泡沫金屬材料壓縮塑性力學探究

張平何麗鑫

（1.沈陽建設項目招投標中心，遼寧沈陽 110014；2.沈陽招標中心，遼寧沈陽 110002）

泡沫金屬材料壓縮塑性力學探究

張平1何麗鑫2

（1.沈陽建設項目招投標中心，遼寧沈陽 110014；2.沈陽招標中心，遼寧沈陽 110002）

泡沫金屬材料作為一種新型材料，在汽車、航空、建筑等多個領域都有所應用。相對于傳統(tǒng)金屬材料和多空聚合物材料來說，泡沫金屬具有其獨特的優(yōu)勢。在對一種材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)和使用進行分析的過程中，材料性能是一項非常重要的參數(shù)。本文從泡沫金屬的特性出發(fā)，根據(jù)泡沫金屬的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)探究泡沫金屬材料壓縮塑性力學性能。

泡沫金屬 壓縮 力學性能 應變率

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，工業(yè)科技隨之迅猛發(fā)展，開發(fā)復合材料，探索新材料是當今工業(yè)領域重要的課題。泡沫金屬作為一種新型材料，相對于傳統(tǒng)金屬材料和多孔聚合物材料來說，其不僅具有功能材料的特性，同時更兼顧了結(jié)構(gòu)材料的特點，具有明顯的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。如今，泡沫金屬材料已經(jīng)在汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、航空領域等多個領域中加以應用，成為新材料領域研究的重點課題之一。

1 泡沫金屬的特性

泡沫材料具有金屬骨架和氣孔，相對于傳統(tǒng)金屬材料，具有傳統(tǒng)金屬可焊性等基本屬性的同時又具有大量的內(nèi)部孔隙，而正因為這些內(nèi)部孔隙的存在使得泡沫金屬具有其自身的優(yōu)勢特點。

1.1 具有滲透性

因為泡沫金屬中具有大量的孔隙，但是其中閉孔的數(shù)量也占有較大比重，因為只有通孔結(jié)構(gòu)才具有滲透性，因此閉孔對于滲透性是具有很大的影響的。同時滲透性還與孔徑的大小以及滲透物的屬性有關。

1.2 消聲減震性

泡沫金屬中存在的通孔結(jié)構(gòu)可以將傳遞進來的聲波以及震動向熱能轉(zhuǎn)化并將其散發(fā)。消聲減震的性你呢與其孔隙率的高地以及直徑的大小有直接的關系，同時泡沫金屬相對于石棉等材料耐用性更好，而且強度更高，阻燃性更好。

1.3 熱傳導性能

泡沫金屬的熱傳導性能優(yōu)于金屬材料又低于隔熱材料，而且其導熱性能的好壞有孔隙率有直接的關系，閉孔結(jié)構(gòu)比通孔結(jié)構(gòu)絕熱性能更好。在對流條件下，提高孔隙率以及擴大孔徑能夠促進對流換熱能力的提升。

1.4 電學性能

因為具有孔隙結(jié)構(gòu)，因此阻尼性很好，倘若將高分子聚合物填充在孔隙中，則能夠有效的提高阻尼特性。對于泡沫金屬材料而言，阻尼特性與表面積的大小有直接的關系。

2 泡沫金屬材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)

人們在對結(jié)構(gòu)材料進行研究和使用的時候首先就要考慮到材料的力學性能，因此，力學性能是材料性能評價的重要參數(shù)。而人們要對材料本身所具有的力學性能進行深入的研究首先就要先認識材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

泡沫金屬材料的主體為金屬骨架和氣孔，氣孔又包括通孔和閉孔兩大類。通孔結(jié)構(gòu)又稱為開孔，即泡沫金屬內(nèi)部的單個氣孔是開放式的，氣孔之間呈相互連接的狀態(tài)。閉孔結(jié)構(gòu)的氣孔呈封閉狀態(tài)并且各自獨立，與母體金屬是分離狀態(tài)。需要注意的是在大部分的泡沫金屬內(nèi)容結(jié)構(gòu)中閉孔和開孔是同時存在的。

