金属力学性能（精选十篇）
金属力学性能 篇1
关键词：金属橡胶,剪切力学性能,加载实验,应力幅值
0 引言
目前超高层建筑日益兴起, 使得钢筋混凝土框架—剪力墙结构应用广泛, 作为主要的受力构件, 剪力墙的整体刚度大, 在地震作用下易发生脆性剪切破坏。因此, 剪力墙抗震性能的研究对保证结构的安全性和减少后期加固及修复的损失显得尤为重要。针对这种现状, 急需一种新的耗能装置进行替换。
目前由金属橡胶制成的阻尼器, 具有阻尼大、受温度影响小、耐腐蚀等特点, 是一种新型的阻尼减震材料[1]。金属橡胶材料的变形自恢复耗能减震性能, 可以减小结构塑性损伤充分耗散地震能量, 相关减震装置在地震后变形可自恢复, 无需替换。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成的空间网状结构, 同时兼备金属特点和橡胶的弹性, 有良好的形状记忆性能, 应用领域除抗震与抗冲击外还涉及航空航天、军事、降噪等多个方面[2]。
现今关于金属橡胶的研究主要涉及到金属橡胶材料在承受压缩荷载时的性能变化规律, 而关于剪切荷载作用下金属橡胶性能变化的实验研究尚未广泛开展。因此, 文章了解到目前研究中的这一现状, 从而针对不同的金属橡胶试件, 研究在改变密度、加载频率、加载幅值和循环加载次数等变量时, 金属橡胶材料在剪切荷载作用下的剪切性能变化规律。通过实验得到等效阻尼比和剪切应力—应变关系曲线等数据, 为未来关于金属橡胶材料剪切性能的研究提供了进一步的可行性方向。
1 试验材料
金属橡胶结构性能与制成材料密度、形状因子、热处理工艺等参数息息相关, 因此试件选用Fe-Cr-Ni系合金即奥氏体不锈钢制成, 所得试件具有塑性好、导热性差等特点[3]。试件尺寸为边长为25 mm的立方体。通过增加剪切方向的金属丝数量来提高抗剪切性能, 制成的试件按质量和成型密度的不同分别编号OMR-1, OMR-2, OMR-3, 所得试件参数见表1。
2 试验方法
金属橡胶的剪切性能实验所采用的试验装置是哈尔滨工程大学力学实验中心的INSTRON Fast Track TM8801电液伺服动力疲劳试验机。静力剪切试验和动力剪切试验中沿图1中x和y方向施加剪切循环荷载, 该方向与研究压缩性能实验时施加力的方向相垂直。在试验过程中根据传感器采集基本数据并将其换算成应力和应变。试验装置内部和模拟的试件剪切方向如图2所示, 即通过夹具两侧相互搓动施加剪切荷载。
为研究各变量因素对金属橡胶材料剪切性能的影响, 在保证试件变形可恢复性的基础上, 改变各变量的取值, 来分析和总结剪切性能变化规律。各变量具体变化为:
1) 加载方向:沿图1中相互正交的ox, oy方向分别进行加卸载实验;
2) 加载频率:0.1 Hz, 0.5 Hz, 1.0 Hz, 3.0 Hz;
3) 应力幅值:5%, 10%, 15%, 20%;
4) 各试件构件成型密度不同。
3 试验结果与分析
3.1 加载方向和加卸载循环次数的影响
为了确定金属橡胶中非受压成型面和加载次数是否会影响剪切性能, 沿图1中相互正交的ox, oy方向分别进行多次的加卸载实验, 并比较沿每个方向加载时, 加载次数的增多是否会使迟滞曲线发生变化。在确定加载频率为1.0 Hz和应变幅值为10%的前提下, 绘制ox和oy两个方向的剪应力—剪应变迟滞曲线, 如图3所示。由图可知, 两个方向的曲线基本一致, 可以得出金属橡胶中两个非受压成型面的剪切性能基本相同。同时, 通过发现ox方向或oy方向的迟滞曲线加载前后趋于一致, 可以总结出加卸载循环次数对金属橡胶试件的滞变性能基本无影响。另外, 通过曲线可以分析出剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。
3.2 加载频率的影响
为了确定不同加载频率时金属橡胶材料的剪切性能是否有差异, 对试件OMR-1按不同频率进行加载, 得到试件OMR-1在应变幅值为20%时在0.1 Hz, 0.5 Hz, 1.0 Hz, 3.0 Hz的加载频率下的剪应力—剪应变曲线, 如图4所示。根据该曲线, 可以得出在应变幅值、成型密度确定的情况下, 不同加载频率下的曲线基本重合。这意味着金属橡胶的剪切性能与加载频率的大小无关。
3.3 应力幅值的影响
为了研究不同加载幅值对金属橡胶材料剪切性能的影响, 采用的具体方法为对三个试件在其他条件相同时分别采用5%, 10%, 15%, 20%的应力幅值进行剪切加载[4], 得出试验数据并绘制出试件在不同幅值下的迟滞曲线。如图5所示为试件OMR-3在不同幅值下的迟滞曲线。由图5可知在不同幅值下, 曲线所包络的面积大小有所不同。具体表现为应力幅值越大, 所包络的面积越大, 即金属橡胶耗能能力增强。直接原因是因为过大的加载幅值使得金属丝之间发生明显的滑移现象, 克服了它们之间的摩擦力, 最终表现为耗能增加[5]。
3.4 成型密度的影响
