泡沫鋁夾心板靜態(tài)三點(diǎn)彎曲變形行為及力學(xué)性能

楊?？?王 輝 杜曉磊 何小元

(1東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)(2東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)(3北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)是一種綜合性能優(yōu)異的新型功能與結(jié)構(gòu)材料，除了具有泡沫鋁材料優(yōu)異的功能材料特性外，克服了單一泡沫鋁強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，具有比傳統(tǒng)蜂窩板更高效的能量耗散能力、更高的沖擊強(qiáng)度和耐熱能力等，在汽車制造、航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］.目前，國內(nèi)外泡沫鋁夾心的制備主要采用膠粘、粉末冶金發(fā)泡法以及焊接法.膠粘工藝生產(chǎn)的泡沫鋁夾心板耐高溫與耐腐蝕能力較差，產(chǎn)品的使用環(huán)境具有一定的局限性，而粉末冶金發(fā)泡工藝和焊接是近年來研究較深入的泡沫鋁夾心板的主要制備方法［3-6］.其中粉末冶金發(fā)泡工藝中，采用軋制復(fù)合-粉末冶金發(fā)泡技術(shù)，通過軋制復(fù)合工藝實(shí)現(xiàn)面板與芯層粉末的有效結(jié)合制備泡沫鋁夾心板，國外已能生產(chǎn)大規(guī)格(1.2 m ×2.5 m)的夾心板［5］，但這種方法主要用于夾心為閉孔結(jié)構(gòu)，很少用于開孔泡沫鋁芯的夾心板制備.迄今為止，有關(guān)泡沫鋁的焊接技術(shù)尚不成熟，這極大地限制了大尺寸化的制備和泡沫鋁在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用.最近，東南大學(xué)材料學(xué)院提出了采用Zn-Al-Cu基合金作為釬料，無須真空或保護(hù)氣氛條件和不使用釬劑，通過配合機(jī)械/物理方法去除致密氧化膜，實(shí)現(xiàn)了泡沫鋁的焊接［6］，并進(jìn)一步用于夾心板的制備［7］.

由于抗彎曲性能是夾心板結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)，目前大多數(shù)的研究主要集中在膠結(jié)和冶金制備閉孔泡沫鋁夾心板整體的抗彎曲性能和層合梁的失效上［8-13］.Kabir等的三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)研究了商業(yè)泡沫鋁夾心面板厚度及支撐跨距對其彎曲性能的影響［8］，而文獻(xiàn)［9］則通過四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了商業(yè)泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)不同夾心厚度與其彎曲變形行為的關(guān)系.國內(nèi)，東南大學(xué)的張林、何德坪通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對膠結(jié)式球形孔泡沫鋁夾心梁的載荷-位移曲線及各種破壞模式進(jìn)行了研究［10］.東北大學(xué)的張敏等采用復(fù)合軋制方法制備界面為冶金結(jié)合的泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)，并通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證界面的結(jié)合性和整體的彎曲特性［11］.而對焊接加工的夾心板彎曲性能和焊接對力學(xué)性能的影響以及泡沫鋁夾心在彎曲過程中的變形行為測量研究鮮有報道.本文主要采用靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和圖像相關(guān)方法，對焊接加工制備的夾心材料為開孔和閉孔泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)的抗彎性能以及泡沫鋁夾心在彎曲過程中變形行為進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接夾心板彎曲載荷下的彎曲響應(yīng)與有關(guān)文獻(xiàn)報道的冶金和膠結(jié)加工的夾心板具有相同的彎曲吸能性能.圖像相關(guān)計算的表面變形結(jié)果表明，泡沫鋁與鋁板的焊接連接界面焊接釬料的厚度對夾心板彎曲吸能影響較大，焊接釬料的厚度及焊接質(zhì)量將影響夾心板的中性層位置，這對泡沫鋁夾心板的焊接制備與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用金屬熔體發(fā)泡法通過鋁熔體的增粘、發(fā)泡和控制凝固等制備過程獲得實(shí)驗(yàn)用泡沫鋁.分別選取孔隙率為65%左右的開孔泡沫鋁及78%左右的閉孔泡沫鋁作為芯材，將開孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁線切割加工成厚度為17.34和18.34 mm 板芯各1塊，厚度16.62 mm的閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁板芯3塊，與厚度為1 mm的實(shí)芯鋁板作為前、后面板按文獻(xiàn)［6］介紹的方法進(jìn)行焊接成夾心板，并進(jìn)一步加工成長230 mm和寬40 mm的試樣共5個.上述夾心部分的閉孔泡沫鋁厚度方向的平均孔數(shù)均不少于5個.

