規(guī)則多孔銅壓縮性能的各向異性

黃 峰, 楊天武, 李再久, 黎振華, 金青林, 周 榮

(昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093)

規(guī)則多孔銅壓縮性能的各向異性

黃 峰, 楊天武, 李再久, 黎振華, 金青林, 周 榮

(昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093)

在氫氣或氫氣和氬氣的混合高壓氣氛中，采用定向凝固技術制備規(guī)則多孔銅材料；在室溫下測試不同氣孔率規(guī)則多孔銅在不同方向的壓縮性能；研究氣孔率和壓縮方向對規(guī)則多孔銅力學性能的影響規(guī)律。結果表明：當氣孔率和壓縮方向不同時，規(guī)則多孔銅的壓縮應力—應變曲線表現(xiàn)出不同的特征；當壓縮方向相同時，規(guī)則多孔銅的壓縮屈服強度隨氣孔率的增加而降低；規(guī)則多孔銅的力學性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，其屈服強度和能量吸收能力隨著壓縮方向與氣孔方向夾角的增大而減小；當壓縮方向與氣孔方向的夾角為0°時，其屈服強度和能量吸收能力最大。

規(guī)則多孔銅; 定向凝固; 屈服強度; 壓縮變形

多孔金屬材料由于其密度低、剛度大、比表面大、減震性能好及消聲效果好等優(yōu)異性能，正逐漸成為一種常用的工程材料，在一些高技術領域獲得了廣泛的應用[1?3]。

傳統(tǒng)方法制備的多孔材料，如燒結型和發(fā)泡型，由于孔洞形狀不規(guī)則、分布無規(guī)律性及孔洞內表面不光滑，容易引起應力集中效應，從而降低基體的力學性能，如較低的抗拉強度和延展性[4?5]。1993年，SHAPOVALOV[6]提出了一種利用金屬?氣體共晶定向凝固制備規(guī)則多孔金屬的新方法。該方法制備的多孔材料其氣孔呈圓柱形且排列方向一致，通常稱為規(guī)則多孔材料。規(guī)則多孔材料與傳統(tǒng)多孔材料相比，具有優(yōu)異的性能，如較小的應力集中、較優(yōu)的力學性能和較強的導熱能力等[7?9]。作為一種性能優(yōu)異的工程材料，規(guī)則多孔金屬材料的力學性能受到研究者們的廣泛關注，并取得了許多成就。SIMONE和GIBSON[10]研究了規(guī)則多孔金屬的單向壓縮性能，發(fā)現(xiàn)其壓縮性能與氣孔率密切相關。隨后，HYUN和NAKAJIMA[11]及TANE和IKEDA[12]

的研究進一步表明：多孔金屬的壓縮性能不但依賴于氣孔率，還與氣孔方向密切相關。 最近，劉新華等[13?14]

對規(guī)則多孔銅的壓縮性能進行了研究，并建立了沿垂直于氣孔和平行于氣孔方向的壓縮變形本構關系。但是，已有壓縮特性的研究多局限于平行或垂直于氣孔的方向，并不能完整地描述規(guī)則多孔材料的各向異性。因此，本文作者通過不同方向的單向壓縮實驗，進一步研究規(guī)則多孔金屬材料不同氣孔方向的壓縮特性，找出壓縮方向對規(guī)則多孔金屬材料壓縮性能的影響規(guī)律，為其實際應用提供依據(jù)。

圖1 規(guī)則多孔銅的定向凝固裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of solidification apparatus for ordered porous copper: (a) Melting; (b) Solidification

圖2 規(guī)則多孔銅的橫截面和縱截面照片(氣孔率為0.48)Fig.2 Photographs of ordered porous copper with porosity of 0.48: (a) Transverse section; (b) Longitudinal section

1 實驗

1.1 規(guī)則多孔銅的制備

規(guī)則多孔銅在自行研制的真空感應熔煉高壓定向凝固裝置中制備，如圖1所示。在高壓氫氣或氫氣和氬氣的混合氣體下，通過電磁感應加熱，在坩堝中熔煉高純度銅(99.99%)。在熔煉溫度為1 143 ℃，保溫 30 min，使氫氣充分溶入熔體中。之后，提起控制桿使坩堝旋轉 90°，熔體順著漏斗流入帶有水循環(huán)冷卻裝置且側面保溫的鑄型中進行自下而上的定向凝固。由于氫氣在銅的固相與液相中存在溶解度差異，在定向凝固過程中，溶解在銅溶液中的氫氣在固?液相線逸出，形成平行于凝固方向的圓柱狀氣孔。通過控制氫氣和氬氣的氣壓及凝固速度，得到不同氣孔率(p)的鑄錠。