为了比较不同成型密度的阻尼性能, 在其他变量因素确定的条件下对不同试件进行剪切加载, 此时影响变量只有成型密度, 并绘制不同试件的剪应力—剪应变迟滞曲线。由图6可知, 随着成型密度的增加, 应力—应变曲线的切线弹性模量变大, 即剪切刚度变大。造成该结果的直接原因是成型密度的增加使金属丝越密集, 在相同的受力情况下金属丝之间的摩擦力势必增多, 剪切刚度随之增加。因此, 可以总结出随着成型密度的增加, 金属橡胶材料沿剪切方向的减震耗能能力逐渐增强。
4 结语
文章通过利用控制变量法对金属橡胶材料剪切力学性能进行试验研究, 并分析试验结果可以总结出以下结论:当金属橡胶试件承受剪切荷载变形时, 循环加载次数、加载方向和加载频率并不影响试件的剪切性能, 同时, 试件的耗能减震效果和阻尼性能与成型密度和应力幅值成正比。另外, 剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。因此, 金属橡胶材料适于应用在承受剪切荷载的结构中, 来达到耗能减震的作用。
参考文献
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金属材料的力学性能包括哪些 篇2
1、强度：材料在外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。
2、屈服点(6s)：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。
3、抗拉强度(6b)也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。如铝锂合金抗拉强度可达689.5MPa
4、延伸率(δ)：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。
工程上常将δ≥5%的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等;而把δ≤5%的`材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。
5、断面收缩率(Ψ)材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。
6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW)和洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)。
性能不凡的“金属杂志” 篇3
索尼Xperia Tablet S利用红外智能遥控功能可以化身“通用遥控器”，预置了海量遥控命令，易于操作，只是全英文的操作界面稍显美中不足。
在机身左侧设置了3.5 mm耳机孔和标准SD卡槽。
位于机背底部的USB接口盖上保护盖之后可以防滴溅，两个立体声喇叭被分开设置，声音洪亮，而且拿在手上时声音不容易被闷住。
电源键和音量调节键被设置在机身右侧，操作起来手感不错，银色的设计也很协调，使整机显得简洁、时尚。
纤薄讨喜的书卷风
说索尼Xperia Tablet S平板电脑像书卷或是杂志，是因为它前面的一部分貌似被“折”到后面去了，而且重量大约只有570g，最薄的地方只有8.8mm，所以无论是看起来还是拿在手里，都像是一本很薄的杂志。沿袭了极佳的折叠角度和操作舒适度等特色，索尼Xperia Tablet S在单手握持时一样有好手感。只有9.4英寸的它比我们的杂志还要小一圈，即使是手小的女生，长时间单手拿捏也可以轻松应对，体积上和旧款Tablet S平板电脑相比“瘦”了一圈，明显瘦身成功。
背面铝镁合金材质的外壳非常地抢眼，在机身背面有“XPERIA”系列产品识别字样，上半部的黑色区域有黑色微凸小点，不仅增添了视觉上的变化，而且还可以防滑。搭载索尼的显示技术OptiContrast Panel绚丽黑矅面板，不仅提高了对比度与亮度，也着重突出了画面的绚丽与鲜明层次，保证了它的显示素质。
比四核还要强大
索尼Xperia Tablet S平板电脑搭载了NVIDIA最新的Tegra 3四核处理器，反应速度很快，同时具有良好的3D性能，预装的真实赛车2和现代战争3玩起来非常流畅，玩起来比一般配置的四核品质更好。而新增的客人模式和红外智能遥控的功能也令Xperia Tablet S倍显人性化，如此给力的设计真是让笔者爱不释手。
说起客人模式，可以说是索尼为Xperia Tablet S平板电脑添加的最聪明的特色，也是Android操作系统最核心的特色。用户可事先为客人创建第二个、第三个甚至第四个模式，然后便可进行应用协议和数据查找等操作，还可以加入朋友或客人喜爱的壁纸以及图标布局等设置，这样模式中显示的内容就像是专门为某个人定制的一样。也可以将一些资料、信息以及邮件等加入相应模式并设置密码，以限制客人或小朋友可以看到和使用的数据和应用程序，方便用户安全共享。
可化身“通用遥控器”是指索尼Xperia Tablet S保留了IR技术，利用红外智能遥控功能把平板电脑当作遥控使用。比如你想用平板电脑来遥控电视机，只需要在完成注册后选择电视机类和相应的品牌，远程红外设备就能扫描出你所用的电视的信息，然后便可以和平板电脑“捆绑”在一起，预置的海量遥控命令使得红外智能遥控功能操作起来非常简单，并且这项功能不止针对索尼品牌的产品，蓝光播放器、WD TV Live Hub以及Apple TV等多种影音设备也同样适用。
