材料非均勻性對泡沫金屬拉伸性能的影響

1、材料非均勻性對泡沫金屬拉伸性能的影響    摘要：通過對開孔泡沫鋁進行拉伸實驗，考察了泡沫金屬材料的非均勻性對其拉伸性能的影響。首先，通過分析同一批試件的初始密度，考察了材料的初始非均勻性；其次，重點考察了初始密度對材料破壞特性的影響。分析表明，即使初始密度比較接近的試件，它們的破壞應(yīng)力和應(yīng)變也有較大的離散性；對于不同初始密度的試件，破壞強度有隨初始密度的增加而變大的趨勢，但破壞應(yīng)變則無明顯的變化規(guī)律。因此，對于泡沫金屬這種細觀結(jié)構(gòu)非均勻性比較嚴重的材料，僅僅使用初始密度尚不足以刻畫其材料特征。對泡沫鋁的拉伸破壞特性進行了圖像分析，結(jié)果表明，材料的拉伸破

2、壞主要是由拉伸后期才出現(xiàn)的細觀結(jié)構(gòu)破壞引起的。這說明，早期的拉伸非線性特征主要是由材料的強非均勻性導(dǎo)致基體材料屈服而引起的。關(guān)鍵詞：泡沫金屬；非均勻性；準靜態(tài)拉伸；破壞特征引言由于泡沫金屬材料日益廣泛的工程應(yīng)用，在各種復(fù)雜環(huán)境下，泡沫鋁構(gòu)件所承受的荷載將趨于多樣性，對其拉伸力學(xué)性能的研究也具有重要的工程意義。國內(nèi)外一些學(xué)者對泡沫金屬材料的拉伸性能展開了研究。等對開閉孔泡沫金屬的拉伸模量與強度等進行了研究，分析了實驗值與預(yù)測值之間的差異因素。á基于滲流模型從微觀與宏觀兩個角度對多孔金屬材料的拉伸變形性能進行了研究。劉培生等建立了泡沫金屬材料的三維簡化力學(xué)模型，得出了雙向拉伸時的名義應(yīng)力

3、與孔隙率之間的關(guān)系式，對雙軸加載時的承載能力進行了分析。并于文獻中對泡沫金屬的抗拉強度與拉伸破壞形式進行了研究，基于高孔隙率泡沫金屬材料的分析模型導(dǎo)出了材料拉伸強度與孔隙率之間的理論關(guān)系，建立了抗拉強度的計算公式，將抗拉強度與孔率通過（）的冪次項型式聯(lián)系在一起。通過分析材料的單向拉伸破壞機制，發(fā)現(xiàn)開孔泡沫金屬材料的宏觀斷裂特點既不同于最大拉應(yīng)力準則的橫向斷裂，也不同于最大剪應(yīng)力準則的塑性流動破壞，而是表現(xiàn)為介于它們之間的一種復(fù)雜斷裂形式。等利用照相制版技術(shù)對泡沫金屬材料拉伸時的應(yīng)變場進行了觀察分析。項蘋對泡沫金屬材料的拉伸變形特征與機理進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬材料的拉伸變形過程具有較明顯的

4、三階段特征?？捣f安等研究了開孔與閉孔兩種胞孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁在不同相對密度下的準靜態(tài)拉伸力學(xué)性能，認為泡沫鋁的拉伸曲線由一個應(yīng)變較小的線彈性變形段和塑性變形段組成，塑性屈服中沒有出現(xiàn)明顯的屈服點。本文探討了泡沫金屬材料的初始非均勻性，重點研究了初始密度對開孔泡沫鋁材料在準靜態(tài)拉伸過程中破壞特征的影響，并基于圖像分析了材料拉伸破壞的非均勻特征。材料拉伸實驗本文研究的泡沫金屬材料為開孔泡沫鋁材料，采用顆粒鑄造法制備而成，其制作方法是采用一些耐高溫且可除去的無機（一般為低密度）顆粒堆積在鑄模中，預(yù)熱后倒入金屬液，形成金屬顆粒復(fù)合體，然后采用合適的溶劑、酸或熱處理方法把顆粒除去，從而產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò)互相連通的

5、泡沫金屬。基體材料的主要成分是鋁和少量的其它金屬，如硅、鎂、鐵、錳等。實驗中使用的試件是開孔泡沫鋁稱啞鈴型試件，用線切割方法把泡沫鋁板材加工成圖中的試件。準靜態(tài)加載使用的設(shè)備為電子萬能材料試驗機，在實驗中采用位移加載控制方式，加載速率為。初始非均勻性檢驗由于泡沫鋁材料本身的非均勻特性，即使是由同一塊泡沫鋁板材加工出的各試件其初始相對密度一般也是不同的。表中編號為至的試件是由一塊平均密度為的泡沫鋁板材用線切割方法加工出的十五個啞鈴型試件，表中數(shù)值是各試件的密度與相對密度的測量值。從表中數(shù)據(jù)可求出各試件總體的密度標準差為，相對密度的標準差為，密度最小的試件同密度最大的試件之間的相對差異達到了十五個

6、百分點。這些數(shù)據(jù)表明了材料具有較明顯的非均勻性。拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為了克服初始密度不同的影響，我們從不同泡沫鋁板材所加工出的試件中選擇了初始密度比較接近的五個試件作為分析對象（表），它們是編號為至的一組試件。圖是五個試件的準靜態(tài)拉伸應(yīng)力應(yīng)變實驗曲線，從圖中可以看出，各試件的拉伸曲線有典型的非線性特征。在拉伸的初始階段材料無明顯的線彈性階段。當試件的拉伸應(yīng)變逐步增大時，拉伸曲線彎曲更明顯，曲線上各點的切線斜率逐漸減小，切線模量值減小。當材料應(yīng)力達到最大值后，材料的拉伸應(yīng)力反而隨拉伸應(yīng)變的增加而緩慢減小，切線彈性模量值小于，這一階段可定義為材料的破壞發(fā)展階段。最后，整體材料到達破壞點，在某一截面上產(chǎn)

