孔隙结构与变形条件对藕状多孔金属变形行为和吸能特性的影响

发布时间：2019-08-09 19:15

【摘要】：藕状多孔金属是一种力学性能优良的新型多孔金属材料,是近年来多孔材料研究的热点。藕状金属的变形行为和吸能性能的研究可为其在航空航天、高速交通等高技术领域轻质结构和吸能部件方面的应用奠定基础。本文以变形能力差异较大的两种典型藕状多孔金属(铜和镁)为对象,采用GLEEBLE实验和直撞式霍普金森压杆方法,在10-3～2500s-1应变速率范围内,对藕状多孔金属进行了压缩变形测试,系统研究了孔隙结构和变形条件对藕状金属变形行为、力学性能和吸能特性的影响,构建了藕状多孔金属的本构关系,取得的主要研究结果如下。采用自行研制的定向凝固装置,研究了凝固速度、浇注温度、铸型温度等主要制备参数对藕状镁和铜孔隙结构的影响规律,获得了可制备出具有较高孔隙率(40%-65%)、较小平均孔径(Φ0.15-0.55mm)和较好均匀性孔隙结构的藕状多孔镁和铜的条件：采用水冷铜模直接冷却以获得较大的凝固速度,铸型温度分别约为500℃和900℃,浇注温度分别约为760℃和1180℃。采用变形量控制和高速摄像等方法,研究了藕状多孔金属的压缩变形行为,给出了孔隙结构的变化过程和图景,探明了变形条件对多孔金属变形行为的影响。结果表明：藕状多孔金属表现出与致密金属迥异的压缩变形行为,即在压缩过程中应力在较大应变范围内缓慢增加或基本不变,压缩变形过程主要包括以孔壁发生弹性和镦粗变形为主的线弹性阶段、以孔壁发生塑性弯曲变形为主的低应力平台阶段和以孔隙进一步闭合并发生整体流变为主的密实化阶段。研究发现,当平行于气孔压缩时,藕状多孔金属在平台阶段的变形行为与材料特性和应变速率有关。对塑性变形能力良好的纯铜,在低、中应变速率时以孔壁发生的S形弯曲变形为主,在高应变速率时则以C形弯曲变形为主；对塑性变形能力较差的纯镁,在低、中应变速率时主要以孔壁发生局部剪切断裂进而向孔隙内塌陷的方式变形,在高应变速率时主要以孔壁发生倾转进而折断的方式变形。当垂直于气孔压缩时,藕状多孔金属在平台阶段的的塑性变形行为主要与应变速率有关。在低、中应变速率时,以孔壁向气孔内发生弯月形弯曲和塌陷并逐渐填充孔隙部位的变形方式为主,而在高应变速率时以气孔直接压扁闭合的变形方式为主。分别采用力学分析的方法,建立了藕状金属压缩变形平台阶段的本构关系模型,具有较高的精度。研究了孔隙结构与变形条件对藕状多孔金属压缩力学性能的影响,结果表明,孔隙率、平均孔径和孔隙均匀性等孔隙结构参数中孔隙率对压缩力学性能的影响最显著。藕状多孔金属的力学性能具有显著的各向异性,压缩方向与气孔方向夹角越小,平台应力越大：应变速率较低时对力学性能的影响不明显,但对藕状多孔铜当应变速率增大到某一临界值时表现出显著的应变速率硬化效应；变形温度升高,压缩应力下降,平台区的宽度增加。采用线性拟合的方法,获得了孔隙率和变形条件对藕状多孔金属应力应变关系影响的数学模型,建立了藕状多孔金属压缩变形包含孔隙结构参数和变形条件的本构关系,具有较高的精度。研究了典型藕状多孔金属的吸能特性以及孔隙结构和变形条件的影响,结果表明,藕状多孔金属具有较高的单位体积与单位质量吸能能力以及可在较大的应变范围保持基本不变的较高稳定吸能效率；吸能性能具有明显的各向异性,平行于气孔方向压缩与垂直时相比,吸能能力较高,稳定吸能段明显较宽,但稳定吸能效率值稍低；吸能能力随孔隙率的增大而减小,而吸能效率受孔隙率和应变速率的影响不明显。藕状多孔铜的吸能机理主要是孔壁通过发生弯曲、压扁、塌陷等变形将能量转化为塑性功而吸收和消耗能量；藕状多孔镁主要是孔壁通过发生断裂、转动、弯折、塌陷等变形方式耗散和吸收能量。
【图文】：

形貌,多孔金属,孔隙结构,形貌

共生结构被称作“Gasarite”，其结构特点为：由很多长而直的圆柱形气孔定向规则分布于基体中，如图1-1所示【"】，，因其形状与藕根相似被称作藕状多孔材料。图1-1藉状多孔金属孔隙结构形貌(a)横截面；（b)纵截面定向凝固制备岕状多孔金属的工艺原理是：一方面气体在金属中溶解度与气体和金属本身有关，即不同气体在某种金属液体中的溶解度相差比较大；-6 -

多孔不锈钢,实现结构,应用领域,性能

实现结构和性能上与人骨的进一步亲和。这些都是Gasarite材料潜在的非常有意义的应用领域。如图1-2和图1-3所示为将岕状多孔不锈钢用作接骨材料的研究报道ii SjO “ ■‘ 100 "0 ‘ I图1-2用于老鼠骨略挏接的藉状多孔不诱钢-9-
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.4

【参考文献】