金属力学性能 篇4
泡沫材料的力学性能主要依赖于基体力学性能、相对密度及表征材料内部几何结构的参数等。许多研究者从这些方面入手,以理论、实验或数值模拟的方法研究了泡沫金属材料的力学性能。如Gibson和Ashby[2]利用立方体交错模型对不同种类泡沫材料的压缩变形机制进行简单解释,给出了宏观力学性能的半经验公式。Vander Burg等[3],Zhu等[4]用Voronoi模型模拟泡沫材料的微结构,研究了材料的弹性模量和压缩性能。Warren和Kraynik[5]利用支柱型四面体微结构模型建立了开孔泡沫材料的弹性非线性本构关系,但它只适用于泡沫材料因支柱屈曲而导致屈服变形前的单轴变形行为。Nieh等[6]研究了泡孔尺寸对材料屈服强度和弹性模量的影响,并认为这种影响可以忽略。Onck等[7]利用数值模拟对泡沫材料进行分析,认为开孔尺寸对泡沫材料力学性能是有影响的。国内学者也在这方面作了众多研究,如卢子兴等[8]、赵隆茂等[9]、胡时胜等[10]通过理论和实验研究了泡沫材料相对密度对材料整体力学性能的影响,刘培生等[11]总结了近年来用于多孔材料的分析模型,曹晓卿等[12]从理论和计算两方面探讨了微结构对多孔材料力学性能的影响。
纵观整个研究领域,对开孔泡沫金属力学行为的研究,理论方面主要通过对典型胞元结构进行分析,采用简化模型和有限元模拟方法来得到泡沫材料的力学行为;而在实验方面,采用准静态或动态冲击实验。绝大多数的研究表明,相对密度对材料的力学行为起主导作用。但是,在孔隙尺寸对其力学性能影响方面的研究报道相对较少。本工作以国内市场上典型的多孔泡沫铜产品为对象,通过静压实验对多孔金属介质的力学行为进行研究,得到了材料力学性能与相对密度、孔隙尺寸等材料参数之间的相依关系。在此基础上,重点分析了孔隙尺寸对材料性能的影响机理。
1 实验
实验材料为开孔泡沫铜,由上海某新型材料生产商提供,其采用电解沉积工艺制成[13]。在生产过程中,阴极镀件是聚氨酯制成的开孔基体,电解过程利用电子流的作用,使电解液中金属阳离子还原成金属单质而沉积在阴极镀件表面。当还原的金属铜沉积量达到要求时停止电镀,然后在熔炉里对电镀好的材料进行热处理,烧掉基体,从而得到了开孔泡沫铜。因此,泡沫铜孔径的大小取决于聚氨酯泡沫基体孔径的大小,而相对密度可由电镀时间加以控制。网状的聚氨酯泡沫孔大小可以做到5ppi到130ppi,其中ppi指每25.4mm范围内的平均孔洞数量。利用同一种聚氨酯泡沫基体可以制得相同孔径但相对密度不同的泡沫金属材料。
本实验采用三种不同平均孔径的多孔泡沫铜,其ppi参数分别为40,70和100。由于材料为10mm厚的板料,通过电火花线切割方法将材料制成20mm×20mm×10mm尺寸的方形试件。图1 分别为40ppi和70ppi的泡沫铜面内SEM显微照片,可以看出材料的孔洞基本处于连通状态,但其孔径大小呈概率分布。经过初步测量,每英寸的平均孔洞数量和供应商提供的参数基本一致。
图1多孔泡沫铜的SEM形态(a)40ppi;(b)70ppi Fig.1 Microstructure of porous copper foams(a)40ppi;(b)70ppi
准静态压缩实验在多功能材料实验机(MTS)上进行,实验时将两块试件叠在一起进行压缩,则试件厚度为20mm。加载速率为5mm/min,名义加载应变率约0.0042s-1。由于材料的相对密度在板内有一定的分散性,按照ppi不同将其分为三组进行实验,所对应的试件分组编号分别为A,B和C,每组选出11个不同相对密度的试件。由于基体材料的密度ρs= 8.9g/cm3,通过测量试件的尺寸和质量得到各个试件的名义密度ρ。试件的相对密度如表1所示,ppi为40和70的材料,其相对密度均在0.06~0.085之间,而ppi为100的相对密度则在0.075~0.1之间。
2 实验结果与讨论
2.1 准静态压缩下材料的应力-应变行为
图2(a)和图2(b)分别给出了ppi为40和100材料的五条典型压缩应力-应变曲线,并给出了每条曲线对应的试件编号和相对密度。由图2可以看出,其压缩应力-应变曲线符合典型泡沫材料压缩应力-应变曲线的特征,即表现为明显的3 个阶段-线弹性变形阶段、塑性屈服平台阶段和密实化阶段。首先,材料经历短暂的线弹性压缩,达到屈服后进入平台段,此时应力不再增长或者增长缓慢。直到应变超过一定值之后,材料被压至密实。此外,随着相对密度的增加,材料的弹性模量和平台应力都有显著提高。
为进一步得出材料参数影响规律,开孔泡沫铜的弹性模量E取加载曲线初始线性段的斜率,平台应力σpl定义为从应力-应变曲线进入平台段的第一个点到应变达到50%时所对应的点之间曲线段的应力平均值。由于密实应变的定义目前还没有一个统一标准,为研究方便取50% 应变处的应力值为 σ0.5,而将1.5σ0.5应力值所对应的应变定义为密实应变εD。根据应力-应变曲线求出各个试件的弹性模量、平台应力及密实应变等力学参数。
