規(guī)則多孔銅的拉伸性能及其各向異性

彭 震, 楊天武, 李再久, 黎振華, 金青林, 周 榮

(昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093)

規(guī)則多孔銅的拉伸性能及其各向異性

彭 震, 楊天武, 李再久, 黎振華, 金青林, 周 榮

(昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093)

采用固-氣共晶定向凝固的方法制備規(guī)則多孔銅，研究其室溫拉伸性能的各向異性和氣孔率對(duì)拉伸力學(xué)性能的影響，建立表征抗拉強(qiáng)度與氣孔率和拉伸方向相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：規(guī)則多孔銅的拉伸性能主要取決于材料的氣孔率和拉伸方向；隨著氣孔率的增大，規(guī)則多孔銅的拉伸性能明顯下降；規(guī)則多孔銅拉伸性能呈各向異性特征，0°方向性能最好，45°方向的次之，90°方向的最差；各拉伸方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)吻合良好。斷口分析表明：規(guī)則多孔銅呈韌性斷裂，拉伸斷裂從孔壁處開始，最終因頸縮導(dǎo)致完全斷裂。

規(guī)則多孔銅；各向異性；力學(xué)性能；氣孔率；應(yīng)力集中

多孔金屬材料具有密度低、比強(qiáng)度高、剛度大、表面積大、防震、吸聲、阻燃以及滲透性好等優(yōu)良性能，逐漸成為航空航天、汽車、信息、建筑、軍事和核能等高技術(shù)領(lǐng)域的工程材料[1-3]。1993年，烏克蘭的 SHAPOVALOV[4]提出的金屬/氣體共晶定向凝固法可用來制備金屬基體中氣孔呈圓柱形定向排列的規(guī)則多孔材料。這些氣孔定向排列的多孔金屬比傳統(tǒng)的多孔金屬具有力學(xué)性能上的優(yōu)勢，為其在力學(xué)性能上的應(yīng)用提供了保障。

繼烏克蘭以后，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、日本大阪大學(xué)、中國清華大學(xué)以及北京科技大學(xué)開展了規(guī)則多孔材料的制備工藝和力學(xué)性能的研究。目前，固-氣共晶定向凝固法制備的多孔金屬的氣孔率范圍為15%～50%。SIMONE[5]及SIMONE和GIBSON[6]系統(tǒng)研究了拉伸方向與氣孔軸向呈 0°的規(guī)則多孔銅試樣(簡稱 0°方向)的拉伸性能，但并沒有涉及其他拉伸方向的研究，沒有反映其各向異性。HYUN等[7]和 NAKAJIMA 等[8]在對(duì) 0°和90°方向試樣拉伸性能的研究中發(fā)現(xiàn)，規(guī)則多孔銅在 0°和 90°方向表現(xiàn)出各向異性。國內(nèi)劉新華等[9]和姚迪等[10]對(duì)規(guī)則多孔銅0°和 90°方向壓縮變形行為進(jìn)行了深入的研究。而對(duì)于拉伸性能，除項(xiàng)亦斌等[11]對(duì)規(guī)則多孔鎂0°方向的拉伸性能有所研究及陳文革等[12]將規(guī)則多孔銅與傳統(tǒng)多孔銅的力學(xué)性能進(jìn)行了比較之外，關(guān)于規(guī)則多孔銅拉伸性能的報(bào)道很少。為此，為更完善地揭示規(guī)則多孔銅的拉伸性能，更充分地表征材料的各向異性特征，本文作者對(duì)氣孔率為25%～50%的材料進(jìn)行0°、45°和90°方向的拉伸實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上建立能充分反映規(guī)則多孔材料各向異性的數(shù)學(xué)模型。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 規(guī)則多孔銅的制備

