金屬材料的分類和應(yīng)用影響

文/戰(zhàn)佳升 孫志輝

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金屬材料的分類和應(yīng)用影響

文/戰(zhàn)佳升 孫志輝

摘 要：材料品種繁多，數(shù)以十萬計(jì)。為了便于認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，本文從不同角度對(duì)其進(jìn)行分類。按化學(xué)成分、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)可分為三大類，即金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料，三大材料相互交叉、相互融合，由三大材料中任意兩種或兩種以上復(fù)合而成的材料稱為復(fù)合材料，如果把復(fù)合材料作為一類便可稱為四大類材料。在以上一級(jí)分類的同時(shí)，每個(gè)一級(jí)分類里還有很多二級(jí)、三級(jí)分類，每種材料都有不同的特性和功能，在應(yīng)用上也不盡相同，所以如何在如此繁多的材料分類中快速定位，找到所需要的材料，人工操作相當(dāng)繁瑣，浪費(fèi)了大量的人力和物力，如果借助于計(jì)算機(jī)來進(jìn)行管理，效率將會(huì)快速提高，而且會(huì)大大的提高其安全性。

關(guān)鍵詞：材料；新能源材料；系統(tǒng)開發(fā)；優(yōu)化檢索

泡沫金屬等多胞材料，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)（特別是幾何形狀）常常是不規(guī)則的，目前的大部分研究對(duì)此僅簡單采用某種隨機(jī)性或者平均效果進(jìn)行描述，如平均孔徑等。顯然這樣的描述是不足以刻畫材料的性質(zhì)，特別是材料的屈服極限和破壞強(qiáng)度（應(yīng)變）等。為了能更好地從細(xì)觀角度描述這類材料的性質(zhì)，本文首先對(duì)泡沫金屬細(xì)觀結(jié)構(gòu)引入多邊形（二維）和多面體（三維）假設(shè)，并且提出了細(xì)觀結(jié)構(gòu)的尺寸不規(guī)則度和形狀不規(guī)則度的定義，發(fā)展了相應(yīng)的建模技術(shù)和開展了材料性能研究。具體研究內(nèi)容包括：①在保持初始相對(duì)密度（0.3）、胞體數(shù)目（100）相同的基礎(chǔ)上，建立起幾種典型的胞體形狀規(guī)則的二維泡沫鋁模型，如胞體形狀為正四邊形、正六邊形（蜂窩）及圓孔，并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮模擬。通過分析它們的壓縮特性，確定了正六邊形（蜂窩）的胞體作為規(guī)則參考單元，即將正六邊形胞體組成的泡沫金屬性能作為不規(guī)則度為零的泡沫金屬的性能，用于和其他有不規(guī)則度分布的泡沫金屬進(jìn)行性能對(duì)比。②對(duì)于二維隨機(jī)Voronoi泡沫金屬模型，同樣在初始相對(duì)密度、胞體數(shù)目相同的基礎(chǔ)上，研究了不同不規(guī)則度分布，對(duì)泡沫金屬的壓縮性能影響。為了驗(yàn)證模型是否具有尺寸效應(yīng)，本文在初始相對(duì)密度和形狀不規(guī)則度分布相同的情況下，建立了胞體數(shù)目為200的二維Voronoi模型，并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮模擬。③利用三維Voronoi建模方法，建立了三維泡沫金屬模型，定義了三維下的形狀不規(guī)則度。

多孔金屬材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、吸能性能優(yōu)異、高效散熱、隔熱等特性，是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用的新型工程材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋采油等領(lǐng)域。多孔金屬材料的力學(xué)性能與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，研究多孔金屬材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，深入分析材料變形的細(xì)觀力學(xué)機(jī)制并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)多孔金屬材料的設(shè)計(jì)開發(fā)和工程應(yīng)用具有重大意義，也是本文工作的主要目的。本文研究了含有細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷的二維蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，對(duì)滲流法制備的開孔泡沫金屬進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步探討了多孔金屬材料多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

