泡沫鋼的制備及三點彎曲性能

孫亞東， 周 蕓， 郭坤山， 楊一群， 李和汀， 左孝青

(昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明650093)

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泡沫鋼的制備及三點彎曲性能

孫亞東， 周 蕓， 郭坤山， 楊一群， 李和汀， 左孝青

(昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明650093)

為了制備孔隙率較高、孔結構均勻、性能優良的泡沫鋼板及夾芯復合板,以316L不銹鋼粉為原料，CaCl2為造孔劑，采用粉末冶金燒結-溶解法制備不同孔隙率、孔徑的泡沫鋼，并用物理粘接法制備泡沫鋼夾芯復合板。通過對泡沫鋼板和夾芯復合板進行三點彎曲實驗研究兩者的抗彎曲性能。觀察泡沫鋼板的三點彎曲變形過程，分析孔隙率和孔徑對泡沫鋼板和夾芯復合板抗彎曲性能的影響，對比兩者的極限抗彎載荷變化。結果表明：泡沫鋼板的變形首先從薄壁不規則的孔壁開始，形成裂紋并進行擴展，最終導致宏觀斷裂；對于泡沫鋼夾芯復合板，當孔隙率從69.4%增加至82.5%時，其所能承受的極限載荷從2345 N下降至1254 N，在相同孔隙率下,相比于泡沫鋼板，夾芯板承受的極限彎曲載荷提升了15%～43%;當孔徑從1.9 mm增加至3.9 mm，孔隙率約為73%時，其所能承受的極限彎曲載荷從2070 N下降至1528 N，與泡沫鋼板相比，相同孔徑下，夾芯板承受的極限彎曲載荷提升了15%～28%;在孔隙率和孔徑相同條件下，泡沫鋼夾芯復合板的抗彎承載能力比泡沫鋼板提高15%以上。

316L不銹鋼；造孔劑；泡沫鋼；泡沫鋼夾芯復合板；三點彎曲

泡沫鋼是金屬多孔材料研究領域中新近開發的一種新型結構功能材料。相對于目前研究最為廣泛的泡沫鋁等低熔點泡沫金屬來說，泡沫鋼具有更突出的優點，比如,高強度、高熔點及可與鋼結構共容、易焊接等，尤其是泡沫鋼具有比泡沫鋁高很多的抗壓強度、抗沖擊性、吸能性、耐高溫性等優點[1-2]。另外，與傳統的實體鋼材料相比，泡沫鋼具有輕質、比表面積大、比強度高、減震吸能、消音降噪、多孔過濾、電磁屏蔽等優點，因而可作為輕型結構材料、吸能減震材料、散熱材料、過濾材料、電極材料、消音材料、電磁屏蔽材料、生物醫用材料[3-6]。

以泡沫鋼為芯層，金屬板為面板的泡沫鋼夾芯復合板不僅具有以上泡沫鋼芯層材料的特點，同時又因金屬板的存在，使泡沫鋼夾芯復合板具有更加高的強度和剛度，因此這種非傳統的泡沫鋼夾芯板復合材料，在航空航天業、汽車制造業、船舶制造業、高層建筑業、冶金化工業、包裝工業、橋梁及交通運輸業等領域有著廣闊的應用前景，如航天航空業中使用的超輕結構件、散熱面板、減震消聲裝置[7-9]。

