不同溫度下閉孔泡沫鋁壓縮性能研究

甄映紅,王展光

(凱里學(xué)院 建筑工程學(xué)院,貴州 凱里 556011)

多孔泡沫金屬材料質(zhì)量輕,相對密度較小;其在外荷載作用下,強(qiáng)度較低,變形大,具有較好能量吸收能力,同時(shí)多孔泡沫金屬材料還具有阻尼減震、降噪、隔熱、電磁屏蔽等功能,在航天科技等方面具有較好的應(yīng)用前景[1-5]。

多孔泡沫金屬按基體材料現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出鋁、鋁合金、鎂、鈦等多種泡沫金屬[6-8],泡沫鋁是其中發(fā)展最為成熟的一種泡沫金屬材料,其工藝參數(shù)控制已經(jīng)基本成熟,從實(shí)驗(yàn)室控制發(fā)展到工業(yè)化調(diào)控,為其在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。四川元泰達(dá)新材料股份有限公司采用緩釋鑄造發(fā)泡技術(shù),一次能生產(chǎn)出2600 mm×1000 mm×600 mm的閉孔泡沫鋁錠,其質(zhì)量能滿足工業(yè)要求。

常溫下閉孔泡沫鋁相關(guān)性能研究較為充分,閏暢以工業(yè)泡沫鋁材料為對象,通過對兩種不同基體的泡沫鋁材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn),并分析其變形機(jī)理[9];朱燁飛采用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù),重構(gòu)了閉孔泡沫鋁細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型[10];李忠獻(xiàn)采用改進(jìn)的INSTRON高速動力加載系統(tǒng),研究了不同應(yīng)變率下閉孔泡沫鋁動態(tài)壓縮性能,發(fā)現(xiàn)閉孔泡沫鋁的吸能能力隨應(yīng)變率的增加而明顯提升[11];王展光通過對不同孔隙度閉孔胞狀泡沫鋁進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)分析,討論了泡沫鋁力學(xué)性能影響因素,并采用屈服強(qiáng)度公式對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[12]。

目前,關(guān)于閉孔泡沫鋁在不同溫度下性能變化研究還相對較少。 Hakamada通過對閉孔泡沫鋁及其基體材料在溫度范圍573～773 K內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),閉孔泡沫鋁在高溫下的變形機(jī)制與其基體材料的變形機(jī)制本質(zhì)上是相同的[13]。Aly 通過對閉孔泡沫鋁進(jìn)行了常溫和高溫下的壓縮實(shí)驗(yàn)來研究泡沫鋁密度和實(shí)驗(yàn)溫度的影響[14]。Cady對泡沫鋁在不同應(yīng)變率低溫條件(77～295 K)下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究[15]。王鵬飛利用Hopkinson桿與MTS實(shí)驗(yàn)裝置分別研究泡沫鋁在不同溫度下的動態(tài)與靜態(tài)力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)泡沫鋁有很強(qiáng)的溫度軟化效應(yīng);并基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本構(gòu)關(guān)系框架,對常溫下的應(yīng)變率敏感系數(shù)和溫度項(xiàng)修正[16-17]。習(xí)會峰研究了-50 ℃到300 ℃范圍內(nèi)不同溫度作用下的泡沫鋁壓縮性能,提出將其簡化為五參數(shù)模型[18]。

閉孔泡沫鋁在航空航天、建筑等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,在這些領(lǐng)域里應(yīng)用,閉孔泡沫鋁會經(jīng)受各種溫度影響,因此有必要對閉孔泡沫鋁在不同溫度下的力學(xué)性能進(jìn)行研究。本文在前期對常溫情況下閉孔泡沫鋁力學(xué)性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對閉孔泡沫鋁進(jìn)行不同溫度的低溫和高溫處理,將處理后閉孔泡沫鋁進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn),得到閉孔泡沫鋁力學(xué)性能和吸能能力,分析孔隙率、溫度等相關(guān)參數(shù)對閉孔泡沫鋁力學(xué)性能和吸能能力的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