采用自制的10 kg高壓定向凝固設(shè)備制備規(guī)則多孔銅，所用設(shè)備如圖 1所示。其制備原理是發(fā)生固-氣共晶轉(zhuǎn)變(Liquid→Solid+gas)時(shí)，利用氣體在液態(tài)金屬和固態(tài)金屬中的溶解度之差使過飽和氣體在定向凝固過程中形成定向排列的氣孔。制備時(shí)，將金屬純銅置于熔煉坩堝中，然后抽真空使熔煉爐內(nèi)的氣壓低于10-2Pa，再加熱鑄型到預(yù)設(shè)溫度1 143 ℃進(jìn)行熔煉，充入氫氣和氬氣的混合氣體保溫 30 min后提起控制桿將銅熔液通過漏斗的倒流作用澆入內(nèi)徑為60 mm、高為150 mm的鑄型中，最后，按預(yù)設(shè)的下拉速率進(jìn)行定向凝固得到氣孔定向排列于基體中的多孔銅坯料。冷卻后所得鑄錠坯料氣孔形貌如圖2所示。

1.2 拉伸實(shí)驗(yàn)

按GB/T228—2002設(shè)計(jì)矩形橫截面比例試樣如圖3所示，標(biāo)距為14 mm，橫截面為2 mm×3 mm。使用電火花線切割機(jī)從不同氣孔率材料中切割拉伸方向與氣孔軸向呈0°、45°和90°的試樣，用來研究該多孔材料的各向力學(xué)性能和氣孔率對(duì)力學(xué)性能的影響。拉伸實(shí)驗(yàn)于室溫在AG-IS10 KN萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1 mm/min，用延伸計(jì)測量拉伸位移。實(shí)驗(yàn)過程中記錄拉伸載荷—位移曲線，分別用名義截面面積和標(biāo)距值除拉伸載荷和位移得到應(yīng)力和應(yīng)變，從而得到該試樣的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖1 規(guī)則多孔金屬制備裝置示意圖Fig.1 illustration of fabrication apparatus for ordered porous metals: 1—Inlet of cooling water; 2—Outlet of cooling water; 3—Copper chiller; 4—Crucible; 5—Funnel; 6—Chamber; 7—Induction-heating coils; 8—Molten copper; 9—Control bar; 10—Observation window; 11—Pressure gage;12—Inlet of gas; 13—Outlet of gas

圖2 規(guī)則多孔銅氣孔形貌Fig.2 Pores morphologies of ordered porous copper:(a) Vertical section; (b) Cross section

圖3 拉伸試樣尺寸及拉伸試樣照片F(xiàn)ig.3 Sizes (a) and macrophotographs in directions of 0° (b),45°(c) and 90°(d) of tensile specimens (mm)

1.3 實(shí)驗(yàn)分析

直接測量規(guī)則多孔銅的質(zhì)量(m)和體積(V)，利用阿基米德原理計(jì)算材料的氣孔率(p)，如式(1)所示：

式中：ρ為所制規(guī)則多孔銅的密度；ρ0為致密銅的密度。

在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，由于沒有明顯的屈服平臺(tái)，取 σ0.2作為材料的屈服強(qiáng)度、最大應(yīng)力作為材料的抗拉強(qiáng)度。在拉伸載荷達(dá)到最大值以后，試樣的孔狀結(jié)構(gòu)使得斷裂持續(xù)很長時(shí)間，氣孔壁的局部區(qū)域變形嚴(yán)重，用斷后伸長率來衡量材料的塑性不準(zhǔn)確，因此本研究用最大應(yīng)力下的應(yīng)變來表征材料的塑性。

將拉伸實(shí)驗(yàn)后的斷口在XL30ESEM-TMP掃描電子顯微鏡上進(jìn)行掃描，觀察其斷口形貌。用3 g FeCl3，10 mL HCl和100 mL H2O配制的腐蝕液對(duì)規(guī)則多孔銅進(jìn)行浸蝕來觀察晶界。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖4所示為氣孔率約為0.32的試樣在0°、45°和90°方向拉伸得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖 4可以看出，規(guī)則多孔銅的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢與典型材料的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢類似。當(dāng)應(yīng)變小于0.005時(shí)，材料拉伸處于明顯的線彈性階段；隨著載荷的進(jìn)一步增大，材料發(fā)生塑性變形，此時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺(tái)，屈服階段不明顯；進(jìn)入形變強(qiáng)化階段以后，材料出現(xiàn)均勻的塑性變形，當(dāng)達(dá)到最大應(yīng)力即抗拉強(qiáng)度以后，出現(xiàn)不均勻的塑性變形，最終材料斷裂。