目前國內外公開報道的泡沫鋼的制備方法主要有熔體金屬發泡法、空心球燒結法、滲流鑄造法、電沉積法、粉末冶金法等方法[1,10]。熔體金屬發泡法對于高熔點的鋼鐵材料，發泡過程中孔尺寸和分布很難控制；空心球法工藝流程長、成本高；滲流鑄造法對預制件要求高，滲流后去除預制體困難；沉積法設備要求高，不適合制作大塊體材料。相比于其他方法而言，燒結-溶解法是一種工藝相對簡單、流程短且工藝重復性較好的方法，它可以通過控制加入造孔劑的含量和尺寸來控制孔隙率和孔徑，通過控制造孔劑的分布和形狀來控制孔的分布和孔形貌，制備出孔結構相對均勻、性能優良的泡沫鋼。對于粉末冶金燒結-溶解法，造孔劑的選擇對控制泡沫鋼的孔形結構和孔隙率至關重要。Bekoz 和Oktay[2,11]以尿素顆粒為造孔劑制備出孔隙率為48%～71%的泡沫鋼樣品，并研究了尿素對孔隙率、孔形和抗壓性能的影響。Gülsoy 和German[12]也以尿素為造孔劑制備出孔隙率為40%～60%的泡沫鋼樣品。Joshi 和 Gupta[13]以針狀尿素為造孔劑制備出孔隙率為40%～60%的不銹鋼泡沫樣品。從現有的文獻可以看出，尿素是作為造孔劑制備泡沫鋼的普選材料。然而，尿素作為造孔劑有許多不足，由于尿素熔點低，需要在壓坯燒結前水洗去除，因而容易引起壓坯破壞，難以制備高孔隙率的泡沫材料，同時工藝過程繁瑣。CaCl2化學穩定性好、熔點高、無毒、水溶性好、低成本，有可能成為制備高熔點泡沫金屬的理想造孔劑材料。

本工作以CaCl2為造孔劑、316L不銹鋼粉為原料，采用粉末冶金燒結-溶解法制備不同孔隙率、孔徑的泡沫鋼，并用物理粘接法制備泡沫鋼夾芯復合板。通過對泡沫鋼板和夾芯復合板進行三點彎曲實驗研究兩者的抗彎曲性能。觀察泡沫鋼板的三點彎曲變形過程，分析孔隙率和孔徑對泡沫鋼板和夾芯復合板抗彎曲性能的影響。

1 實驗材料和方法

1.1實驗材料

泡沫鋼的原材料為霧化法生產的316L不銹鋼粉(成分見表1)，造孔劑為無水CaCl2，黏結劑為純度大于99.9%的無水乙醇。

表1 316L不銹鋼粉成分(質量分數/%)

圖1 泡沫鋼的制備工藝Fig.1 Process of steel foam fabrication

實驗工藝路線如圖1所示。按一定配比將316L不銹鋼粉和無水氯化鈣均勻混合，向混合料中添加總量的3%～5%的無水乙醇，置于V型混料機中充分混合。將充分混合后的粉料置于壓坯模具(內徑為φ60 mm)中，用單向加載液壓機(JYE-2008)進行壓坯，根據不同的配料比保壓適當的時間。壓坯、脫模后的坯料置于智能恒溫干燥箱中，干燥溫度設置為150 ℃，干燥時間為120 min，去除坯體中的無水乙醇。干燥完成后的坯體置于KSXQ-8-14型箱式氣氛(氬氣)燒結爐中，先以20 ℃/min的升溫速率加熱到300 ℃保溫60 min，隨后以10 ℃/min的升溫速率分別加熱到400 ℃，500 ℃，600 ℃和700 ℃，并在每個目標溫度下保溫20 min。分別加熱到400 ℃，500 ℃，600 ℃和700 ℃的原因是：階梯式升溫，一方面可以防止因燒結速率過快導致樣品殘余的水分和酒精快速氣化從而使得樣品出現開裂現象；另一方面可以使得樣品在燒結過程中受熱均勻，同時可以讓粉末顆粒在低溫階段發生預燒結，縮短高溫階段的燒結時間。最后以相同的升溫速率加熱到1200 ℃保溫120 min，燒結過程中壓力為0.4 kPa，燒結完成后隨爐冷卻。將燒結完成后的樣品置于沸水中反復溶解，去除泡沫鋼中殘余的CaCl2，樣品取出干燥，即得到實驗所用的泡沫鋼樣品。