图2不同相对密度泡沫铜应力-应变曲线(a)40ppi;(b)100ppiFig.2Quasi-staticcompressionstress-straincurvesatdifferentrelativedensities(a)40ppi;(b)100ppi
2.2 材料参数对其力学性能的影响
2.2.1 相对密度对弹性模量和平台应力的影响
实验用开孔泡沫铜材料的基体材料为纯铜,其弹性模量为Es=115GPa,屈服应力σys=200MPa。实验得出了3种孔隙度材料的相对弹性模量E/Es和相对平台应力σpl/σys随相对密度ρ/ρs的变化关系,如图3所示。图3还给出了每种孔隙度材料的弹性模量和平台应力的幂函数拟合,其变化规律与文献[2]给出结论基本符合。
由图3可以看出,对同种孔隙参数的材料,随相对密度的增大,材料的弹性模量和平台应力都有显著的增大趋势。材料的平台应力大小直接关系到材料的吸能特性,这说明材料的相对密度是影响其力学性能的关键因素。图3还显示当相对密度相同时,材料的孔径大小对其力学参数也是有影响的。
图3泡沫铜力学参数与相对密度的关系(a)相对弹性模量;(b)相对平台应力Fig.3 Mechanical properties of porous copper with respect to pore-size(a)relative modulus;(b)relative yield strength
2.2.2 相对密度对密实应变的影响
在大压缩变形条件下,开孔泡沫材料的孔穴棱杆屈服后被完全压垮,整个试件的孔隙全部被压实。此情形发生时,应力-应变曲线陡然上升,达到密实应变εD时,斜率将最终趋于基体材料的弹性模量Es。将εD的实验数据绘于图4,并对其进行线性拟合,可见三种孔隙度材料的密实应变均随相对密度的增大而有下降的趋势,这是因为相同孔径的情况下,材料相对密度越大越接近密实化状态,达到密实化所需的应变就越小。
2.2.3 孔洞尺寸对弹性模量和平台应力的影响
此前,众多研究仅仅考察了相对密度对多孔材料力学性能的影响,并认为其弹性模量和屈服应力只受材料相对密度的影响。但由图3和图4可以看出,材料的密实应变只与相对密度有关,而弹性模量和平台应力不但受相对密度的影响,而且在相对密度一定时,随ppi的不同而不同。当相对密度低于0.077时,ppi为40的材料,其弹性模量和平台应力明显高于ppi70的情况。而在相对密度大于0.08的情况,ppi越大其平台应力越低,即平台应力随孔径的增大而增大。
实验证明,多孔泡沫金属孔径大小对弹性模量和平台应力都是有影响的。类似的研究结果,也在其他的研究中发现[10]。为进一步分析其中的原因,考虑到实验所用材料为板料,对具有相同相对密度的三种不同孔径的开孔泡沫铜材料面内和厚度方向分别拍摄了SEM显微照片,如图5所示。由图5可见,该材料的微观结构在面内和厚度方向存在明显的差异,即面外方向孔径长度明显比面内方向要大。
图5不同孔隙度多孔泡沫铜材料的显微结构(a)40ppi面内方向;(b)40ppi厚度方向;(c)70ppi面内方向;(d)70ppi厚度方向;(e)100ppi面内方向;(f)100ppi厚度方向Fig.5 Microstructure of the porous copper materials(a)in-plane for 40ppi;(b)out-plane for 40ppi;(c)in-plane for 70ppi;(d)out-plane for 70ppi;(e)in-plane for 100ppi;(f)out-plane for 100ppi
为了对此作详细分析,采用如图6所示的模型,设面内方向为xy方向,而面外为z方向,孔隙沿面内方向的平均孔径为lxy,而厚度方向(即面外方向)的平均孔径为lz,则通过对上述微观结构图的测量,得到了三种不同孔隙度材料面内方向和厚度方向孔径比(lxy/lz),如图7所示。由图7可见,该材料两个不同方向孔径比随着ppi的增大而增大,并且逐渐趋于均匀。为分析该材料微结构特征对其宏观力学性能的影响,借助如图6所示的立方体交错模型对该材料微结构特征对其宏观力学性能的影响进行分析。假设孔隙的棱柱截面为正方形,且其宽度为t,则根据文献[2]的结论,多孔材料的宏观体积和质量分别可以表示为如下关系:
则材料的宏观相对密度:
另一方面,材料在厚度方向的弹性模量和平台应力分别有如下规律:
以上各式中C1,C2,C3为比例常数。 根据式(3),在相对密度相同的条件下lxy/lz越小,则t/lxy越大。因此,由式(4),(5)可知,其厚度方向的无量纲弹性模量以及平台应力也会变大。该分析结果显示,该材料ppi不同所造成的力学性能差异主要来自于其面内和面外方向的结构各向异性。
3 结论
(1)多孔泡沫铜材料的平台应力和弹性模量均随相对密度的增大呈幂函数变化规律,材料的密实应变随相对密度的增大而降低。另外,在相对密度相同的条件下,该材料的平均孔径对弹性模量和平台应力也有非常明显的影响。