圖4 試樣在不同拉伸方向的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress—strain curves of samples in different tensile directions

由圖4可見，規(guī)則多孔銅的拉伸曲線受實(shí)驗(yàn)拉伸方向的影響很大。沿0°方向拉伸時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線比較光滑，與致密材料的拉伸曲線無異；而沿 45°和90°方向拉伸時(shí)，在形變強(qiáng)化階段以后均出現(xiàn)不同程度的鋸齒狀。這說明由于氣孔軸向與拉伸方向的不同，氣孔對(duì)基體產(chǎn)生的作用不同。沿0°方向拉伸，氣孔軸向與拉伸方向相同，氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用微?。谎?5°和90°方向拉伸時(shí)，在某個(gè)氣孔或者多個(gè)氣孔的孔壁處先斷裂，最終完全斷裂，氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用較大。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 力學(xué)性能的影響因素

圖5所示為不同拉伸方向試樣的力學(xué)性能隨氣孔率的變化。從圖5可以看出，隨著氣孔率的增大，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和最大應(yīng)力下的應(yīng)變均下降，即材料的拉伸力學(xué)性能隨氣孔率的增大而降低。由氣孔率的計(jì)算式(1)可知，氣孔率增大，材料的實(shí)心基體減少，材料的質(zhì)量減小，力學(xué)性能下降。因此，規(guī)則多孔銅的拉伸性能一方面依賴于材料的氣孔率。

由圖4和5(a)可以看出，規(guī)則多孔銅在0°方向的拉伸力學(xué)性能最好，45°方向的次之，90°方向的最差，這說明規(guī)則多孔銅的拉伸性能也依賴于拉伸方向，拉伸性能呈現(xiàn)明顯的各向異性特征。導(dǎo)致材料呈現(xiàn)各向異性的原因主要有以下3個(gè)方面。

圖5 具有不同氣孔率的規(guī)則多孔銅試樣在不同方向的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of ordered porous copper with different porosities in different directions: (a) Ultimate tensile strength; (b) Yield strength and strain at peak stress in 0°direction

第一，規(guī)則多孔銅沿不同方向拉伸時(shí)氣孔的應(yīng)力集中作用不同。45°和90°方向氣孔對(duì)基體有一定的應(yīng)力集中作用，而0°方向氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用很小[7]。

第二，規(guī)則多孔銅沿不同方向拉伸試驗(yàn)時(shí)的有效承載面積不同。KOVACIK[13]建立了多孔材料的規(guī)則蜂窩模型，本研究中，假設(shè)氣孔在整個(gè)基體上呈正六邊形分布，如圖6所示。其中，d為氣孔直徑，c 為兩氣孔間的距離，A為有效承載面積。對(duì)于同一氣孔率下的規(guī)則多孔銅，0°方向和 90°方向的有效承載面積分別用式(2)和(3)表示。由于0≤d≤c，所以，如式(4)所示0°方向的有效承載面積大于90°方向的，致使0°方向的抗拉強(qiáng)度較高，90°方向的較低。

圖6 規(guī)則多孔銅在不同拉伸方向的拉伸橫截面Fig.6 Tensile cross-sections of ordered porous copper with different tensile directions: (a) 0°; (b) 90°

第三，規(guī)則多孔銅的柱狀晶結(jié)構(gòu)使材料呈現(xiàn)各向異性。圖7(a)和(b)分別為氣孔率為0.32和0.48規(guī)則多孔銅的金相照片。由圖 7可以看出，固-氣共晶定向凝固法制備的規(guī)則多孔銅的宏觀組織為柱狀晶，柱狀晶的生長方向與氣孔方向相同。具有柱狀晶結(jié)構(gòu)的材料沿柱狀晶方向的拉伸性能比垂直于柱狀晶方向的拉伸性能好。