泡沫鋁由四川元泰達(dá)新材料股份有限公司通過熔體發(fā)泡法制備,制備好的泡沫鋁加工成需要的尺寸。壓縮試件尺寸:構(gòu)件長為57 mm,截面為方形,邊長33 mm。選取的泡沫鋁孔隙率分別為Pr=70%,80%、90%。加工好的試件見圖1。

圖1 泡沫鋁試件

1.2 試件加熱和壓縮試驗(yàn)

本次試驗(yàn)考慮了低溫和高溫兩種情況,其中低溫是指處理溫度小于400 ℃;高溫為處理溫度大于400 ℃。

圖2 泡沫鋁在不同溫度下的升溫曲線

泡沫鋁作為填充材料和裝飾材料在建筑領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用,為了研究閉孔泡沫在火災(zāi)情況下性能變化,高溫加熱使用的是上海意豐電爐公司生產(chǎn)的加熱電爐,將制作好泡沫鋁試件放入加熱電爐中進(jìn)行加熱,加熱采用模擬標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,但最高溫度小于標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的最高溫度,考慮不同最高溫度對泡沫鋁性能的影響,具體升溫曲線見圖2,加熱結(jié)束后,自然冷卻至室溫,將試件取出進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。為了比較溫度變化對泡沫鋁性能的影響,本次試驗(yàn)采用了三種溫度,分別是800 ℃、600 ℃和400 ℃。

低溫采用-30 ℃、20 ℃、100 ℃、300 ℃四種溫度進(jìn)行比較。-30 ℃和100 ℃采用DFY40低溫反應(yīng)浴槽來進(jìn)行實(shí)現(xiàn),將泡沫鋁放在其中保持5個(gè)小時(shí)后取出;300 ℃放在加熱電爐進(jìn)行實(shí)現(xiàn),升溫曲線見圖2。

壓縮實(shí)驗(yàn)采用濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司電子壓縮試驗(yàn)機(jī)(WDW-50)進(jìn)行,加載速度為1 mm/min,荷載-位移曲線由IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

泡沫鋁試件在加熱后,其形態(tài)見圖3。從圖中可以看出,其加熱溫度低于600 ℃,泡沫鋁試件形狀和外表面都沒有明顯變化;當(dāng)其加熱溫度達(dá)到800 ℃時(shí),試件外表面呈藍(lán)色,說明出現(xiàn)碳化;且部分試件出現(xiàn)嚴(yán)重變形,這是由于鋁的熔點(diǎn)660.4 ℃,泡沫鋁出現(xiàn)部分熔化現(xiàn)象,但隨著溫度降低泡沫鋁重新凝固,從而導(dǎo)致了形狀變化和孔結(jié)構(gòu)的部分塌陷。

圖3 泡沫鋁試件不同溫度處理后的形態(tài)

2.2 低溫下泡沫鋁壓縮曲線

為對泡沫鋁材料在不同溫度(低于400 ℃)條件下,材料性能的變化情況進(jìn)行比對測試。選擇孔隙率80%的泡沫鋁分別進(jìn)行-30 ℃、20 ℃、100 ℃、300 ℃的加溫過程,然后進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn),相關(guān)結(jié)果見圖4。從壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果可知,在低溫情況下,泡沫鋁屈服強(qiáng)度及屈服平臺基本一致,其屈服強(qiáng)度和吸能性能不隨溫度變化而變化。

圖4 低溫下泡沫鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 高溫下泡沫鋁壓縮曲線

高溫采用三種加溫曲線進(jìn)行加溫,分別為800 ℃、600 ℃和400 ℃,并與常溫20 ℃情況下的力學(xué)性能進(jìn)行比較。不同孔隙率泡沫鋁經(jīng)過高溫處理后的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。從圖中可以看出,在不同溫度下,閉孔泡沫鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線與常溫情況下相似,具有三個(gè)階段,分別為線彈性階段、屈服平臺階段和致密化階段;當(dāng)溫度小于600 ℃,泡沫鋁的性能變化較小;而溫度達(dá)到800 ℃時(shí),泡沫鋁的屈服強(qiáng)度和彈性模量明顯降低。