(2)通过对材料微观特性的分析发现,其原因主要体现在材料孔棱的长度在材料面内和面外两个方向上的分布差异有关。随平均孔径的增大材料面内和厚度方向的孔径比越大,从而造成材料平台应力和弹性模量的明显增大。因此,该多孔金属材料力学性能对其平均孔径的依赖性是由材料微结构的各向异性造成的。该研究成果为该材料的力学设计和工程应用提供了相关参考。
摘要：采用万能材料试验机(MTS)和扫描电子显微镜(SEM)对几种典型多孔泡沫铜的准静态力学特性及其微观特征进行研究。结果表明,材料的压缩过程为典型的三阶段形式:弹性段、平台段和密实段;其力学性能不但依赖相对密度,而且受平均孔径的影响。材料力学性能的孔径依赖性主要是由其结构的各向异性所致。
高性能金属新材料 篇5
一、金属类新材料
金属新材料按功能和应用领域可划分为高性能金属结构材料和金属功能材料。高性能金属结构材料指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特性的新型金属材料，主要包括钛、镁、锆及其合金、钽铌、硬质材料等，以及高端特殊钢、铝新型材等。金属功能材料指具有辅助实现光、电、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金属能源材料、催化净化材料、信息材料、超导材料、功能陶瓷材料等。
与其他材料相比，稀土具有优异的光、电、磁、催化等物理特性，近年来在新兴领域的应用急速增长，其中永磁材料是稀土应用领域最重要的组成部分，2009年永磁材料占稀土新材料消费总量的57%。在国家新兴产业政策的推动下，新能源汽车、风力发电、节能家电等领域将拉动稀土永磁材料钕铁硼磁体的需求出现爆发式增长。建议重点关注钕铁硼行业龙头中科三环、宁波韵升，以及稀土资源类企业包钢稀土、厦门钨业等。
钢铁材料、稀有金属新材料、高温合金、高性能合金是属于金属类工程结构材料。
①、钢铁材料和稀有金属新材料
钢铁材料提高钢材的质量、性能，延长使用周期，在钢铁材料生产中，应用信息技术改造传统的生产工艺，提高生产过程的自动化和智能化程度，实现组织细化和精确控制，提高钢材洁净度和高均匀度，出现低温轧制、临界点温度轧制、铁素体轧制等新工艺。
稀有金属新材料指高强、高韧、高损伤容限钛合金，以及热强钛合金、锆合金、难熔金属合金、钽钨合金、高精度铍材等。
②、高温合金和高性能合金
高温结构材料主要种类包括：高温合金、粉末合金、高温结构金属间化合物，以及高熔点金属间化合物等。
二、高性能结构材料
从世界上新材料的发展趋势看，钢铁材料和有色金属材料的生产一直在向短流程、高效率、节能降耗、洁净化、高性能化、多功能化的方向发展。结构材料其主要功能是承担负载（如火车、汽车、飞机）。汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为使用高强合金钢、铝合金或特殊的高强Mg基合金，高强Ti合金在高强钢中有重要位置，不锈钢则有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的Al合金及一般钢材则被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或Al基复合材料。
结构材料的主体有：
（1）钢铁
钢铁材料，特别是具有多相结构和复杂成分的优质钢具有重要的应用前景和潜在优势，需要开展相应的基础研究。联系微米和纳米技术的纳米层间结构、织构以及晶界和界面都可视为改善钢铁材料的重要途径。
（2）Al合金
Al基材料及相应的沉淀硬化效应导致高强铝合金的出现，相关技术工艺已发展为“沉淀科学”，它涉及“相”间晶体结构的匹配性以及合金的稳定性，特别是时效合金的稳定性直接影响航空或空间应用，因此可视为Al合金基础研究中的重要问题。
（3）Mg合金
镁及镁合金广泛应用于冶金、汽车、摩托车、航空航天、光学仪器、计算机、电子与通讯、电动、风动工具和医疗器械等领域。镁合金是最轻的工程结构材料，以其优良的导热性、减振性、可回收性、抗电磁干扰及优良的屏蔽性能等特点，被誉为新型“绿色工程材料”、21世纪的“时代金属”。
（4）Ti合金
Ti合金在军用或民用航空工业的发展中有重要位置，多相纳米尺度层状微结构问题对高强Ti基合金的特性具有重要意义，它将成为设计新Ti基合金的关键因素。
三、国内外金属新材料的发展概况
（一）国外金属材料的发展概况：
目前世界上已有50万种材料，而新材料正以每年大约5%的速度增长，现今全世界已有800多万种人工合成的化合物，而且每年还以25万种的速度递增，其中有相当一部分将成为新材料。新材料在新兴技术中的产值居于首位，2000年全世界12项新兴技术的市场总营业额达到10000亿美元，其中新材料占40%。新材料国际市场需求旺盛，预计2007-2010年锂离子电池产业进入相对平稳增长阶段，销售收入增长率为5.85%；
1.新材料主要领域发展概况
钢铁业是全球最大金属产业和第二大人造材料产业，其年产量达7.5亿吨，位居水泥的11亿吨之后。作为结构材料，钢铁产品在社会生活中应用非常广泛，无论是当前还是今后较长时间内钢铁材料都将占主导地位。世界钢铁工业技术进步的主流是缩短流程、减少工序、降低能耗降低成本、提高质量、提高效率，使钢铁工业从粗放式向集约化方向发展。目前钢铁技术的发展主要涉及到钢铁冶炼新技术，钢铁生产新工艺流程的开发，钢铁材料的连铸连轧技术、钢铁用能新技术、轧钢技术、冷轧产品的高质和高功能化以及计算机系统在钢铁工业中的应用等几个方面。
