泡沫金屬材料壓縮塑性力學(xué)探究

張平何麗鑫

（1.沈陽建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)中心，遼寧沈陽 110014；2.沈陽招標(biāo)中心，遼寧沈陽 110002）

泡沫金屬材料壓縮塑性力學(xué)探究

張平1何麗鑫2

（1.沈陽建設(shè)項(xiàng)目招投標(biāo)中心，遼寧沈陽 110014；2.沈陽招標(biāo)中心，遼寧沈陽 110002）

泡沫金屬材料作為一種新型材料，在汽車、航空、建筑等多個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料和多空聚合物材料來說，泡沫金屬具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)一種材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)和使用進(jìn)行分析的過程中，材料性能是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)。本文從泡沫金屬的特性出發(fā)，根據(jù)泡沫金屬的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)探究泡沫金屬材料壓縮塑性力學(xué)性能。

泡沫金屬 壓縮 力學(xué)性能 應(yīng)變率

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)科技隨之迅猛發(fā)展，開發(fā)復(fù)合材料，探索新材料是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域重要的課題。泡沫金屬作為一種新型材料，相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料和多孔聚合物材料來說，其不僅具有功能材料的特性，同時(shí)更兼顧了結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。如今，泡沫金屬材料已經(jīng)在汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、航空領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域中加以應(yīng)用，成為新材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題之一。

1 泡沫金屬的特性

泡沫材料具有金屬骨架和氣孔，相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，具有傳統(tǒng)金屬可焊性等基本屬性的同時(shí)又具有大量的內(nèi)部孔隙，而正因?yàn)檫@些內(nèi)部孔隙的存在使得泡沫金屬具有其自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

1.1 具有滲透性

因?yàn)榕菽饘僦芯哂写罅康目紫叮瞧渲虚]孔的數(shù)量也占有較大比重，因?yàn)橹挥型捉Y(jié)構(gòu)才具有滲透性，因此閉孔對(duì)于滲透性是具有很大的影響的。同時(shí)滲透性還與孔徑的大小以及滲透物的屬性有關(guān)。

1.2 消聲減震性

泡沫金屬中存在的通孔結(jié)構(gòu)可以將傳遞進(jìn)來的聲波以及震動(dòng)向熱能轉(zhuǎn)化并將其散發(fā)。消聲減震的性你呢與其孔隙率的高地以及直徑的大小有直接的關(guān)系，同時(shí)泡沫金屬相對(duì)于石棉等材料耐用性更好，而且強(qiáng)度更高，阻燃性更好。

1.3 熱傳導(dǎo)性能

泡沫金屬的熱傳導(dǎo)性能優(yōu)于金屬材料又低于隔熱材料，而且其導(dǎo)熱性能的好壞有孔隙率有直接的關(guān)系，閉孔結(jié)構(gòu)比通孔結(jié)構(gòu)絕熱性能更好。在對(duì)流條件下，提高孔隙率以及擴(kuò)大孔徑能夠促進(jìn)對(duì)流換熱能力的提升。

1.4 電學(xué)性能

因?yàn)榫哂锌紫督Y(jié)構(gòu)，因此阻尼性很好，倘若將高分子聚合物填充在孔隙中，則能夠有效的提高阻尼特性。對(duì)于泡沫金屬材料而言，阻尼特性與表面積的大小有直接的關(guān)系。

2 泡沫金屬材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)

人們?cè)趯?duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行研究和使用的時(shí)候首先就要考慮到材料的力學(xué)性能，因此，力學(xué)性能是材料性能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。而人們要對(duì)材料本身所具有的力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究首先就要先認(rèn)識(shí)材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

泡沫金屬材料的主體為金屬骨架和氣孔，氣孔又包括通孔和閉孔兩大類。通孔結(jié)構(gòu)又稱為開孔，即泡沫金屬內(nèi)部的單個(gè)氣孔是開放式的，氣孔之間呈相互連接的狀態(tài)。閉孔結(jié)構(gòu)的氣孔呈封閉狀態(tài)并且各自獨(dú)立，與母體金屬是分離狀態(tài)。需要注意的是在大部分的泡沫金屬內(nèi)容結(jié)構(gòu)中閉孔和開孔是同時(shí)存在的。