實驗中，通過控制造孔劑CaCl2顆粒的大小和形狀來控制泡沫鋼中孔的大小和形狀。通過控制造孔劑配料體積分數來控制樣品的孔隙率。

1.2樣品制備及檢測

圖2為切割好的泡沫鋼板樣品，尺寸為45 mm(l)×24 mm(b)×10 mm(h)。

圖2 泡沫鋼板樣品圖Fig.2 Samples of steel foam

將切割好的泡沫鋼板樣品用物理粘接法[14]與鋁板緊密連接，制備實驗所用的泡沫鋼夾芯復合板，具體制備過程為：粘接前，首先對泡沫鋼表面進行處理；用干凈的砂紙對表面進行均勻打磨，用無水乙醇清洗，使表面潔凈并去除孔內殘留雜質；在潔凈的泡沫鋼表面上均勻涂覆一層黏結劑(愛牢達丙烯酸黏結劑Araldite2022)；涂覆完成后，將厚度為1 mm的鋁板上下粘接在泡沫鋼上，并于適當溫度下，進行保壓處理；保壓一段時間后，取出泡沫鋼夾芯復合板并對粘接處進行觀察，觀察是否有開裂或連接不均的位置，最后將泡沫鋼夾芯復合板干燥保存。圖3為泡沫鋼夾芯復合板樣品圖。采用三點彎曲測試法[15]，將不同孔徑和不同孔隙率的泡沫鋼與泡沫鋼夾芯復合板分別置于萬能試驗機下進行準靜態彎曲測試。設備為100 KN型萬能試驗機，加載速率為0.5 mm/min，并用數碼相機記錄樣品彎曲變形過程。

2 結果與分析

2.1泡沫鋼板的彎曲性能

泡沫鋼板的三點彎曲變形過程如圖4所示。從圖4中可以清楚地觀察到，泡沫鋼板樣品在三點彎曲壓縮實驗過程中經歷了4個變形階段：(a)原始階段；(b)孔壁塌陷階段；(c)裂紋形成階段；(d)裂紋擴展階段。在實驗開始前，即原始階段，泡沫鋼樣品表面無宏觀裂紋和其他缺陷形成，樣品局部有孔壁厚度不均、孔形不規則的孔。這是由于在壓坯過程中，顆粒之間受力不均，表面接觸程度不同，同時在燒結過程中，內外溫度分布不均，造成不同的內外燒結溫度場，導致局部區域孔形不規則、孔壁厚度不均勻。泡沫樣品中孔形不規則、孔壁較薄的孔結構，如圖4(a)中箭頭1所示。隨著壓頭位移的不斷增加，作用在樣品表面的載荷也不斷增大，可以明顯看出圖4(b)箭頭1處的孔壁明顯變形塌陷。隨著施加載荷增大，可以觀察到圖4(c)箭頭1處的孔壁完全塌陷并與相鄰孔(箭頭2)形成小裂紋。最后，當載荷達到一定程度后，圖4(d)箭頭1處裂紋向外進行擴展，箭頭2處有新裂紋形成。

圖3 泡沫鋼夾芯復合板樣品圖Fig.3 Samples of steel foam-sandwich panels

從彎曲變形過程圖可以看出樣品的變形首先從泡沫鋼孔壁最薄和孔形不規則處的位置開始，隨著載荷增大，孔壁較薄的結構完全塌陷并形成細小裂紋，裂紋擴展最終導致樣品宏觀斷裂。

圖4 泡沫鋼板三點彎曲變形過程圖 (a)初始階段；(b)孔壁塌陷階段；(c)裂紋形成階段；(d)裂紋擴展階段Fig.4 Three-point bending process of steel foam (a)initial stage；(b)cell wall collapse；(c)crack forming ；(d)crack propagation

2.1.1 孔隙率對抗彎性能的影響

圖5為不同孔隙率的泡沫鋼板載荷-位移曲線圖。

圖5 不同孔隙率泡沫鋼板的載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of steel foam with different porosities