有色金属是指元素周期表中除金属铁、锰、铬以外的64种金属。由于这些金属具有一系列独特的性能和奇异的功能，如半导体功能、形状记忆功能、介电功能、光、磁、热、化学和核能等，在材料领域里独树一帜，应用极广，成为人类文明发展中不可缺少的物质。21世纪，人类面临资源枯竭、环境污染、人口剧增三大难题，有色金属材料在解决这些难题过程中起着独特的、不可替代的作用，有色金属材料的生产水平和应用程度已成为一个国家综合国力的标志之一。其技术发展方向是合成技术向纯净化、细晶体、均质化、强韧化和复合化方向发展，加工技术向高效、节能、短流程、高精度、环保型发展，新型铝合金、镁合金、钛合金的应用越来越广。
新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，主要包括镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料以及核反应堆用核能材料等。
复合材料是指由两种或两种以上不同材质的材料通过适当的工艺方法复合而成的一种多相材料体系，按其基体种类可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三类。复合材料技术发展趋势是：金属基复合材料中非连续增强复合材料迅速发展，航空和宇航方面的应用前景好；美国和西欧各国侧重于航空和军事应用，日本则力求把它应用在工业上。
信息技术是21世纪高技术发展的先导，而电子信息材料则是信息技术发展的物质基础。电子信息材料主要包括电子计算机所用的集成电路材料（半导体材料）、与电子计算机配套使用的信息存储材料、光电子材料、传感器材料、磁性材料、电子功能陶瓷、光传导纤维、绿色电池材料等。电子材料技术发展趋势是：集成电路和半导体器件所用的材料由单片集成向系统集成发展；光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展；新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展。
2.主要国家材料科技发展概况
现代科技发展表明，每一项重大的新技术产生，往往都依赖于新材料的发展，由于新材料在发展高技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，世界各发达国家都非常重视它的研究开发工作，并制定了相关发展计划，例如美国、日本、欧盟、俄罗斯、韩国等。
美国材料科技的战略目标是保持本领域的全球领导地位，支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等的发展，满足国防、能源、电子信息等重要部门和领域的需求。美国把生物材料、信息材料、纳米材料、极端环境材料及材料计算科学列为主要前沿研究领域。美国正在执行的材料相关规划比较多，分为国家层次及部门层次两种。这些规划主要包括：未来工业材料计划、国家纳米技术计划（NNI）、21世纪纳米技术研究开发法案、美国氢燃料电池研究计划、光电子计划、光伏计划、下一代照明光源计划、先进汽车材料计划、建筑材料计划。其中与金属新材料有关的有：纳米材料、极端环境材料、先进汽车材料计划、建筑材料计划。
日本材料科技战略目标是保持产品的国际竞争力，注重实用性，在尖端领域赶超欧美。日本科学技术基本计划重点是生命科学、信息通信、环境、纳米技术与材料等四大领域。日本注重于已有材料的性能提高、合理利用及回收再生，并在这些方面领先于世界。日本对新材料的研发与传统材料的改进采取了引进的策略，在结构材料的研究主要集中在超级钢、高性能铝合金、钛合金、镁合金、铜合金、锌合金、高性能陶瓷、超细陶瓷粉体、高性能高分子材料、复合材料方面；材料技术上的发展重点为高纯度化、薄膜化、纤维化、微粒化、气孔化、致密化、复合化、非晶化、梯度功能化、精密成形化等技术。主要规划有：科学技术基本计划；纳米材料计划；21世纪之光计划；超级钢铁材料开发计划等。
欧盟是政治、经济联盟，也是科技联盟。欧盟材料科技战略目标是保持在航空航天材料等某些领域的竞争领先优势。2003年欧盟科研部门指出欧盟准备大力发展的十大材料领域是催化剂、光学材料和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生学、纳米生物技术、超导体、复合材料、生物医学材料以及智能纺织原料，并认为未来新材料学的研究将体现三大技术特征：①制作技术，新的加工工艺和制造方法将使材料的生产实现从实验室走向工业化；②模仿技术，从材料的自然特性仿制到材料混合特性的研究；③预测技术，开发新的模型和试验方法，从而缩短材料的试验周期。