圖1 泡沫金屬應力-應變示意圖

坡面金屬的支架結(jié)構(gòu)可分為孔壁、筋、節(jié)。在開孔結(jié)構(gòu)中氣孔之間是相互關聯(lián)的，隔離的孔壁是不完整的，而閉孔結(jié)構(gòu)則是由完整孔壁將氣孔進行隔離。在孔壁較之筋要薄得多的情況下，孔壁對泡沫金屬材料整體的力學性能的影響是非常薄弱的，可以將其作為準開孔結(jié)構(gòu)來看待。

3 泡沫金屬材料的壓縮力學性質(zhì)

3.1 靜態(tài)壓縮行為

泡沫金屬材料的應力到應變的曲線分為三個階段（參見圖1）：第一階段為彈性變形階段，第二階段為屈服平臺階段，第三階段為崩塌壓實階段。開始時應變很小，應力-應變?nèi)バ某示€性彈性；接著應變不斷增加，應力處于一個平臺期，幾乎處于一個不變或者變化很小的狀態(tài)，最后隨著泡沫金屬材料內(nèi)部孔洞不斷擠壓被壓在一起，材料呈壓實狀態(tài)，應力快速增加。泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用下，變形機制主要為棱桿的彎曲和孔壁薄膜的彎曲和拉伸。但是材料內(nèi)部一些孔洞本身較弱，當應變在局部位置集中時，原本就較弱的孔洞最先在擠壓作用下被壓壞，再帶動與其相鄰的孔洞繼續(xù)被壓壞，形成依次傳遞的局面，最終造成了“變形帶”的產(chǎn)生。隨著“變形帶”的不斷擴大，破壞應力的擴大和傳遞影響到材料整體時，就表現(xiàn)為材料整體被壓壞。由此可見，泡沫金屬材料的壓縮塑性變形是逐層傳遞依次破壞的。

實驗結(jié)果表明，泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用時，發(fā)生彈性變形的階段是非常短暫的，當應變達到2%的時候就會進入到屈服平臺期，也就是說對于泡沫金屬材料而言，壓縮屈服應力和屈服平臺期的應力是相等的。

3.2 動態(tài)壓縮行為

泡沫金屬所具有減震性能，使其成為一種很好的減震緩沖材料在多種場合中應用，研究泡沫金屬在動態(tài)壓縮載荷作用下的力學性能是新材料領域的熱點問題。相對于靜態(tài)壓縮載荷下的力學性能，動態(tài)壓縮載荷的力學性能問題更為復雜，動態(tài)壓縮需要充分的考慮到動態(tài)效應的一系列的問題，包括慣性效應、應變率效應等。根據(jù)泡沫金屬材料的壓縮變形機制，在應變率較高的情況下，材料的屈服強度有所提高。在靜態(tài)壓縮載荷條件下，泡沫金屬材料是逐層發(fā)生壓縮變形，有一層氣孔孔壁發(fā)生彎曲變形，也就是塑性變形的第一階段到第二層氣孔的塌陷，隨著一層層氣孔在載荷作用下逐層塌陷直至全部的氣孔被彎曲壓實達到致密程度，這個變形過程是不均勻的，而且在某一局部是呈不穩(wěn)定的狀態(tài)。那么在動態(tài)壓縮載荷條件下，應力增加，材料強化主要受兩種因素的影響。一種是隨著沖擊速度的不斷提高，沖擊表面的氣孔壓實更加緊密，從而使屈服應力隨之不斷的增加。另一種是動態(tài)壓縮具有突出的局部化特點，這就使得壓縮塑性變形帶的應變速率提高，加上微慣性的作用，造成了變形的對稱模式和非對稱模式的增強。

［1］徐光，霍格爾·米克.金屬泡沫材料的性能［J］.武漢冶金科技大學學報，2012，21（2）.

［2］徐曉，吳舜英.硬泡沫塑料的力學性能分析：壓縮彈性模量分析與計算機模擬［J］.包裝工程，2013，19（4）.

［3］盧子興，等.泡沫塑料力學性能研究綜述［J］.力學進展，2013，26（3）.