2.2.2 抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中模型

BACCACCINI等[14]提出在多孔材料中可用式(5)來描述多孔金屬材料的拉伸強(qiáng)度與氣孔率之間的關(guān)系。因此，只要計(jì)算出不同拉伸方向下氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中系數(shù)，就可以建立力學(xué)模型來表征材料拉伸強(qiáng)度和氣孔率之間的關(guān)系：

圖7 不同氣孔率試樣的晶粒結(jié)構(gòu)Fig.7 Photographs showing grain structure with variable porosities: (a) p=0.32; (b) p=0.48

式中：σ0為致密銅的抗拉強(qiáng)度；σ為規(guī)則多孔銅的抗拉強(qiáng)度；Kt為氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中系數(shù)。圖 8(a)所示為在有限寬度板拉伸中任意橢圓氣孔周圍基體的應(yīng)力集中情況。根據(jù)經(jīng)典應(yīng)力集中理論[15]，應(yīng)力集中系數(shù)可用式(6) 表示。當(dāng)試樣沿 0°方向拉伸時(shí)(見圖 8(b))，a=r，b=∞，代入式(6)可得，Kt=1

所以，0°拉伸方向抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中模型可用式(7)

表示；當(dāng)試樣沿 90°方向拉伸時(shí)(見圖 8(d))，a=b=r， 那么Kt=3，則沿90°拉伸方向抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中模型可用式(8)表示；當(dāng)試樣沿45°拉伸時(shí)(見圖8(c))，a=r,則45°拉伸方向抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中模型可用式(9)表示。當(dāng)沿任意角方向(φ)拉伸時(shí)(見圖 8(c))，a=r，b=r/sin φ，那么 Kt=1+2r/sin φ，所以，任意角度拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力集中模型如式(10)

表示。

式中：σmax與圓孔尺寸a和b有關(guān)。

圖8 規(guī)則多孔銅試樣在不同拉伸方向的應(yīng)力集中示意圖Fig.8 diagrams of stress concentration of ordered porous copper in different directions: (a) Parameters description and pore axis; (b) 0° direction; (c) 45° direction; (d)90° direction

圖9所示為應(yīng)力集中模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況。由圖9可知，0°、45°和90°拉伸方向的模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。任意角度方向的拉伸應(yīng)力集中模型公式(10)是抗拉強(qiáng)度關(guān)于氣孔率 p和拉伸角度φ的函數(shù)，可以從理論上計(jì)算出任意角度拉伸方向下不同氣孔率材料的抗拉強(qiáng)度，且在0°、45°和90°方向符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。從式(7)可以看出，0°方向規(guī)則多孔銅的抗拉強(qiáng)度隨氣孔率的增大線性下降，氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用很??；而由式(8)和(9)可知，90°和 45° 方向規(guī)則多孔銅的抗拉強(qiáng)度與氣孔率增大呈非線性下降，氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用對(duì)其影響較大。

圖9 應(yīng)力集中模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Data from stress concentration model versus experimental data

2.3 斷口分析

圖10所示為氣孔率為0.32的試樣沿各方向的拉伸斷口形貌。其中，圖 10(a1)、(b1)和(c1)所示為高倍下各斷口的局部形貌，圖 10(a2)、(b2)和(c2)所示為低倍下各斷口的整體形貌。銅是面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬，塑性變形時(shí)有12個(gè)滑移系，具有良好的塑性變形能力[16]。HYUN等[7]的研究結(jié)果表明，0°方向有滑移線，但沒有觀察到韌窩。從圖10中可以看出，各個(gè)方向的拉伸斷口都有明顯的塑性變形，都能觀察到滑移線和韌窩。通常，斷口上的韌窩是材料韌性斷裂的標(biāo)志[17]，拉伸斷口上明顯的韌窩表明，規(guī)則多孔銅在各個(gè)方向的拉伸斷裂都屬于韌性斷裂。通常情況下，韌窩越深越多表明材料的韌性越好。沿0°方向拉伸后試樣斷口的韌窩比其他兩個(gè)方向的韌窩更深，更多，可以定性分析出0°方向試樣的韌性最好。