俄罗斯发展新材料的战略目标是：一方面力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位，如航空航天材料、能源材料、化工材料、金属材料、聚合材料等；另一方面大力发展促进国民经济发展和提高国防实力有影响的领域，如电子信息工业、通讯设施、计算机产业等所用的关键新材料。俄罗斯在新材料发展中采取的基本策略是：在处理发展高新技术和传统产业关系的同时，做到研发新材料与有效使用传统材为有机结合，在注重研发高新技术所需新材料的同时，对于现有的一般技术所需要的材料进行优选和更新，进而提高利用率。使研发新材料有的放矢、重点突出、周期缩短、效果显著。俄罗斯新材料的主要研发方向是结构材料和功能材料，具体为金属材料、陶瓷材料、复合材料、高分子材料、高纯度材料以及生物材料、超导材料和纳米材料等。俄罗斯在航空航天以及与国防有关的材料方面投入很大，以期保持在国防与空间技术方面与美国抗衡的实力。
韩国材料科技的战略目标是继美国、日本、德国之后，成为世界产业第四强国，材料科技被认为是确保2025年国家竞争力的6项核心技术之一，也是为其他领域技术实现突的破铺路技术。与材料相关的主要规划为：韩国科技发展长远规划--2025年构想；新产业发展战略；纳米科技推广计划；NT（纳米技术）综合发展计划（2001-2010年）；韩国的G7计划及2025构想提出了针对高新材料的发展方向，在新材料产业战略中对钢铁、化工材料的发展制定了明确目标；生物工程科学发展计划；原子能技术开发计划等。
（二）国内金属新材料的发展概况 1.国家高度重视金属新材料的发展
高性能金属材料产业是高新技术发展的重要基础和先导产业，前沿技术不断突破，新产品开发不断加快，在新材料领域中占有重要的战略地位。目前，高性能金属材料技术正处于加快发展的关键时期，作为当今科技创新和产业化的重要前沿领域，高性能金属材料产业的发展水平成为一个国家和地区经济社会发展、科技进步和综合实力的重要标志之一。
据科技部火炬中心统计，2000年全国高新区的新材料产品有2661种，年销售收入达到676.79亿元，占主要技术领域合计的12%。到2000年底，省级认定的以新材料为主导产业、销售收入过亿元的高新技术企业有661家，占销售收入过亿元的高新技术企业总数的25.9%。到2001年止，科技部认定的以新材料为主导产业的重点高新技术企业221家，占重点高新技术企业总数的28.3%。国家“十五”规划中明确地指出要有选择加快信息技术、生物工程和新材料等三个高新技术产业，新材料列为最重要的发展领域之一。根据有关机构预测，近几年内，新材料产业市场需求平均年增长约在10%以上，我国新材料产业正处于强劲的发展态势。
“863”计划，是国家的中长期高技术研究与发展计划，其中的7个高技术研究领域中，新材料研发被作为重点之一。一是光电子材料及器件主题：二是特种功能材料技术主题；三是高性能结构材料技术主题：以国民经济建设中的重大需求为导向，发展具有自主知识产权的高性能结构材料及其先进制备、成形与加工技术，重点开发轻质、高强度的结构材料，第一批课题安排了45个项目。
“973计划，是国家重点基础研究计划，选择的30个重大课题中有7个与材料有直接关系，包括改造传统材料产业涉及的基础问题；发展高技术新材料涉及的基础问题；材料设计、制备、成型、改性及使用中的基础问题。
国家自然科学基金，是国家为支持自然科学基础性研究而设立的专项基金，它大力支持具有重要应用前景，特别是具有新思想，新方法以及可能产生新成果的材料方面的基础性研究。国家自然科学基金委员会资助的研究课题，与材料有关的约占四分之一。目前，已建和在建的150个重点实验室中，有关材料工艺、组织、结构、表征与测试的达35个，超过总数的1／5。
2.几个区域金属新材料发展情况的介绍 1)上海市
政府出台《关于加快推进上海高新技术产业化的实施意见》，明确了推进包括新材料产业在内的九个高新技术产业重点领域。按照规划，预计到2012年，上海新材料产业的产值规模将达到一千六百亿元人民币。而2008年沪新材料产业的产值为八百亿元人民币左右，这也就意味着，上海新材料产业将用四年的时间实现产值翻番。
上海新材料产业将着力推进高性能碳纤维、耐高温纤维等生产线建设，实现高温合金、钛合金材料产业化，推进生物相容材料及终端产品产业化，加快发展环保节能材料与新型绿色建材产业化等领域。新材料产业包括信息材料、能源材料、生物材料、纳米材料等十个门类的高科技材料，是欧美各国一致看好的基础性产业。此间专家指出表示，新材料技术与先进制造业发展的关系密切，比如核电、大飞机、精细化工等项目的研制都以新材料为基础，因而发展新材料产业不但产能潜力巨大，而且意义深远。
上海已在青浦、金山、奉贤、宝山四区重点布局新材料技术，青浦区新材料产业将以发展新型纺织材料、有机高分子材料等为重点，同时兼顾各种新材料门类。金山和奉贤两区将结合自身的化工产业优势，发展化工新材料。宝山区则围绕宝钢集团，重点打造精品钢材和特种钢等。2)天津市
市政府高度重视新材料产业的发展，把新材料产业列为天津市鼓励发展的高新技术产业之一。为实现新材料产业的跨越式发展，使之成为我市新兴产业，特在《天津市高新技术产业发展第十个五年计划纲要》的基础上，编制《天津市新材料产业第十个五年计划》。