從圖5可以看出,泡沫鋼板的載荷-位移曲線呈現彈性、屈服、失穩三個變形階段。隨著孔隙率的增加，樣品所能承受的極限彎曲載荷減小，同時在彎曲變形的初始階段其曲線斜率也降低，曲線變得平緩。這是因為孔隙率越大，金屬基體材料所占據的空間比例越小，孔與孔之間的孔壁厚度減小，在彎曲過程中，承擔彎曲載荷的主要是連接基體之間的泡沫鋼孔壁結構，孔壁厚度越大，所能夠承受的彎曲載荷越高。因此，隨著泡沫鋼樣品孔隙率增大，孔壁厚度減小，其能夠承受的彎曲載荷降低，抗彎曲變形能力下降。

在三點彎曲測試下，樣品最大抗彎強度的計算公式如式(1)所示[16]。

(1)

式中：σbb為抗拉強度；P為極限彎曲載荷；L為跨距；b為樣品寬度；h為樣品厚度。L/bh2定義為尺寸因子。在三點彎曲測試下，泡沫鋼和泡沫鋁的抗彎曲性能參數如表2所示。由表2中提供的各自尺寸參數及跨距L，可計算出泡沫鋼的尺寸因子為0.0146 mm-2,泡沫鋁的尺寸因子為0.05 mm-2。泡沫鋁的尺寸因子大于泡沫鋼，通過(1)式的計算，泡沫鋼的最大抗彎強度卻大于泡沫鋁，因此如果對在相同尺寸下(即L，b，h相同)的泡沫鋁和泡沫鋼進行比較，則泡沫鋼的最大抗彎強度會比泡沫鋁高更多。

表2為泡沫鋼和泡沫鋁的彎曲性能比較。由表2可知,隨著孔隙率的不斷增大，泡沫鋼所能承受的極限彎曲載荷和抗彎強度呈現不斷下降的趨勢。相比于泡沫鋁，在厚度和孔隙率相接近的條件下，泡沫鋼所能承受的極限載荷遠遠高于泡沫鋁，呈現出更高的抗彎強度。

表2 泡沫鋼和泡沫鋁的彎曲性能比較

Note：Beam span of steel foam and aluminum foam are 35 mm and 50 mm respectively.

2.1.2 孔徑對抗彎性能的影響

將孔徑參數分別為1.9 mm，2.8 mm，3.9 mm,孔隙率約為73%的泡沫鋼板樣品進行三點彎曲測試，得到如圖6所示的不同孔徑泡沫鋼板的載荷-位移曲線圖。

圖6 不同孔徑泡沫鋼板的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of steel foam with different pore sizes

從圖6可以看出，隨著孔徑增大，泡沫鋼板所承載的極限載荷降低，同時在彎曲變形的初始階段其曲線斜率也降低。這是因為在燒結金屬多孔材料中很難獲得均勻分布的球形孔，且燒結后期部分孔結構發生變形，孔結構呈現不規則，對于這些不規則的孔，在外加載荷的作用下，凹凸處易產生應力集中并萌發裂紋，會顯著降低材料的力學性能。孔徑對材料力學性能的影響與孔形狀有著很大的聯系，孔徑越大孔的規則性越不易得到控制。

燒結多孔材料的強度、密度和孔形因子之間的關系經統計分析得到式(2)[18]：

σbb=αρnFm

(2)

式中：σbb為抗彎強度；ρ為材料密度；F為孔形因子；α，n，m為常數。

孔形因子F一般情況下會隨著孔徑的增大而降低，從而使得抗彎強度降低。同時，從另一方面來看，孔徑越小，孔結構數量越多，分布越均勻，孔壁形成的構架越穩定。在外力作用下，這些孔壁能夠起到力的支撐點和擴散路徑的作用。因此，樣品孔徑越小、分布越均勻，其抗彎曲變形能力越強。

2.2泡沫鋼夾芯復合板的彎曲性能

2.2.1 孔隙率對抗彎性能的影響

如圖7為不同孔隙率泡沫鋼夾芯板的載荷-位移曲線。

圖7 不同孔隙率泡沫鋼夾芯復合板的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of steel foam-sandwich panels

