多孔狀和蜂窩狀金屬材料力學(xué)性能動態(tài)高速壓縮試驗(yàn)方法分析

李智 李歡歡 李力 曾蕾 任紅凱

（1.中國檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)湖北有限公司 湖北武漢 430050；2.湖北中檢檢測有限公司；3.康穩(wěn)移動供電設(shè)備（武漢）有限公司）

1 前言

多孔狀和蜂窩狀金屬材料是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有許多孔隙的新型功能材料[1]，有的多孔狀和蜂窩狀金屬呈骨架結(jié)構(gòu)，有的呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其在金屬基體中含有一定尺寸孔徑、一定孔隙率、一定氣泡形狀、一定比面積、一定數(shù)量的金屬材料，它具有多孔材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還具有金屬材料優(yōu)良的力學(xué)性能和熱、電等物理性能， 是近些年來得到迅速發(fā)展的一種集多種優(yōu)良性能于一身的新型環(huán)保型結(jié)構(gòu)功能工程材料。隨著工業(yè)和科技的發(fā)展以及社會的進(jìn)步，人們越來越關(guān)注多孔狀和蜂窩狀金屬材料。 多孔狀和蜂窩狀金屬材料是指在金屬或合金材料中宏觀的或微觀的孔洞體積分?jǐn)?shù)（即孔隙率）＞15%后，材料就會因孔洞的存在而產(chǎn)生一些功能性能， 從而形成的一類新型的結(jié)構(gòu)與功能一體化的工程材料。

多孔狀和蜂窩狀金屬材料在作為結(jié)構(gòu)用途時(shí)，具有輕質(zhì)、沖擊能量吸收、吸音降噪、耐熱阻火、抗延展性等優(yōu)點(diǎn)，因此在電子與通訊、機(jī)械、汽車、船舶、地鐵列車制造、環(huán)保、航空航天、醫(yī)學(xué)、建筑等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其在交通運(yùn)輸行業(yè)中應(yīng)用可使汽車、火車、電車碰撞變形得到控制，在機(jī)械設(shè)備及電子設(shè)備的減震墊、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件等方面，其抗壓性能為工業(yè)設(shè)計(jì)的前提條件，當(dāng)多孔狀和蜂窩狀金屬材料應(yīng)用于汽車零部件時(shí)，因其獨(dú)特的胞狀孔結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的多功能復(fù)合特性， 可使汽車在行駛中發(fā)生碰撞時(shí)所產(chǎn)生沖擊能量得到吸收減緩。 多孔狀和蜂窩狀金屬材料變形行為不同于傳統(tǒng)致密性金屬， 故現(xiàn)有致密性金屬材料的壓縮試驗(yàn)方法不適用于多孔狀和蜂窩狀金屬材料。 為了檢測多孔狀和蜂窩狀金屬的力學(xué)特性，本文采用動態(tài)高速壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用樣品是“開孔”多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料，采用熔體發(fā)泡劑法制備而成（圖1）。

圖1 多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料

多孔狀和蜂窩狀金屬的結(jié)構(gòu)特征主要有：孔徑、孔隙率、氣泡形狀、比表面積等（圖2）[2-3]。

圖2 “開孔” 多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金

（1）孔徑：這是多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料的基本參數(shù)，孔徑分為體孔徑和面孔徑，體孔徑是指泡的等效直徑，但不便直接測量，實(shí)際使用中常用面孔徑，系指截面上泡的截面多邊形的等效直徑，用掃描儀將圖形輸入計(jì)算機(jī)，可較好地測出孔徑及孔徑分布，泡沫鋁的孔徑一般為0.5～5.5 mm 或更大[2]；

（2）孔隙率：是為孔隙所占體積與總體積之比，由于并非所有空隙都相互連通，把連通的空隙與總體積之比稱為有效空隙率，當(dāng)所有空隙都連通時(shí)兩者相等，多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料孔隙率一般為 40%～90%[2-3]；

（3）氣泡形狀：由于制備方法不同，多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料的氣泡可分為球狀、 胞狀和球胞混合狀三種形態(tài)[2-3]；

（4）比表面積：多孔材料的比表面積即一定體積的多孔材料的表面積與其體積之比，多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料比表面積大約為10～40 cm2/cm3，而比重只為同體積金屬的1/2～1/10[2-3]。

2.2 試樣形狀與尺寸[4]

試樣形狀與尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)保證： 在試驗(yàn)過程中標(biāo)距內(nèi)為均勻單向壓縮； 引伸計(jì)所測變形應(yīng)與試樣軸線上標(biāo)距段的變形相等； 端部不應(yīng)在試驗(yàn)結(jié)束之前損壞。 試驗(yàn)方法在抗壓試驗(yàn)中推薦（圖3）所示的矩形試樣和圓柱形試樣。

圖3 矩形試樣和圓柱形試樣示例

矩形試樣寬度 （W0） 尺寸和圓柱形試樣直徑（D0）尺寸應(yīng)當(dāng)至少為 10 倍的平均孔隙度直徑（da）；其中寬度（W0）和直徑（D0）都不少于 10mm[4]。

圓柱形試樣的高度與直徑比（H0/D0）或矩形試樣的高度與寬度比（H0/W0）應(yīng)在 1～2 之間，多多孔狀和蜂窩狀金屬的平均空隙大小 （對于球形其孔隙度稱為直徑、 對于非球形的孔隙度稱為軸向和橫向尺寸）在切削加工試樣之前應(yīng)測量其大小，同時(shí)在試驗(yàn)報(bào)告中記錄試樣的形狀與尺寸、孔隙的類型（如開孔或閉孔）[4]。