由圖 10(a2)、(b2)和(c2)可以看出，斷裂區(qū)域基體材料沿著拉伸載荷的方向存在明顯的局部脊?fàn)钔黄?，這種脊?fàn)钔黄鹗怯衫爝^程中承載面積逐漸縮小而產(chǎn)生的頸縮所致。由斷面的整體形貌可以看出，0°方向的斷裂面是氣孔的橫截面，斷裂從孔壁處向基體內(nèi)進(jìn)行，由于0°方向拉伸氣孔應(yīng)力集中作用較小，斷裂由承載面積減小產(chǎn)生頸縮引起；45°和90°方向的斷裂面都是氣孔軸線所在的截面，氣孔內(nèi)壁應(yīng)力集中最大的地方就在這個(gè)截面上，這表明規(guī)則多孔銅在45°和90°方向的拉伸斷裂沿著應(yīng)力集中最大的孔壁處開始，最終因頸縮導(dǎo)致完全斷裂。

圖10 規(guī)則多孔銅在不同拉伸方向的斷口形貌Fig.10 Tensile fractographs of ordered porous copper tested in different directions (Pictures at upper right show corresponding lower magnification fractographs): (a1), (a2) 0°; (b1), (b2) 45°; (c1), (c2) 90°

3 結(jié)論

1) 規(guī)則多孔銅拉伸力學(xué)性能主要取決于材料的氣孔率和拉伸方向。隨著氣孔率的增大，拉伸性能明顯下降。拉伸性能呈明顯各向異性，0°方向的拉伸性能比 45°和 90°方向的更好，90°方向的最差。導(dǎo)致規(guī)則多孔銅各向異性的原因可歸結(jié)為：規(guī)則多孔銅 0°方向應(yīng)力集中作用最小，45°方向的其次，90°方向的最大；沿0°方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，規(guī)則多孔銅的有效承載面積比 90°方向的更大；規(guī)則多孔銅的柱狀晶結(jié)構(gòu)使材料具有各向異性。

2) 建立了表征規(guī)則多孔銅抗拉強(qiáng)度與氣孔率和拉伸方向的應(yīng)力集中模型，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)吻合良好。0°方向規(guī)則多孔銅的抗拉強(qiáng)度隨氣孔率的增加呈線性下降，氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用微小，而45°和 90°方向規(guī)則多孔銅的力學(xué)性能受氣孔對(duì)基體的應(yīng)力集中作用影響較大。

3) 斷口分析表明，規(guī)則多孔銅拉伸斷裂呈韌性斷裂方式。斷口上有明顯滑移線和韌窩，0°方向比 45°和 90°方向規(guī)則多孔銅的塑性變形更明顯。整體斷口形貌表明，拉伸斷裂從孔壁處開始，最終因頸縮導(dǎo)致完全斷裂。

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Tensile properties and anisotropy of ordered porous copper

PENG Zhen, 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)

The ordered porous copper with cylindrical pores aligned in one direction was fabricated by the solid-gas eutectic solidification process. The anisotropy of tensile properties and the porosity of ordered porous copper at room temperature were investigated. In order to discuss the effects of porosity and tensile direction on ultimate tensile strength,the stress concentration models were established. The results show that the tensile properties of ordered porous copper depend on the porosity and tensile direction. As the porosity increases, the tensile properties decrease dramatically. The anisotropy of porous copper shows that the tensile properties of ordered porous copper with 0°, 45° and 90° tensile directions are the best, better and the worst, respectively. The experimental data are well consistent with the data from the model. Through fractographic analysis, it is indicated that the ductile fracture begins at the inside walls of pores, and the eventual rupture is due to necking during the tensile process.

ordered porous copper; anisotropy; mechanical properties; porosity; stress concentration

TG146; TG115

A

1004-0609(2011)05-1045-07

國家自然科學(xué)基金云南聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(u0837603)

2010-06-13；

2010-11-20

周 榮，教授；電話：0871-5136755；E-mail:pzkmust@sina.com

(編輯 陳衛(wèi)萍)