本文首先對(duì)胞壁隨機(jī)移除的二維蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬，研究了不同胞壁移除比的蜂窩結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)沖擊下的變形模式，發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)變形模式是由兩種機(jī)制，即慣性效應(yīng)引起的變形局部化和缺陷引起的多個(gè)變形帶隨機(jī)分布(變形分散化)，共同作用所決定的。本文還研究了隨機(jī)移除胞壁對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)換臨界速度的影響，給出了臨界速度的近似公式。對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力速度效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形模式為過渡模式和動(dòng)態(tài)模式時(shí)，平臺(tái)應(yīng)力與沖擊速度的平方成正比。相同密度下，低缺陷蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力在由過渡模式向動(dòng)態(tài)模式轉(zhuǎn)變的臨界速度附近高于規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)，較高的隨機(jī)缺陷則使蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力在由準(zhǔn)靜態(tài)模式向過渡模式轉(zhuǎn)變的臨界速度附近顯著下降。本文還研究了含隨機(jī)固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。通過對(duì)不同孔洞填充比的蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形過程進(jìn)行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)與相同密度的規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)具有相同的變形模式和臨界速度。準(zhǔn)靜態(tài)模式下，隨孔洞填充比的增加，蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力顯著下降。蜂窩結(jié)構(gòu)變形為過渡模式或動(dòng)態(tài)模式時(shí)，固體填充孔將導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊面應(yīng)力出現(xiàn)尖峰，在應(yīng)力尖峰以外的區(qū)域，蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力可通過具有相同壁厚的規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力估算。

蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的速度效應(yīng)，與沖擊速度的平方成線性關(guān)系。低速?zèng)_擊下，含固體填充孔的蜂窩結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力隨孔洞填充比的增大而顯著降低，隨著沖擊速度的提高，一方面固體填充孔導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)應(yīng)力尖峰，提高了蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能能力，另一方面含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)中的崩塌變形耗散能高于規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)中的逐層剪切變形耗散能，含固體填充孔蜂窩結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力在較高的沖擊速度下可以比規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)力提高10%以上。對(duì)滲流法制備開孔泡沫金屬時(shí)鹽粒的幾何堆積方式進(jìn)行了討論，提出了引入二級(jí)孔洞，通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來優(yōu)化泡沫金屬宏觀力學(xué)性能的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了優(yōu)化的三維開孔泡沫金屬絀觀幾何構(gòu)型。

對(duì)泡沫金屬壓縮變形機(jī)理的分析表明，單一孔徑泡沫金屬變形主要為斜桿的彎曲變形，引入二級(jí)孔洞后，更多的實(shí)體材料參與變形，泡沫金屬中同時(shí)存在胞桿的軸向壓縮與彎曲變形，提高了泡沫金屬的強(qiáng)度，并使材料表現(xiàn)出與單一孔徑泡沫金屬不同的塑性流動(dòng)特性。對(duì)雙重孔徑泡沫金屬的實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料性能的優(yōu)化作用，材料彈性模量和屈服強(qiáng)度分別比單一孔徑泡沫金屬提高48%及19%，最優(yōu)的孔徑比和孔洞體積比分別為0.4和0.07～0.1。本文對(duì)單一孔徑和雙重孔徑泡沫金屬的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行了有限元模擬，得到不同相對(duì)密度和孔徑比的開孔泡沫金屬等效熱傳導(dǎo)系數(shù)。通過最小二乘法獲得了雙重孔徑泡沫金屬的屈服應(yīng)力和隔熱參數(shù)的擬合函數(shù)式，建立了包含強(qiáng)度、隔熱和輕質(zhì)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，在構(gòu)件質(zhì)量一定的情況下，采用約束法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)使隔熱性能最優(yōu)的泡沫金屬細(xì)觀參數(shù)。最后，求得了相同質(zhì)量的泡沫金屬板構(gòu)件隔熱參數(shù)—屈服應(yīng)力關(guān)系圖，對(duì)單一孔徑泡沫金屬板和雙重孔徑泡沫金屬板性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)雙重孔徑泡沫金屬板綜合性能要顯著優(yōu)于單一孔徑泡沫金屬板。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：齊齊哈爾工程學(xué)院）