多孔狀和蜂窩狀金屬材料進(jìn)行切削加工試樣時(shí)，孔隙的大小和分布情況都要詳細(xì)的進(jìn)行檢查和記錄。

2.3 試樣制備

多孔狀和蜂窩狀金屬在切取樣坯和機(jī)加工制樣時(shí)試樣必須反應(yīng)其物質(zhì)結(jié)構(gòu)， 具備有車銑床、 切割機(jī)、磨床、電火花等加工設(shè)備。在任何情況下，多孔狀和蜂窩狀金屬都需防止因冷加工或熱加工等影響而改變材料的性能。

試驗(yàn)過程中試樣與壓板接觸的面應(yīng)平行， 其他切削表面必須垂直于接觸表面。 所有試樣加工后其切削表面及棱邊應(yīng)當(dāng)無毛刺、無倒角[4]。

對于任何多孔狀和蜂窩狀金屬，在一般情況下，試樣受壓表面部分要切削除去。 表面上不應(yīng)有劃痕等損傷[4]；試樣厚度為機(jī)加工厚度時(shí)，表面粗糙度應(yīng)不劣于原表面的粗糙度。 厚度（或直徑）在標(biāo)距內(nèi)的允許偏差為1%或0.05 mm，取其小值。

2.4 儀器及設(shè)備

伺服式高速壓縮試驗(yàn)機(jī)由壓板、力傳感器、位移傳感器、安全銷以及擋板組成[5]。 液壓伺服式高速壓縮試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（圖4）。

壓板位于試樣的頂部和底部， 用于給試樣施加壓縮力。壓板的結(jié)構(gòu)不會因?yàn)閴嚎s力而變形，能夠準(zhǔn)確地傳遞軸向壓縮力， 防止在試樣上產(chǎn)生除壓縮力之外的其他力的效應(yīng)，比如彎曲應(yīng)力等。壓板的表面積應(yīng)足夠大， 確保在試樣的整個(gè)端面均勻地施加壓縮力，直到徹底完成壓縮形變。壓板的施壓面應(yīng)做拋光處理，壓板的上下表面應(yīng)平行，上下壓板平面的中心線應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的加載線重合。

力傳感器可以測量作用于試樣上的壓縮力，應(yīng)依據(jù)GB/T 16825.1 對力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。力傳感器的諧振頻率和硬度應(yīng)足夠高， 壓力的測量準(zhǔn)確度級別應(yīng)不低于1 級。

位移傳感器用于測量試驗(yàn)過程中錘頭的移動距離，為了避免慣性影響，位移傳感器應(yīng)是非接觸式的。位移傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)高于試驗(yàn)速度，推薦使用激光位移傳感器及光學(xué)位移傳感器等高精度位移傳感器。

安全銷是一個(gè)試驗(yàn)力傳遞部件，用于防止超大壓縮力對力傳感器和壓板造成損壞。安全銷的材質(zhì)和尺寸應(yīng)足以承受所需的試驗(yàn)力，并且可以在力傳感器和壓板承載范圍內(nèi)破裂，而不發(fā)生大的塑性變形。

擋板位于2 個(gè)壓板質(zhì)檢， 當(dāng)試樣發(fā)生變形到指定高度時(shí)，擋板應(yīng)使壓板停止運(yùn)動。

圖4 液壓伺服式高速壓縮試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.5 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)以0.1～100 m/s 的速度向多孔狀和蜂窩狀金屬材料施加沖擊力，測量壓縮力和位移，以此來評估樣品的高速壓縮形變特性， 比如平臺應(yīng)力以及能量吸收等。 向多孔狀和蜂窩狀金屬施加高速壓縮力的試驗(yàn)方法是伺服式高速壓縮試驗(yàn)。

伺服式高速壓縮試驗(yàn)通過液壓式或電動式高速伺服設(shè)備施加壓縮力， 通過伺服控制來改變試驗(yàn)速度。 驅(qū)動裝置必須能夠跟蹤試驗(yàn)速度。

2.6 試驗(yàn)尺寸測量

矩形試樣高度和寬度，須在試樣原始標(biāo)距中點(diǎn)處測量；圓柱形試樣須在原始標(biāo)距中點(diǎn)處2 個(gè)相互垂直的方向上測量直徑，取其算術(shù)平均值（測量精確到0.1 mm）；根據(jù)其算術(shù)平均值計(jì)算試樣的原始橫截面積。

3 結(jié)論

綜上所述， 本試驗(yàn)方法在室溫條件下對多孔狀和蜂窩狀金屬進(jìn)行動態(tài)高速壓縮試驗(yàn)， 對多孔狀和蜂窩狀金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行了量化分析， 以該方法為依據(jù)可研判多孔狀和蜂窩狀金屬的力學(xué)性能與孔隙度大小、相對密度、孔隙度形狀、孔隙率之間的關(guān)系，對這方面的研究進(jìn)行規(guī)范化，有效的為國內(nèi)相關(guān)從業(yè)人員開發(fā)多孔狀和蜂窩狀金屬的應(yīng)用提供了試驗(yàn)方法和試驗(yàn)依據(jù)， 不同的多孔狀和蜂窩狀金屬材料試驗(yàn)后對其結(jié)果進(jìn)行定量分析。 多孔狀和蜂窩狀金屬在很多實(shí)際應(yīng)用場合承受的都是動態(tài)載荷作用。在動態(tài)高速壓縮試驗(yàn)中，不管多孔狀和蜂窩狀金屬的密度為多少， 其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的響應(yīng)曲線是一樣的，均經(jīng)過三個(gè)階段：彈性段，屈服段和致密段[9]。

鑒于其優(yōu)良的綜合性能， 多孔狀和蜂窩狀金屬在我國民用領(lǐng)域的使用范圍不斷擴(kuò)大， 作為一種緩沖減震材料如多孔狀和蜂窩狀金屬鋁合金材料，具有很好的應(yīng)用前景。