將加工后的泡沫鋁夾心板試樣采用新三思?CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)三點(diǎn)彎曲加載測試其力學(xué)性能，同時利用CCD相機(jī)連續(xù)記錄彎曲變形過程并對記錄的圖像進(jìn)行相關(guān)處理，獲得不同變形時刻泡沫鋁夾心變形行為.實(shí)驗(yàn)時所有試樣加載的支撐點(diǎn)跨距為200 mm，壓頭加載速率為5 mm/min，圖像記錄速度為30幀/min，每幅圖像大小為1 024像素×768像素，直到試樣破壞為止.為了便于比較，實(shí)驗(yàn)中還對長230 mm、寬40 mm和厚21 mm的閉孔泡沫鋁板進(jìn)行同樣的三點(diǎn)彎曲測量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 非夾心閉孔泡沫鋁板彎曲和變形特征

圖1為閉孔泡沫鋁板的三點(diǎn)彎曲過程中試驗(yàn)機(jī)自動記錄的壓力-位移(可近似為板中心處的彎曲撓度)曲線，可以看出，泡沫鋁板彎曲時屬于線性范圍的變形很小(壓頭位移小于0.15 mm)，大部分都是非線性的或塑性彎曲.數(shù)字圖像相關(guān)方法分析得到的試樣在壓頭位移為0.35 mm時一側(cè)面橫向面(u場)內(nèi)位移和縱向面(v場)內(nèi)位移(撓度)分布分別如圖2(a)和(b)所示，結(jié)果表明橫向變形的中性層(橫向應(yīng)變值為0的區(qū)域)基本位于板結(jié)構(gòu)的幾何中間層面內(nèi)，而各個橫向?qū)用鎯?nèi)的撓度分布以壓頭位置的中截面為軸對稱分布.因此，泡沫鋁彎曲時整體上具有較明顯的各向同性特性.圖2(c)為試樣下界面剛剛出現(xiàn)宏觀斷裂裂縫時(壓頭位移為1.15 mm)的橫向面內(nèi)位移，除了豎向?qū)ΨQ軸處外，被測界面幾何中間層面以下部分橫向拉伸變形變化梯度很小.

圖1 閉孔泡沫鋁板三點(diǎn)彎曲時試驗(yàn)機(jī)記錄的壓力-位移曲線

圖2 泡沫鋁板表面不同時刻的位移云圖

2.2 夾心泡沫鋁板的彎曲和變形特征

圖3是3塊夾心為閉孔泡沫鋁的夾心板三點(diǎn)彎曲壓力-位移曲線，所有夾心的厚度均為16.62 mm.圖4(a)～(c)分別為試樣1在壓頭位移為0.72 mm，試樣 2 在壓頭位移為 0.67 mm，以及試樣3在壓頭位移為1.36 mm時側(cè)面橫向面內(nèi)位移分布.圖5則對應(yīng)于3個閉孔泡沫鋁夾心板試樣界面剛剛出現(xiàn)宏觀裂縫時的橫向面內(nèi)位移分布，此時對應(yīng)的壓頭位移分別為 7.15，4.13 和2.52 mm.

圖6顯示2個試樣夾心為開孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲壓力-位移曲線(夾心部分的厚度分別為17.34和18.34 mm).圖7為開孔泡沫鋁夾心試樣1在壓頭位移為0.35 mm和試樣2在壓頭位移為0.7 mm時側(cè)面橫向面內(nèi)位移分布.圖8對應(yīng)于2個夾心板試樣界面剛剛出現(xiàn)宏觀裂縫時的橫向面內(nèi)位移分布，此時對應(yīng)的壓頭位移分別為7.9和8.3 mm.

圖3 閉孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲時壓力-位移曲線

圖4 閉孔泡沫鋁夾心板試樣表面橫向位移場

圖5 閉孔泡沫鋁夾心板出現(xiàn)宏觀裂縫前的橫向位移場

圖6 開孔泡沫鋁夾心板的三點(diǎn)彎曲時壓力-位移曲線

2.3 結(jié)果分析與討論

圖7 開孔泡沫鋁夾心板試樣表面橫向位移場

圖8 開孔泡沫鋁夾心板出現(xiàn)宏觀裂縫前的橫向位移場

對于閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁板，不論是純泡沫鋁板還是夾心結(jié)構(gòu)板，由圖1和圖3可以看出在靜態(tài)彎曲荷載作用下閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁(除夾心結(jié)構(gòu)的試樣3外)具有較寬的塑性彎曲變形平臺;同等厚度的板梁，夾心結(jié)構(gòu)承受的最大彎曲載荷的平均值是非夾心的5倍多.圖1和圖3的彎曲壓力-位移曲線表明，閉孔結(jié)構(gòu)泡沫鋁彎曲時即使在出現(xiàn)局部宏觀的斷裂破壞，這種結(jié)構(gòu)仍能維持較寬的塑性彎曲變形平臺，而且由圖2和圖4可以看出斷裂裂縫出現(xiàn)初期結(jié)構(gòu)彎曲的中性層位置仍基本位于夾心板幾何中間層處，除了壓頭處偏向于上邊界一側(cè)外.

