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閉孔泡沫鋁的力學(xué)性能

為了更有效的利用泡沫鋁的吸能、緩沖、承載功能，需要對(duì)泡沫鋁的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。影響泡沫金屬的力學(xué)行為的因素可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)因素反映出泡沫金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如泡孔的形狀和大小、泡沫金屬的相對(duì)密度；另二類(lèi)則是泡沫金屬的基體材料同有的材料特性，比如密度、楊氏模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱等參數(shù)。

(1)閉孔泡沫鋁的靜態(tài)力學(xué)性能

泡沫材料細(xì)觀形貌的復(fù)雜性，使得對(duì)于泡沫材料無(wú)法像對(duì)蜂窩材料那樣進(jìn)行精確分析，通常采用量綱分析的方法。也就是選取某種適當(dāng)幾何形狀的胞體單元模型，分析其力學(xué)性質(zhì)同相對(duì)密度、基體材料常數(shù)的關(guān)系。這種關(guān)系只是按照量級(jí)估計(jì)的，表達(dá)式中保留有一些待定常數(shù)，而這些待定常數(shù)通常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)踐證明，這種量綱分析的結(jié)果只依賴(lài)于假定的變形模式，對(duì)選取的胞體模型不敏感。關(guān)于泡沫鋁力學(xué)性能的描述，Gibson和Ashby所做的大量工作具有指導(dǎo)意義。他們?cè)诳偨Y(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的研究成果，對(duì)泡沫材料力學(xué)性能進(jìn)行了較為全面、細(xì)致的闡述。

Gibson和Ashby認(rèn)為泡沫材料分成三種，即彈性體泡沫(如泡沫橡膠等)、彈塑性泡沫(如泡沫金屬等)以及脆性泡沫(如泡沫陶瓷等)。也就是說(shuō)泡沫鋁屬于彈塑性泡沫，采用正立方體胞體模型來(lái)描述泡沫材料，對(duì)于閉孔泡沫材料，彈性變形模式是受棱桿的彈性屈曲與封閉胞壁的延展的影響。由此得-+到泡沫材料的模量和相對(duì)密度的關(guān)系為：

E°/E_s=C₁φ²（ρ°/ρ_s）²+Cˊ₁（1-φ）（ρ°/ρ_s）           (2-22)

式中，E°為泡沫鋁的樣式模量，E_s為泡沫鋁基體材料的楊氏模量，p°為泡沫鋁的密度，ρ_s為泡沫鋁基體的密度，φ為表征泡孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)，O≤φ≤10，C₁，Cˊ₁為常數(shù)。Gibson和Ashby通過(guò)對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合得：

C₁≈Cˊ₁≈1                                       (2-23)

當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大，進(jìn)入屈服平臺(tái)段后，對(duì)于低密度彈性泡沫鋁，通常的變形模式是胞壁或棱桿的彈性屈曲，按照桿的彈性屈曲理論可以求出相應(yīng)的臨界應(yīng)力為：

σ^o_ys /σ_ys≈0.05（ρ^o/ρ_s）                (2-24)

對(duì)于密度較高的彈塑性泡沫，由于胞壁或棱桿較厚，在發(fā)生可能的屈曲之前材料已經(jīng)進(jìn)入塑性，于是其失效主要由塑性坍塌機(jī)制所控制。這時(shí)塑性極限載荷與基體材料的屈服應(yīng)力有關(guān)，極限載荷可表示為：

σ^o_ys /σ_ys≈0.3[φ（ρ^o/ρ_s）]^3/2 + （1-φ）（ρ^o/ρ_s）       (2-25)

最后材料進(jìn)入壓實(shí)段，并給出了初始?jí)簩?shí)應(yīng)變?yōu)椋?/span>

σ_d=1-1.4（ρ^o/ρ_s）                           (2-26)

以上關(guān)系都成之為Ashby-Gibson關(guān)系，經(jīng)常被應(yīng)用于泡沫鋁的力學(xué)性能的研究。

(2)閉孔泡沫鋁的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

閉孔泡沫鋁作為沖擊吸能和防護(hù)材料，僅僅準(zhǔn)靜態(tài)條件下的力學(xué)性能和吸能性并不能作為評(píng)價(jià)泡沫材料在沖擊條件下吸能性和進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，因?yàn)樵跊_擊條件下，隨著加載或變形速度的提高，泡沫鋁的變形機(jī)制、應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)都將發(fā)生變化，強(qiáng)度隨之上升，即產(chǎn)生所謂的應(yīng)變率效應(yīng)，因此，要求不僅要了解泡沫鋁的靜態(tài)力學(xué)性能，還要了解其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

閉孔泡沫鋁在動(dòng)態(tài)力學(xué)性能中也顯示出了典型的變形三階段：線彈性階段。塑變崩潰階段，致密化階段。線彈性階段：泡沫鋁的線彈性階段存在于較小的應(yīng)變范圍內(nèi)，一般ε<0.05,此區(qū)間內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€，直線的斜率為泡沫鋁的表觀楊氏模量。平臺(tái)區(qū)泡沫鋁的崩潰是按下述機(jī)理進(jìn)行的：由于多孔材料中組織的不均勻性，必然導(dǎo)致塑性變形的不同時(shí)性。材料破壞首先出現(xiàn)在最弱的孔洞處，導(dǎo)致含有此孔洞且與外力垂直的平面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，破壞隨后在此層中擴(kuò)展，而此時(shí)其余的孔洞仍處于彈性變形階段。由于此層孔洞的壓實(shí)，作用在此層上的應(yīng)力暫時(shí)得到釋放，但隨應(yīng)變的增加，此壓實(shí)層上、下兩層未破壞的孔洞重新相互接觸，破壞在新的層內(nèi)進(jìn)行并重復(fù)上述過(guò)程，使材料逐層被壓實(shí)。根據(jù)Ashby和Gibson的開(kāi)孔泡沫模型可推知：

σ_f/σ_s∝（t/l）³                                   (2-27)

式中：σ_f，σ_s分別為泡沫鋁和固體鋁的強(qiáng)度。由于在整個(gè)泡沫鋁樣品中，孔洞大小、分布比較均勻，可認(rèn)為t/l為一常量，故σ_f為一常量，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上呈現(xiàn)平臺(tái)區(qū)。致密化階段：當(dāng)泡沫鋁中幾乎所有的“孔洞”都被壓垮，以致于胞壁相互接觸時(shí)，進(jìn)一步的應(yīng)變?cè)絹?lái)越多地由基體材料本身所提供，從而產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增高。