圖2所示為試樣的縱截面和橫截面照片。所獲圓柱形鑄錠的直徑為60 mm，最大高度隨所用爐料的質量及氣孔率而變化。材料整體的氣孔率根據(jù)Archimedes原理用排水法測得。

1.2 壓縮實驗

按 GB/T7314—2005設計圓柱體的壓縮試樣，試樣直徑為10 mm、高為18 mm，其照片如圖3所示。用電火花線切割機從鑄錠中切取氣孔方向與壓縮方向呈 0°、30°、45°、60°和 90°角的試樣(分別簡稱為 0°、30°、45°、60°和 90°方向)，用來研究規(guī)則多孔材料在不同氣孔方向的力學性能。

圖3 氣孔方向與壓縮方向呈不同角度規(guī)則多孔銅的壓縮試樣照片(氣孔率為0.48)Fig.3 Photographs of order porous copper with porosity of 0.48 for compressive test at different angles between pore axis and compressive direction: (a), (a′) 0°; (b), (b′) 30°; (c), (c′) 45°; (d), (d′) 60°; (e), (e′) 90°

圖4 不同氣孔率規(guī)則多孔銅在90°方向的應力—應變曲線Fig.4 Compressive stress—strain curves of ordered porous copper with different porosities in 90° compressive direction

室溫下，壓縮實驗在量程為 100 kN 的 CSS?44100電子萬能試驗機上進行，壓縮速率為1 mm/min。利用計算機記錄載荷和壓頭位移值，通過載荷和位移值得到應力—應變曲線。在應力—應變曲線上以0.2%殘留應變時的應力作為屈服強度。

2 結果與討論

2.1 多孔銅的壓縮特征

不同氣孔率規(guī)則多孔銅的應力—應變曲線如圖 4所示。由圖4可知：應力—應變曲線的斜率隨著氣孔率的增加而減小，即應變相同時氣孔率大的試樣的應力小。這表明，隨著氣孔率的增加，試樣越容易被壓縮。

在不同壓縮方向上規(guī)則多孔銅的應力—應變曲線如圖5所示。當試樣氣孔率相同時，其應力—應變曲線的斜率與壓縮方向相關，表現(xiàn)出明顯的各向異性。在低應變階段，曲線的斜率隨著壓縮方向與氣孔方向夾角的增大而減小，即0°方向斜率最大，30°、45°、60°和90°方向的斜率依次減小。然而，在高應變階段，曲線斜率的變化正好相反，90°方向斜率增至最大，60°、45°、30°和 0°方向的斜率依次減小。

規(guī)則多孔銅材料的應力—應變曲線因壓縮方向不同而顯示出不同的特征，這可能由以下兩方面的原因造成。

首先，變形方式不同。規(guī)則多孔銅壓縮變形方式取決于壓縮方向與氣孔方向。以氣孔率為0.48的規(guī)則多孔銅材料為例，其壓縮試樣不同變形量(應變分別為0.1、0.3、0.5和0.8)的縱截面如圖6所示。由圖6可以看出：0°方向試樣單向壓縮時向兩側產(chǎn)生膨脹而呈對稱的鼓形，變形以孔壁塑性屈曲為主?？妆谑艿綁嚎s載荷作用先產(chǎn)生軸向壓縮鐓粗變形，然后產(chǎn)生塑性彎曲，繼而塌陷和折疊變形而逐漸密實化?？妆诘膹澢驼郫B變形是主要的變形形式。90°方向試樣單向壓縮時沒有產(chǎn)生膨脹而呈鼓形，變形以氣孔的塑性屈曲為主。低應變時，發(fā)生氣孔塑性壓扁和塌陷而改變氣孔結構為主的塑性變形。當壓縮進一步進行時，氣孔發(fā)生嚴重的塑性塌陷，繼而逐漸密實化。30°、45°和60°方向因載荷和結構的不對稱產(chǎn)生與壓縮方向呈一定角度傾斜變形；30°方向變形類似 0°方向變形，兩側產(chǎn)生少量膨脹但不是很明顯，孔壁發(fā)生彎曲和折疊變形；60°方向變形類似90°方向，以氣孔塑性屈曲為主。當應變?yōu)?.5時，45°、60°和90°方向試樣基本壓實，而 0°和 30°方向還有一定量的氣孔。顯然，規(guī)則多孔銅的壓縮變形主要以氣孔孔壁塑性變形為主，應力—應變曲線的形狀變化與氣孔結構的變形特征有關。

