想吸能效率的最大值為0.75～0.80，說明空心微珠／1199Al復合泡沫是一種優(yōu)良的吸能材料。此外，空心微珠／1199Al復合泡沫理想吸能效率的最大值隨應(yīng)變率的變化不明顯，可見理想吸能效率曲線反映的是材料的固有屬性。

2.4 宏觀變形與微觀組織分析

圖8為復合泡沫試件準靜態(tài)壓縮變形過程中不同階段的宏觀變形及微細觀SEM照片，該復合泡沫材料的準靜態(tài)壓縮變形大致分為3個階段。

（1）線彈性階段：圓柱體處于彈性變形范圍內(nèi)，外力卸載后，變形可恢復原狀，此時空心球并未發(fā)生壓碎（圖8（a）），試件外形保持不變（圖8（d））。

（2）塑性屈服平臺階段：此時圓柱體中心和端部所受的應(yīng)力較大，這些部位的空心球首先發(fā)生破碎，在這些區(qū)域造成了應(yīng)力集中，導致周圍的空心球也逐漸發(fā)生壓碎破壞，在較致密的高應(yīng)力區(qū)域，由于1199Al基體的流動性受到空心球的限制，開始在這些部位形成微裂紋（圖8（b））；這一階段試件壓縮變形量達到9%（圖8（e））。

（3）致密化階段：隨著壓縮變形量的進一步增加，沿裂紋開展方向破碎的空心球繼續(xù)增多，且原來已經(jīng)破碎的空心球變得更致密，其包含的孔洞完全消失（圖8（c）），裂紋進一步向試件內(nèi)部擴展，有些裂紋發(fā)生了連接；此時橫向拉應(yīng)力也急劇增加，圓柱體試件橫向壓縮變得更明顯，裂紋擴展致使試件發(fā)生劈裂，最終試件壓縮變形量達到35%（圖8（f））。

由圖8（f）可知，壓縮后試樣仍大致保持圓柱狀，在試件的根部邊緣至頂部邊緣沿45°方向出現(xiàn)顯著的剪切斜裂紋，裂紋從角部萌生，逐步向試件內(nèi)部擴展及部分裂紋相連。

圖9為空心微珠／1199Al復合泡沫在實驗前及在不同沖擊速度下壓縮后的宏觀形貌。壓縮后，試件直徑變大，高度縮短，呈圓餅狀，且變形程度隨加載應(yīng)變率的增大而增大，但試件整體仍保持完好，未出現(xiàn)類似準靜態(tài)壓縮時的剪切斜裂紋。這表明，空心微珠／1199Al復合泡沫中的1199Al基體在動態(tài)壓縮下具有良好的協(xié)調(diào)變形能力，保證了空心微珠在近似恒應(yīng)力下被壓實，充分發(fā)揮其“吸能體”的作用。

圖8 復合泡沫試件準靜態(tài)壓縮變形過程中宏觀變形及微觀組織Fig.8 Macroscopic deformation and microstructure of composite foam specimen undergoing quasi－static compression

圖9 試件的壓縮變形Fig.9 Compressive deformation of specimen

SHPB動態(tài)壓縮實驗前后空心微珠／1199Al復合泡沫試件縱向剖面的SEM觀察如圖10所示，力的方向為水平方向，空心微珠增強體的壓縮變形情況也如圖10所示。

由圖10可以看出：實驗前，材料內(nèi)部均勻地填充著空心微珠增強體；壓縮變形后，復合材料內(nèi)部的吸能體——空心微珠均被壓碎，由于基體組織在分切應(yīng)力的作用下發(fā)生流動，進而使復合材料的組織變得致密。動態(tài)壓縮變形機理為：變形初期主要由1199Al基體和空心微珠承受動態(tài)荷載，此階段對應(yīng)于復合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的線彈性階段；隨著沖擊應(yīng)變率的增大，1199Al基體產(chǎn)生明顯的塑性變形，空心微珠增強體的體積逐漸減小，其所屬區(qū)域也逐漸被1199Al基體占據(jù)，空心微珠的被壓縮和基體材料的被充填同時發(fā)生；在變形的后期，空心微珠完全被壓實，材料被壓縮到致密狀態(tài)變成顆粒增強類材料，材料的流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而快速增大。此外，SEM照片顯示，材料動態(tài)壓縮后的剖面上不存在明顯的剪切裂紋。這說明，復合材料在動態(tài)載荷下具有良好的協(xié)調(diào)變形能力和抗沖擊變形能力。

3 結(jié) 論

準靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗表明：空心微珠／1199Al復合泡沫是一種應(yīng)變率敏感材料；在高應(yīng)變率下，該復合泡沫比其在準靜態(tài)下具有更好的塑性變形能力，且高應(yīng)變率下該復合泡沫的流動應(yīng)力比其在準靜態(tài)下的流動應(yīng)力顯著增大，應(yīng)變率硬化效應(yīng)對復合材料流動應(yīng)力的影響明顯大于應(yīng)變硬化效應(yīng)對其流動應(yīng)力的影響；該復合泡沫在動態(tài)壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢與其在準靜態(tài)壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢相似。

圖10 不同應(yīng)變率下試件斷口和空心微珠壓縮變形的SEM圖片F(xiàn)ig.10 SEM pictures for the fractured surfaces of specimens and the compressive deformation of cenospheres at different strain rates

空心微珠／1199Al復合泡沫材料具有優(yōu)異的吸能能力，吸能效率最大值所對應(yīng)的壓實點應(yīng)力和理想吸能效率最大值所對應(yīng)的平臺應(yīng)力都隨應(yīng)變率的增大而增大。復合材料準靜態(tài)壓縮變形機制與動態(tài)壓縮變形機制有所區(qū)別：準靜態(tài)壓縮過程中，在屈服平臺階段，壓縮應(yīng)力較集中的區(qū)域空心微珠發(fā)生連續(xù)破碎，附近產(chǎn)生裂紋，并最終形成剪切斜裂紋；而動態(tài)壓縮過程中，空心微珠的被壓縮和基體材料的被充填同時發(fā)生，1199Al基體具有良好的協(xié)調(diào)變形能力。

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