圖5 高溫下泡沫鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3.1 線彈性階段與彈性模量

加熱前后泡沫鋁在彈性階段都較短,其末端應(yīng)變?yōu)?.02～0.06左右,在這階段應(yīng)力與應(yīng)變呈固定的比例關(guān)系。圖6為孔隙率70%泡沫鋁在800℃高溫處理后的形態(tài),從圖中可以看出,泡沫鋁試件出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形,且其中在加溫中向上的側(cè)面表面形成了一層鋁膜,出現(xiàn)這種的現(xiàn)象的原因是,由于鋁的熔點(diǎn)660.4 ℃,當(dāng)其加熱溫度達(dá)到800 ℃時(shí),泡沫鋁試樣表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,當(dāng)溫度降低重新凝固,泡沫試樣出現(xiàn)明顯變形和重構(gòu)。

圖6 孔隙率70%泡沫鋁在800 ℃高溫處理后的形態(tài)

泡沫鋁的彈性模量和比例極限見表1。從表中可以看出,泡沫鋁的彈性模量和比例極限隨著孔隙率增大而減小,在20 ℃時(shí),孔隙率70%的比例極限強(qiáng)度為12.72 MPa,彈性模量為520.58 MPa,而孔隙率90%的比例極限強(qiáng)度為3.75 MPa,彈性模量為99.78 MPa,分別為孔隙率70%的1/3.4和1/5.2。當(dāng)溫度小于等于600 ℃時(shí),泡沫鋁比例極限fp和彈性模量的變化較小。當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃其彈性模量和比例極限fp明顯的降低, 孔隙率70%的比例極限強(qiáng)度為5.48 MPa,彈性模量為100.10 MPa,分別為20 ℃的43%和19.2%,孔隙率90%的比例極限強(qiáng)度為1.43 MPa,彈性模量為41.65 MPa,分別為20 ℃的38.3%和41.7%。

表1 泡沫鋁的彈性模量和比例極限

2.3.2 屈服平臺階段和屈服強(qiáng)度

閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線第二階段為屈服平臺階段,見圖5。從圖中可以看出,孔隙率為70%的閉孔泡沫鋁其屈服平臺階段十分平滑,而孔隙率80%和90%的閉孔泡沫鋁其屈服平臺階段上下波動明顯。這是由于孔隙率低的泡沫鋁孔徑小,孔壁厚,材料缺陷少,孔壁能較好承受增加的應(yīng)力;而孔隙率高的泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)隨著孔隙率的增大,孔徑越大、孔壁越薄,在荷載的作用下,當(dāng)試件中應(yīng)力超過基材鋁屈服點(diǎn)時(shí),孔壁薄弱處或有缺陷的區(qū)域發(fā)生破壞,在應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為鋸齒狀,泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 不同孔隙率泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)圖

泡沫鋁的屈服強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小,在20 ℃時(shí),孔隙率70%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為16.27 MPa,而孔隙率90%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為3.59 MPa,為孔隙率70%的1/4.5。在溫度小于600 ℃時(shí),其對屈服強(qiáng)度影響較小,孔隙率70%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為16.27～14.42 MPa,而孔隙率90%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為3.59～3.10 MPa;當(dāng)大于800 ℃,屈服應(yīng)力下降明顯,孔隙率70%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為7.26 MPa,為20 ℃的44.6%,而孔隙率90%泡沫鋁的屈服強(qiáng)度為1.46 MPa,為20 ℃的40.7%。

表2 泡沫鋁的屈服強(qiáng)度

王展光通過對閉孔泡沫鋁的單向壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了分析,得到其壓縮屈服應(yīng)力的公式為[12]:

(1)

式中:ρ、ρs——分別為多孔鋁和基體的密度,

kg/m3;

σs——基體的屈服強(qiáng)度,MPa,鋁基取70 MPa。

Sherwood在泡沫鋁本構(gòu)中引入溫度參數(shù)-溫度軟化項(xiàng)H(T),用來表征溫度對其影響。參考其做法,泡沫鋁在高溫度情況下壓縮屈服應(yīng)力為下面的式子:

σc(T)=H(T)σc

(2)

H(T)采用Johnson-Cook本構(gòu)模型中的溫度軟化項(xiàng):

H(T)=1-T*m

(3)

式中:T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom),℃,其中Troom為室溫,取值20 ℃;m為指數(shù),具體見公式4。

Tmelt——鋁的熔點(diǎn),℃,取值為660.4 ℃.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,可以得到:

(4)

圖8 泡沫鋁的屈服應(yīng)力理論值和實(shí)驗(yàn)值

泡沫鋁的屈服應(yīng)力與公式2的相關(guān)結(jié)果見圖8,從中可以看出公式2的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

2.3.3 屈服強(qiáng)化階段及破壞形態(tài)

閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線第三階段為屈服強(qiáng)化階段,隨著壓力的進(jìn)一步加大,泡沫鋁孔洞都被壓垮,應(yīng)力更多的由孔基體材料鋁所承受,表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而急劇升高,見圖5。

致密化應(yīng)變εD用來描述泡沫金屬應(yīng)力應(yīng)變曲線加速的起始點(diǎn),即壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線中的斜率(dσ/dε)明顯增大,對于致密化應(yīng)變采用εD=1-1.4ρ/ρs來進(jìn)行計(jì)算。閉孔泡沫鋁的dσ/dε曲線見圖9,從圖中可以看出,致密化應(yīng)變εD隨著孔隙率的增大而明顯增大,相關(guān)結(jié)果見表3。

圖9 泡沫鋁的dσ/dε曲線

從表3可以看出,試驗(yàn)曲線的致密化應(yīng)變總體上與公式計(jì)算結(jié)果比較吻合,致密化應(yīng)變隨溫度變化相對較小,總體上,隨著加熱溫度升高,其致密化應(yīng)變會略有增加。

雖然在加熱溫度為400 ℃、600 ℃時(shí),其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線相差很小,但其破壞形態(tài)卻相差很大,見圖10。在常溫情況下,其在應(yīng)變達(dá)到近0.8時(shí),依然較為完好,說明其塑形變形能力強(qiáng),而試件經(jīng)過400 ℃、600 ℃和800 ℃后,在壓縮情況下,其發(fā)生脆性破壞,說明經(jīng)過高溫后冷卻,泡沫鋁塑形能力降低,材料脆性增強(qiáng)。

表3 泡沫鋁的致密化應(yīng)變

圖10 不同溫度處理后泡沫鋁的破壞形態(tài)

2.4 泡沫鋁吸能能力

泡沫金屬主要用途是作為航空航天等領(lǐng)域的緩沖構(gòu)件,其最重要的特性是其吸能特性,吸能能力是表征其吸能特性的指標(biāo):

(5)

式中:ε——應(yīng)變;

σ——相應(yīng)的壓縮應(yīng)力,MPa。

閉孔泡沫鋁內(nèi)部含有大量孔洞,在外荷載作用下,孔洞被壓縮,孔壁將發(fā)生變形,能夠吸收一部分能量,不同孔隙率泡沫鋁的吸能能力曲線見圖11。從圖中可以看出,閉孔泡沫鋁的吸能能力隨著孔隙率的增加而下降,隨著溫度的增加而降低。

圖11 不同孔隙率泡沫鋁吸能能力曲線

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過不同溫度的泡沫鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線與常溫條下件相同,具有明顯的線彈性階段、屈服平臺階段和強(qiáng)化階段。

(2)當(dāng)加溫溫度低于600 ℃時(shí),泡沫鋁性能變化很小;當(dāng)溫度高于600 ℃后,泡沫鋁出現(xiàn)明顯的溫度軟化效應(yīng),屈服強(qiáng)度和彈性模量明顯降低。

(3)通過在高溫處理后泡沫鋁的應(yīng)力應(yīng)變公式中引入溫度軟化項(xiàng),并應(yīng)用該模型對不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,擬合效果很好。