圖5 在不同壓縮方向上規(guī)則多孔銅的應力—應變曲線(氣孔率為0.34)Fig.5 Stress—strain curves of ordered porous copper with porosity of 0.34 in different compressive directions

圖6 多孔規(guī)則銅試樣在不同壓縮方向及不同應變下的縱截面圖(氣孔率為0.48)Fig.6 Photographs of vertical cross-sections of ordered porous copper with porosity of 0.48 in different compression directions after compression test at different strains

另外，不同壓縮方向上氣孔周圍的應力集中程度不同。應力集中對多孔材料的力學性能有很大的影響，其強度隨著應力集中的增加而減小[11]。一般用應力集中系數(shù)表示應力集中程度，其表達式為

式中：K為應力集中系數(shù)；σn為名義應力；σmax為最大局部應力。根據(jù)文獻[15]中應力集中系數(shù)表計算得出：當氣孔率和孔徑相同時，0°方向的應力集中系數(shù)最?。?0°、45°、60°和 90°方向的應力集中系數(shù)依次增大。應力集中系數(shù)越大，σmax越大，即氣孔周圍的最大應力越大，當σmax達到屈服應力時，氣孔發(fā)生變形。因此，壓縮方向與氣孔方向夾角越大的試樣越易發(fā)生變形，即低應變時應力—應變曲線斜率越小。

由此，應力—應變曲線因壓縮方向不同而顯示不同特性，這可能由變形方式和應力集中效應不同引起。

圖7 不同壓縮方向上規(guī)則多孔銅屈服強度與氣孔率的關系Fig.7 Relationship between compressive yield strength and porosity of ordered porous copper in different compressive directions

圖8 0°、30°、45°、60°和 90°方向試樣承載面積示意圖Fig.8 Schematic diagrams of load-bearing areas in different directions: (a) 0°; (b) 30°; (c) 45°; (d) 60°; (e) 90°

2.2 多孔銅的壓縮屈服強度

試樣在不同壓縮方向上的屈服強度與氣孔率的關系如圖7所示。由圖7可知，各個壓縮方向上試樣的屈服強度都隨氣孔率的增加而減少。

當氣孔率相同時，規(guī)則多孔銅的屈服強度隨壓縮方向與氣孔方向夾角的增大而減小，即0°方向的屈服強度最大，30°、45°、60°和 90°方向的屈服強度依次減小。這主要由以下3方面的原因引起。

1) 氣孔方向與壓縮方向的變化導致有效承載面積變化。一般來說，有效承載面積越大，能承載的載荷越大。0°、30°、45°、60°和 90°方向試樣的承載面積如圖8所示。圖8中：R為氣孔半徑，白色區(qū)域為有效承載面。當氣孔率相同時，0°方向的有效承載面積最大，30°、45°、60°和90°方向的有效承載面積依次減小，所以，屈服強度隨壓縮方向與氣孔方向夾角的增大而減小。

2) 材料由定向凝固而成的柱狀晶組成，其晶粒具有一定的擇優(yōu)取向，不同壓縮方向上的晶向不同。對于面心立方(FCC)材料，其彈性和屈服行為與晶向有很大關系[10]。沿原子密度最大的晶向的屈服強度，顯示出明顯的優(yōu)越性[16]。圖9所示為規(guī)則多孔銅的XRD譜。從圖9可知，與致密純銅的XRD譜相比，規(guī)則多孔銅的擇優(yōu)取向晶面為(220)，即規(guī)則多孔銅晶粒的生長方向為?110?晶向，因此，氣孔的軸向也與晶粒生長方向?110?晶向相同。銅是面心立方(FCC)晶體結構，其原子密排方向是?110?晶向，所以，沿著該晶向的力學性能具有明顯的優(yōu)勢。當壓縮方向不同時，壓縮載荷與柱狀晶的生長方向不同，屈服強度表現(xiàn)出差異。0°方向試樣壓縮方向與晶粒生長方向平行，即為原子密排方向，所以，其屈服強度最大。

3) 不同壓縮方向上氣孔周圍引起應力集中程度不同，其對材料的力學性能有較大的影響[10?11]。材料的強度隨應力集中的增加而減小[11]。當氣孔率和孔徑相同時，應力集中系數(shù)隨壓縮方向與氣孔方向夾角的增大而減小，所以，0°方向的屈服強度最大，30°、45°、60°和90°方向的力學性能依次變差。