從圖7可以看出，夾芯復合板與泡沫鋼板具有相似的載荷-位移曲線。隨著孔隙率的增加，其所能承受極限載荷不斷減小，且在變形初試階段曲線斜率減小，曲線變得平緩。也就是說，孔隙率越高，所能承受極限載荷越小，其彎曲變形曲線初始變形階段越平緩，失穩斷裂較緩慢；反之，孔隙率越小，所能承受極限載荷越大，曲線初始變形階段越陡，失穩斷裂加快。這是因為，孔隙率低的夾芯復合板，其芯層泡沫鋼強度高，比鋁板具有更高的抗彎曲載荷能力，當載荷達到一定程度并超出鋁板所承受能力時，鋁板便開始變形，并傳遞載荷給芯層，由于載荷較大，導致在短時間內芯層裂紋快速擴展，最終引起芯層內部快速發生失穩斷裂。孔隙率較大的夾芯復合板，其芯層強度低，在外界載荷作用下，芯層和鋁板能夠同時進行彎曲變形，即兩者協同變形，當載荷使得芯層發生斷裂后，其鋁板能夠繼續承受彎曲載荷并保持一段時間，這就使得夾芯復合板失穩斷裂階段緩慢進行，載荷平緩降低。

不同孔隙率影響下的泡沫鋼板與夾芯復合板的載荷對比如圖8所示。

圖8 不同孔隙率泡沫鋼板與夾芯復合板的載荷對比圖Fig.8 Comparison of the load of steel foam and sandwich panels with different porosities

由于夾芯梁的截面高度遠小于橫梁跨距，因此橫力彎曲時切應力的影響可以忽略不計，將梁的彎曲理論應用于上下表面板厚度相同的夾芯梁結構,可得等效彎曲剛度為[19]：

(3)

式中：Ef，Ec分別表示為面板的彈性模量、夾芯的彈性模量；b，c和t分別為夾芯梁的寬度、夾芯層的厚度和面板的厚度。式(3)中，第一項和第二項分別表示板面和泡沫芯部對彎曲剛度的貢獻，第三項表示面板和泡沫芯形成夾芯板時對彎曲剛度產生的疊加效應。根據上述公式分析可知，對于夾芯復合板構成的層合梁而言，面板、芯層和膠結部分對彎曲剛度均有一定的貢獻，而單獨的泡沫鋼芯層只有自身對剛度產生作用，尺寸相近的夾芯板和芯層在產生相同撓度變形時，夾芯板所能承受的極限載荷遠高于泡沫鋼芯層所承受的極限載荷，即泡沫芯層在面板的支撐作用下的抗彎曲變形性能明顯優于單獨的泡沫鋼芯層，這與圖8所表現的曲線結果一致。

2.2.2 孔徑對抗彎性能的影響

圖9為孔隙率相同約為73%，孔徑不同的夾芯復合板與泡沫鋼板承受的最大彎曲載荷對比圖。

圖9 不同孔徑泡沫鋼板與夾芯復合板的載荷對比圖Fig.9 Comparison of the load of steel foam and sandwich panels with different pore sizes

從圖9可以看出，隨著孔徑的增大，夾芯復合板與泡沫鋼板所能承受的極限載荷均降低，抗彎強度下降。隨著孔徑由1.9 mm增加至3.9 mm時，泡沫鋼板所承受的最大彎曲載荷由1765 N降低至1100 N,而夾芯板所承受的最大彎曲載荷由2070 N降低至1528 N。夾芯復合板與泡沫鋼板相比，其極限抗彎載荷提高15%～28%。孔徑越大，對應的夾芯復合板的抗彎強度與泡沫鋼板相比提高越顯著。說明夾芯層泡沫鋼的孔徑越大其強度越低，在彎曲變形過程中表層鋁板所起的承載作用越明顯。

3 結 論

(1)以CaCl2為造孔劑，316L不銹鋼粉為原料，采用粉末冶金燒結-溶解法制備了孔隙率為60%～83%、孔徑為1.9～3.9 mm的泡沫鋼芯，并用物理粘接法制備了泡沫鋼夾芯復合板。