圖1 泡沫金屬應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

坡面金屬的支架結(jié)構(gòu)可分為孔壁、筋、節(jié)。在開孔結(jié)構(gòu)中氣孔之間是相互關(guān)聯(lián)的，隔離的孔壁是不完整的，而閉孔結(jié)構(gòu)則是由完整孔壁將氣孔進(jìn)行隔離。在孔壁較之筋要薄得多的情況下，孔壁對(duì)泡沫金屬材料整體的力學(xué)性能的影響是非常薄弱的，可以將其作為準(zhǔn)開孔結(jié)構(gòu)來看待。

3 泡沫金屬材料的壓縮力學(xué)性質(zhì)

3.1 靜態(tài)壓縮行為

泡沫金屬材料的應(yīng)力到應(yīng)變的曲線分為三個(gè)階段（參見圖1）：第一階段為彈性變形階段，第二階段為屈服平臺(tái)階段，第三階段為崩塌壓實(shí)階段。開始時(shí)應(yīng)變很小，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)バ某示€性彈性；接著應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力處于一個(gè)平臺(tái)期，幾乎處于一個(gè)不變或者變化很小的狀態(tài)，最后隨著泡沫金屬材料內(nèi)部孔洞不斷擠壓被壓在一起，材料呈壓實(shí)狀態(tài)，應(yīng)力快速增加。泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用下，變形機(jī)制主要為棱桿的彎曲和孔壁薄膜的彎曲和拉伸。但是材料內(nèi)部一些孔洞本身較弱，當(dāng)應(yīng)變?cè)诰植课恢眉袝r(shí)，原本就較弱的孔洞最先在擠壓作用下被壓壞，再帶動(dòng)與其相鄰的孔洞繼續(xù)被壓壞，形成依次傳遞的局面，最終造成了“變形帶”的產(chǎn)生。隨著“變形帶”的不斷擴(kuò)大，破壞應(yīng)力的擴(kuò)大和傳遞影響到材料整體時(shí)，就表現(xiàn)為材料整體被壓壞。由此可見，泡沫金屬材料的壓縮塑性變形是逐層傳遞依次破壞的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用時(shí)，發(fā)生彈性變形的階段是非常短暫的，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2%的時(shí)候就會(huì)進(jìn)入到屈服平臺(tái)期，也就是說對(duì)于泡沫金屬材料而言，壓縮屈服應(yīng)力和屈服平臺(tái)期的應(yīng)力是相等的。

3.2 動(dòng)態(tài)壓縮行為

泡沫金屬所具有減震性能，使其成為一種很好的減震緩沖材料在多種場(chǎng)合中應(yīng)用，研究泡沫金屬在動(dòng)態(tài)壓縮載荷作用下的力學(xué)性能是新材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。相對(duì)于靜態(tài)壓縮載荷下的力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)壓縮載荷的力學(xué)性能問題更為復(fù)雜，動(dòng)態(tài)壓縮需要充分的考慮到動(dòng)態(tài)效應(yīng)的一系列的問題，包括慣性效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)等。根據(jù)泡沫金屬材料的壓縮變形機(jī)制，在應(yīng)變率較高的情況下，材料的屈服強(qiáng)度有所提高。在靜態(tài)壓縮載荷條件下，泡沫金屬材料是逐層發(fā)生壓縮變形，有一層氣孔孔壁發(fā)生彎曲變形，也就是塑性變形的第一階段到第二層氣孔的塌陷，隨著一層層氣孔在載荷作用下逐層塌陷直至全部的氣孔被彎曲壓實(shí)達(dá)到致密程度，這個(gè)變形過程是不均勻的，而且在某一局部是呈不穩(wěn)定的狀態(tài)。那么在動(dòng)態(tài)壓縮載荷條件下，應(yīng)力增加，材料強(qiáng)化主要受兩種因素的影響。一種是隨著沖擊速度的不斷提高，沖擊表面的氣孔壓實(shí)更加緊密，從而使屈服應(yīng)力隨之不斷的增加。另一種是動(dòng)態(tài)壓縮具有突出的局部化特點(diǎn)，這就使得壓縮塑性變形帶的應(yīng)變速率提高，加上微慣性的作用，造成了變形的對(duì)稱模式和非對(duì)稱模式的增強(qiáng)。

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［2］徐曉，吳舜英.硬泡沫塑料的力學(xué)性能分析：壓縮彈性模量分析與計(jì)算機(jī)模擬［J］.包裝工程，2013，19（4）.

［3］盧子興，等.泡沫塑料力學(xué)性能研究綜述［J］.力學(xué)進(jìn)展，2013，26（3）.