綜上所述，規(guī)則多孔銅屈服強度的各向異性可能是由試樣的氣孔結構、晶粒取向和應力集中效應不同引起。綜合考慮以上3個因素可以定性地分析出0°方向試樣的屈服強度最大，30°、45°和60°方向的屈服強度依次降低，90°方向的屈服強度最差。

圖9 規(guī)則多孔銅XRD譜Fig.9 XRD pattern of ordered porous copper

2.3 多孔銅的能量吸收能力

規(guī)則多孔銅的壓縮應力—應變曲線如圖10所示。由圖10可知，曲線分為3個階段：第1階段為彈性變形階段，主要以線彈性方式發(fā)生變形；第2階段為屈服階段，此階段孔壁產(chǎn)生屈曲的同時氣孔被壓塌，出現(xiàn)一個應力平臺；第3階段為密實階段，這時氣孔完全坍塌，曲線的斜率增大即應力急劇增加。

圖10 規(guī)則多孔銅的壓縮應力—應變曲線 [11]Fig.10 Compressive stress—strain curve of ordered porous metal

由應力—應變曲線可知，其存在一個長的應力平臺，多孔金屬材料的抗壓性能和能量吸收能力與這一區(qū)域密切相關[17]。多孔材料氣孔壓塌在幾乎恒定的應力下進行，當達到密實階段時，應力急劇增加，表明材料結構完全發(fā)生變化。因此，可以用密實化開始點的應變εD(見圖10)來表征多孔材料結構是否被完全破壞。壓縮多孔銅材料時所做的功由孔壁的彈性屈曲和塑性屈曲來吸收。當達到密實化開始點應變εD時，單位體積吸收的能量可以通過應力—應變曲線所圍成的面積計算[18]：

式中：W為單位體積吸收的能量；σε為應變。

規(guī)則多孔銅沿不同方向壓縮到密實化開始點時單位體積吸收的能量和氣孔率的關系如圖11所示。由圖11可知，其吸收的能量隨著氣孔率的增加而減少。這表明，隨著氣孔率的增加，規(guī)則多孔銅的能量吸收能力降低。當試樣的氣孔率相同時，其單位體積吸收的能量隨壓縮方向與氣孔方向夾角的增大逐漸減少，這主要是因為隨著夾角的增大，規(guī)則多孔材料的強度降低、延展性變差。0°方向的能量吸收能力最大，30°、45°、60°和90°方向的能量吸收能力依次降低。

圖11 不同氣孔率規(guī)則多孔銅在不同壓縮方向單位體積吸收的能量Fig.11 Absorbed energy per volume of ordered porous copper with different porosities in different compressive directions

3 結論

1) 多孔銅的壓縮變形行為取決于材料的氣孔率和壓縮方向。應力—應變曲線表現(xiàn)出明顯的各向異性，其原因主要由壓縮變形方式和應力集中效應不同引起。

2) 由于各個方向上有效承載面積、晶粒取向和應力集中效應的不同，規(guī)則多孔銅材料各方向上的屈服強度不同。0°方向的屈服強度最大，30°、45°、60°和90°方向的屈服強度依次降低，且均隨氣孔率的增加而降低。

3) 規(guī)則多孔銅材料能量吸收能力與氣孔方向有關， 0°方向的能量吸收能力最大，30°、45°和 60°方向的能量吸收能力逐漸降低， 90°方向的能力能量吸收能力最差。

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Anisotropic compressive properties of ordered porous copper

HUANG Feng, YANG Tian-wu, LI Zai-jiu, LI Zhen-hua, JIN Qing-lin, ZHOU Rong
(School of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China)

Porous copper with long cylindrical pores aligned in one direction was fabricated by directional solidification under high-pressure atmosphere of hydrogen or gas mixture of hydrogen and argon. Compressive tests of the ordered porous copper with different porosities in different directions were carried out. The relationship between strength and porosity or compressive direction was investigated. The results show that the compressive stress?strain curves vary with porosity and compressive direction. Under the same compressive direction, as the porosity increases, the compressive yield strength of the ordered porous copper decreases. The mechanical properties of the ordered porous copper show obvious anisotropy, and the yield strength and energy absorption capacity of the ordered porous copper decrease with the increase of the angle between pore axis and compressive direction. The yield strength and energy absorption capacity of porous copper are the largest when the angle between pore axis and compressive direction is equal to 0°.

ordered porous copper; unidirectional solidification; yield strength; compressive deformation

TG146; TG115

A

1004-0609(2011)03-0604-07

國家自然科學基金云南聯(lián)合基金資助項目(u0837603)

2010-01-19；

2010-11-20

周 榮，教授；電話：0871-5176355；E-mail: huangfeng2005@sohu.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)