由于實(shí)驗(yàn)中夾心梁截面高度(即板的厚度)遠(yuǎn)小于跨度，因此，橫力彎曲時剪應(yīng)力的影響可以忽略不計［14］，將梁的彎曲理論應(yīng)用于上下表面面板厚度相同的夾心梁結(jié)構(gòu)可得其彎曲剛度為［15］

式中，Ef和Ec分別為面板和板芯材料的彈性模量;b為夾心梁的寬度;f為面板厚度;d為上下面板中心距離;c為夾心的厚度.式(1)右端的第1，2項(xiàng)分別對應(yīng)于上、下面板的彎曲剛度，第3項(xiàng)對應(yīng)于夾心部分.實(shí)驗(yàn)中，閉孔泡沫鋁夾心梁試樣3的整體梁厚比另外2個梁的厚度多出0.5 mm，多出的部分為試樣下邊界處泡沫鋁芯和實(shí)心鋁面板間的焊接層(見圖9(a))，這樣名義上的下表面面板的厚度比上表面板厚0.5 mm.因此，式(1)中的第2項(xiàng)比另外2個試樣的值多出0.5倍，致使整個夾心板的彎曲剛度高于2個同類試樣.同時彎曲中性層的位置更靠近下界面(見圖4(c)).由于閉孔泡沫鋁的抗壓比抗拉強(qiáng)度高些，因此隨著焊接層宏觀斷裂裂紋發(fā)生，在比同等試樣更高的彎曲壓力作用下，裂紋擴(kuò)展的速度和承載力下降速度(見圖3)都比較快，最后大部分夾心和下表面面板斷裂(見圖9(b)).

圖9 閉孔泡沫鋁夾芯板試樣3的圖像

對比圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn):與夾心為閉孔泡沫鋁試樣不同，開孔泡沫鋁為夾心的試樣出現(xiàn)宏觀斷裂裂縫之后，試樣的承載力很快變小.由于開孔泡沫鋁芯材的孔隙率小，密度較大，再加上整個開孔結(jié)構(gòu)的芯材厚度較閉孔結(jié)構(gòu)的厚，根據(jù)式(1)容易理解其承受的最大彎曲壓力比閉孔的夾心板高出15% ～25%.另外，由圖3和圖6看出閉孔結(jié)構(gòu)芯材與開孔結(jié)構(gòu)芯材的夾心板出現(xiàn)裂縫時機(jī)也不一樣，這是因?yàn)殚]孔芯材孔壁為薄板結(jié)構(gòu)，拉伸時延展性很小，易于斷裂;而開孔芯材孔壁可以看成是細(xì)桿結(jié)構(gòu)，拉伸時仍具有一定的延展性.根據(jù)圖9和圖10所示的夾心板的失效圖像，以及對加載過程中記錄的數(shù)字圖像分析可知，對于因焊接導(dǎo)致的面板較厚的夾心板，特別是下表面面板厚時，由于整體的彎曲剛度增大，承受的最大彎曲壓力也必然增大，這樣夾心板的下表面承受的橫向拉應(yīng)力也相應(yīng)增大.泡沫鋁的“孔洞缺陷”及焊接層畢竟不像冶金鍛壓金屬材料那樣密實(shí)，在高的拉應(yīng)力作用下，靠近夾心板下表面區(qū)域容易出現(xiàn)拉伸斷裂.所以隨著焊接層宏觀斷裂裂紋的發(fā)生焊接層失去承載作用，更多的拉力轉(zhuǎn)移到了下表面的面板上，這樣使得面板也容易折斷.

圖10 閉孔及開孔泡沫鋁夾心試樣的失效形式

圖10(a)為閉孔泡沫鋁夾心板試樣2斷裂破壞圖像，由于試樣焊接層比較薄，結(jié)構(gòu)整體的彎曲剛度小，彎曲時承受的最大壓力也比焊接層厚的試樣要小30%(與同類試樣3相比)，這樣下表面的拉應(yīng)力也必然要小些，達(dá)不到面板斷裂需要的應(yīng)力水平.因此，該試樣在彎曲時，即使出現(xiàn)左側(cè)大范圍的脫焊現(xiàn)象，在彎曲撓度不斷增加的過程中，仍保持較恒定的彎曲壓力，直到夾心層一半被撕裂后整個試樣才失效.

3 結(jié)論

1)閉孔泡沫鋁芯夾心板因夾心斷裂而破壞失效，開孔泡沫鋁芯夾心板則因夾心和面板同時斷裂而破壞失效;開孔夾心件的面板斷裂缺口較閉孔夾心面板端口齊直.

2)使用相同面板的情況下，閉孔泡沫鋁芯的孔隙率比開孔芯材的大，相對密度小，雖然開孔泡沫鋁夾心板較閉孔泡沫鋁芯能承受更大的彎曲壓力，但閉孔夾心板三點(diǎn)彎曲過程中卻比開孔泡沫鋁芯具有更高的能量吸收能力.這一點(diǎn)對于夾心結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用來說很有意義.

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