7、生斷裂破壞而失去承載能力。材料中初始密度的非均勻性對破壞性能的影響相近初始密度下的破壞特性由表中數(shù)據(jù)可知，同一塊泡沫板材中不同區(qū)域泡沫材料的初始密度有一定的離散度，故在不同的泡沫鋁試件與同一試件中的不同區(qū)域，其初始密度是非均勻的，為了研究初始密度對材料性能的影響，這里對不同相對密度的泡沫鋁試件的實驗數(shù)據(jù)進行研究。各試件在拉伸破壞過程的拉伸應(yīng)力值有一個最大值點，取此峰值點對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變分別為材料的破壞應(yīng)力值與破壞應(yīng)變值。而試件在拉伸實驗過程中的各應(yīng)變點處的切線彈性模量可用數(shù)值方法近似得到，對于第個數(shù)據(jù)點，其切線彈性模量值可由下式近似得出：（）把實驗中個泡沫鋁“啞鈴型”試件按相對密度的分布分為五

8、組，表為各組試件的材料參數(shù)均值，表中括號里數(shù)值為各組實驗值的均方差，表中的初始切線彈性模量僅為拉伸初始線彈性階段的數(shù)學(xué)期望值?？梢钥闯觯牧系某跏枷鄬γ芏葘Σ牧系膹椥阅Ａ?、破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變均有較明顯的影響。從表中也可以看出，當試件組的平均相對密度增加時，其彈性模量與破壞應(yīng)力相應(yīng)有增大 的趨勢，而破壞應(yīng)變則表現(xiàn)出相應(yīng)減小的趨勢。從表中各實驗值的均方差可以看出，雖然在同一組試件中各試件的初始密度比較接近，但各試件的初始切線彈性模量、破壞極限和破壞應(yīng)變的實驗值均存在一定的離散度。這說明，對于泡沫金屬材料，僅用初始密度來描述材料的特征是不夠的。不同初始密度下的破壞特性圖（）是從多個泡沫鋁板材切割加工

9、出的，不同初始相對密度試件的線彈性階段的切線彈性模量相對密度數(shù)據(jù)圖，圖（）是破壞應(yīng)力相對密度數(shù)據(jù)圖，圖（）是這些試件的破壞應(yīng)變相對密度數(shù)據(jù)圖。由于泡沫材料的非均勻特性，同一相對密度的試件其材料物理參數(shù)也具有一定的隨機性，從圖中各圖可以看出，相對密度相近的各試件所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點也有不同程度的分散。從圖（）（）可以看出，當開孔泡沫材料的相對密度增加時，材料的切線彈性模量值與破壞應(yīng)力值具有相應(yīng)增大的趨勢，但圖（）圖表明破壞應(yīng)變的變化趨勢不明顯。這充分說明材料的非均勻性對材料的拉伸特征影響很嚴重。第期 韓春光等：材料非均勻性對泡沫金屬拉伸性能的影響屈服與破壞特征屈服特征分析圖（）是試件在各階段的切線彈性

10、模量應(yīng)變曲線（其它試件的類似），圖（）是初始拉伸小應(yīng)變階段五個試件的切線彈性模量應(yīng)變曲線。從圖可以看出，無論是從拉伸的總體過程還是初始階段看，泡沫鋁的切線彈性模量總是在遞減的，即對這類材料不存在明顯的線彈性階段。這說明由于細觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，導(dǎo)致實體材料應(yīng)變分布嚴重不均勻，從而在拉伸早期階段，就存在實體材料的屈服或者破壞。臨界破壞的細觀特征圖中各圖為試件在破壞過程的細觀破壞特征圖片。圖（）是拉伸應(yīng)變?yōu)闀r的圖像，此時，試件開始有極少量單元的胞壁產(chǎn)生了斷裂破壞（圖中圓圈所圈處）。圖（）為試件應(yīng)變值為時的圖像，此時試件表面中進入破壞的單元數(shù)目增多。當拉伸應(yīng)變約為時，試件表面已經(jīng)破壞的單元顯著增多，表

11、面破壞單元開始聯(lián)結(jié)于一起形成表面小裂紋，如圖（）所示。圖（）為拉伸應(yīng)變?yōu)闀r試件最終斷裂截面的圖像。由上所述，泡沫金屬材料的拉伸破壞主要是由于材料內(nèi)破壞單元貫通形成小裂紋，再進一步延展形成貫穿性大裂紋所致，其破壞表現(xiàn)出明顯的非均勻特征。但由于裂紋是在材料臨界破壞時才大量觀察到的，這說明泡沫金屬早期拉伸時的非線性特征，主要是由材料的強非均勻應(yīng)力場導(dǎo)致實體材料屈服而引起的。結(jié)論本文通過實驗研究分析了泡沫金屬材料在準靜態(tài)拉伸時的力學(xué)性能，得到了泡沫金屬材料在其破壞前的實驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得出以下結(jié)論：（）泡沫金屬材料存在嚴重的細觀非均勻性。當開孔泡沫材料的相對密度增加時，材料的切線彈性模量值與破壞應(yīng)力值具有相應(yīng)增大的趨勢，但破壞應(yīng)變的變化趨勢不明顯。這充分說明材料的非均勻性對材料的拉伸特征影響很大，同時說明但憑初始密度不足以描述泡沫金屬的材料特性，特別是破壞特性。（）泡沫金屬在拉伸過程（哪怕是初始階段，應(yīng)變），材料都