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1、第16卷 第4期实 验 力 学Vol.16No.42001年12月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSDec.2001文章编号:100124888(2001)0420438206X泡沫铝的单向力学行为王 曦,虞吉林(中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室,合肥230026)摘要:本文对不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向拉伸性能和单向压缩性能进行了研究,揭示了泡沫铝材料的变形机理,并且发现相对密度不是确定材料力学属性的唯一参数,孔径大小对材料的力学性能也有一定的影响.基于实
2、验数据,我们讨论了材料的宏观力学性能和微观结构的联系,并利用Ramberg2Osgood模型描述了材料的单轴拉伸一维应力应变关系.关键词:泡沫铝;应力应变曲线;微结构;孔径尺寸;Ramberg2Osgood模型+中图分类号:TG146.21 文献标识码:A1 引言 很多年来,自然界中大量存在的疏松多孔材料以其优异的力学性能和多种应用功能引起[1-3]许多力学家、材料学家和工程师的广泛兴趣和不懈的探索研究.泡沫金属材料作为多孔金属材料的一个分支,已有40多年的发展历史.Sosnik于1948年
3、最早提出利用汞在熔融铝中气化而制取泡沫铝合金的想法.Ellist发展了这一想法,并于1956年成功地制造了泡沫铝.泡沫金属材料作为一种新型工程材料,在各种军用、民用的工程结构中均展现出广泛的应用前景.特别是近几年来,泡沫金属材料的生产研制技术已经日趋成熟,加速了人们对泡沫金属材料应用研究的步伐.如日本几年前已将泡沫铝板用于高速公路两侧的吸音墙,德国大众汽车公司也将泡沫铝用于汽车作为吸能装置.因此,国际上不少研究机构把泡沫金属作为21世纪新材料研究的一个专门的热点.例如,美国陆军研究办公室将泡沫金属
4、材料等多孔材料列为21世纪材料研究的新趋势之一.同时,孔洞材料力学在国际力学界已成为具有明确定义的力学研究领域.我们先总结一下开孔泡沫材料的理论分析结果,给出泡沫材料的力学参数和相对密度3QöQs的关系式.由于泡沫材料胞体的几何形状过于复杂,无法像蜂窝材料那样精确分析,通X收稿日期:2001203211;修订日期:2001210228基金项目:国家自然科学基金(批准号:10072059)资助的课题作者简介:王曦(1976-),男,硕士生,现为美国哈佛大学博士生.©1994-2006ChinaAca
5、demicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第4期 王 曦等:泡沫铝的单向力学行为 439常采用量纲分析的方法.也就是选取某种几何形状的胞体摸型,分析其性质与相对密度、基体材料的关系.这种关系只是按照量级估计的,表达式中保留有一待定常数,通常需要通过实验测定.实践证明,这种量纲分析的结果只依赖于假定的变形模式,对选取的胞体模型不敏感.对[1]
6、于开孔各向同性泡沫材料,Gibson和Ashby采用图1所示的正立方体模型.假设弹性变形模32式主要是棱杆的弯曲.根据初等梁理论计算变形量,并注意到QöQs∝(töl),可以得到开孔泡3沫材料的模量E为332EöEs=C1(QöQs)(1)当应变较大时(如超过5à或某个更小的值)时,泡沫材料不再保持线弹性.对于密度较高的弹塑性泡沫,由于棱杆较厚,在发生可能的屈曲之前材料已经进入塑性,于是其失效主要由某种塑性坍塌机构所控制.这时,塑性极限载荷与基体材料的屈服应力有关,开孔泡沫的极限载3荷RUTS可表
7、示为333ö2RUTSöRys=C2(QöQs)(2)其中C1,C2为常数.通过和大量实验数据比较得出C1≈1,C2≈0.3.从上面可以看出,相对密度是决定泡沫材料力学属性的一个很重要的参数.本文研究的泡沫铝材料微观结构的扫描电镜照片如图2所示.从照片上我们可以看到,材料的微结构和理论分析的开孔微结构(图1)有明显的差别.胞棱并不是规则的棱柱,而是无序的固体集合体.而且在这些集合体中还有一些孔洞和大量的裂纹.这些微结构的缺陷肯定会对材料的力学性能造成影响.所以泡沫材料胞体的几何性质也是很重要的一个
8、因素,研究孔径大小等胞体几何性质对材料性质的影响对全面了解泡沫材料的力学性质有很重要的意义.本文对两种不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向拉伸力学性能和五种不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向压缩性能进行了研究,揭示了泡沫铝材料的变形机理,并发现孔隙率不是唯一的确定材料力学属性的参数,孔径大小对材料的力学性能也有一定的影响.基于实验数据,我们讨论了材料的宏观力学性能和微观结构的联系,并利用Ramberg2Osgood模型描述了材料的拉伸状态的一维应力应变关系.[1]图1Gibson2Ashby