(2)泡沫鋼板在三點彎曲變形過程中經歷孔壁塌陷階段、裂紋形成階段、裂紋擴展階段，變形首先從泡沫鋼孔壁最薄和孔形不規則處開始，隨著載荷增大，孔壁較薄的結構完全塌陷并形成細小裂紋，裂紋擴展最終導致品宏觀斷裂。

(3)隨著孔隙率由69.4%增加至82.5%時，泡沫鋼板所承受的極限彎曲載荷由1977 N降低至712 N,而泡沫夾芯板的所承受極限彎曲載荷由2345 N降低至1254 N。夾芯復合板與泡沫鋼板相比，其抗彎變形能力提高15%～43%，芯層泡沫鋼孔隙率越高，對應的夾芯復合板的抗彎能力與泡沫鋼板相比提高越顯著。

(4)隨著孔徑由1.9 mm增加至3.9 mm時，泡沫鋼板所承受的極限彎曲載荷由1765 N降低至1100 N,而夾芯板復合板的所承受極限彎曲載荷由2070 N降低至1528 N。夾芯復合板與泡沫鋼板相比，其抗彎能力提高15%～28%。芯層泡沫鋼孔徑越大，對應的夾芯復合板的抗彎能力與泡沫鋼板相比提高越顯著。

本次研究的治療療效評價標準主要根據患者心絞痛發作次數及硝酸酯類用量情況,劃分成顯效、有效和無效三個等級,其中的顯效是指患者心電圖ST-T恢復正常,心絞痛發作次數或硝酸酯類用量≥80%;有效是指患者心電圖ST-T回升0.5mm,心絞痛發作次數或硝酸酯類用量控制在50%~80%;無效是指心電圖沒有出現變化,心絞痛發作次數或硝酸酯類用量<50%,或者患者出現病情加重或死亡。總有效率(%)=(顯效患者例數+有效患者例數)/總患者例數*100%。

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(責任編輯：徐永祥)

PreparationandThree-pointBendingPerformanceofSteelFoamPlate

SUN Yadong， ZHOU Yun， GUO Kunshan， YANG Yiqun， LI Heting， ZUO Xiaoqing

(Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)

In order to fabricate steel foams with high porosity，uniform pore structure and high-performance, steel foams with different porosities and cell sizes were fabricated by a sintering-dissolution process using 316L stainless steel powder as raw material and CaCl2as pore forming agent， and steel foam-sandwich panels were fabricated by physical bonding. Three-point bending tests were carried out to explore the bending performance of steel foam and steel foam-sandwich panels . The influence of the porosity and cell size of foam sample on the bending load was analyzed and discussed，and the bending strength of steel foam -sandwich panel was compared with steel foam sample. The results show that the bending deformation of steel foam is started at the weakest cell wall firstly，then the cracks are initiated and propagated，eventually the macroscopic fracture is caused. For steel foam-sandwich panels，the maximum load is reduced from 2345 N to 1254 N when the porosity is increased from 69.4% to 82.5%，whereas the maximum bending load of steel foam- sandwich panels is increased by 15%-43% with the same porosity . When the cell size is increased from 1.9 mm to 3.9 mm and the porosity is about 73%，the maximum bending load is reduced from 2070 N to 1528 N，whereas the maximum bending load of steel foam- sandwich panels is increased by 15%-28% with the same pore size. Under the same porosity and pore size，the steel foam-sandwich panels have excellent resistance to bending at least 15% higher than the steel foam.

316L stainless steel；pore forming agent；steel foam；steel foam-sandwich panels；three-point bending

2016-12-15；

2017-03-21

國家自然科學基金資助項目(51264024)

周蕓(1963—)，女，博士，教授，主要從事新型金屬多孔材料方面的研究，(E-mail)zyuncrystal@yahoo.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000216

TB34

： A

： 1005-5053(2017)04-0077-07