全市从事新材料生产和研发的企业和科研单位共459家，其中生产企业441家，开发研究机构18家。441家企业中，金属材料94家。新材料企业中，国有经济占25%，集体经济占33%，私营经济占13.3%，股份制经济占9%，三资经济占16.4%；其中，大型企业占9%，中型企业占8.8%。产值超亿元的产品10种，5000万元以上的产品25种。新材料产业实现高新技术产值为81.2亿元，占全市高新技术产值的10.9%。从事新材料开发的研究机构共有18家。天津大学、南开大学、天津理工学院、天津工业大学、天津轻工业学院等高等院校和一批驻津科研院所拥有一支实力较强的科研队伍，建有一批国家级重点实验室、工程中心和中试基地，在金属材料领域，已形成航空钢丝绳、被覆线钢丝、锌一铝一稀土镀层钢丝、予应力钢丝等2000多个品种。在国内率先开发出一批技术含量高的金属材料制品；
在今后的几年里，将重点发展高性能金属制品和高效钢材，做大做强线材制品，发展板带产品和建筑用高级棒、线材产品，扩大无缝钢管和石油套管的规模，加速新型铝合金挤压型材的产业化。
3)大连市
根据调研资料，截止2003年底，大连市共有新材料企业71家，工业总产值为45.16 亿元，总收入为42.70亿元。从新材料产业定位来看，要成为大连市高新技术战略性产业和经济发展的重要支柱产业之一，其增长速度应高于同期GDP增长速度的5%以上，按同期GDP增长速度为10%计算，新材料产业的年增长速度应为15%左右，以此预计2010年大连市新材料工业总产值为120亿元。大连是中国最早的钢铁基地之一，为中国特钢产业的发展做出了重要贡献，目前形成了以东北特钢集团为代表的低合金钢、合金钢材料产业。东北特钢集团在大连的经营单位大连金牛股份有限公司于1999年上市，注册资本两亿七千多万元。公司以特殊钢为主导产品，包括不锈钢材、轴承钢材、合金弹簧钢材、工模具钢材等几大类，广泛应用于航空、军工、国防等领域。如我国发射的大推力长二捆火箭使用的品种钢就包含了大连金牛公司生产的158种特殊钢材。2003年，大连金牛实现钢产量45.47万吨，工业总产值18.44亿元。大连通发新材料开发有限公司的“铜包铝线的包覆焊接装置”专利技术，经国家级实验室检测，性能达到美国ASTM标准。2001年列为科技部“十大”重点新产品和国家“十五”攻关计划项目。先后获得为摩托罗拉、诺基亚、爱立信等企业配套的专业化国际知名线缆商— 美国ANDREW公司、芬兰NK公司、德国RFS公司、法国ACOME公司等质量合格评定，被指定为供货商。大连傅氏双金属制造有限公司主要从事双金属复合铜包铝线和铜包钢线等专利产品的生产。公司的铜包铝线产品可作为有线电视用户线及用户分配线的内导体，计算机局域网、接入网电缆内导体及电话用户通信线等。随着我国有线电视和大容量通讯网络的迅速发展，该产品将拥有巨大的市场发展空间。通过外引内联，大连特种钢重点企业金牛股份有限公司技术水平不断得到加强，在国内特钢及汽车钢材生产企业中，具有一定优势。该公司与大连理工大学、东北大学、北京科技大学、北京钢研总院等高等院校和科研院所建立起密切的合作关系，为大连钢铁企业的产品质量攻关、人才培养、学术交流等提供了重要的智力支持。大连新源动力股份有限公司作为中国燃料电池产业化的开拓者，在2003年工业总产值为27.8万元，总收入为778.5万元。目前在市场及产业化上尚未形成规模。因此，大连市计划重点提高新材料企业的研发投入和自主创新能力，形成以企业为创新主体的新材料工业创新体系，提升新材料企业规模和产业集中度。到2010年，大连市应培育3～5家工业总产值和销售收入5亿元(不变价)以上的具有国际竞争力的龙头企业，培育10家以上工业总产值和销售收入超过1亿元(不变价)的强势企业，争取3～5家公司上市。
4)重庆市
重庆市新材料产业经过十多年的发展，特别是近几年政府的支持引导和市场的强劲推动,己初其规模。据海关统计资料显示,2005年重庆市新材料产品出口27265万美元,同比增长18.9%,占高技术产品出口总额45%,为重庆市高新技术产品出口行业第一位。重庆市现己形成以新型铝镁合金材料、磁性材料为主的金属材料,以高性能功能陶瓷,结构陶瓷、玻璃纤维、新型建筑材料为主的无机非金属材料,以涂科及精细化工产品为主的有机高分于材科及以高性能连续纤维增强热塑性复合材料预浸料、金属基复合材料、新型油封为主的复合材料的门类较齐全的产业体系, 重庆市新材料产业2005年产业,总产值(现价)10838345元,主要涉及四大领城,其中金属材科3309939元,无机非金属材料3446095元。有机高分子材料及制品3962640元,复合材料119671元。在四大领域中,新材料主要包括六大专项,新型铝镁合金材料,以天然气为主的化工材料,玻璃纤维材料,仪表材料,新型建筑材料,以碳酸钙为主的功能材料等。有机高分子材料及制品是重庆市新材料产业的主导产品,其2005年产值为3962640元，占新材料总产值的36.56%,其产品销售收入为3886731元,占新材料产品总销售收入的36.54%,其它依次是无机非金属材料、金属材料和新型复合材料,值得一提的是,2005年无机非金属材料总产值比04年同期增长高达78.19%,而产品销售收入的增长率达82%,金属材料的总产值比04年同期增长42.74%,无机高分于材料和制品的总产值也有22.33%的增长,但是复合材料的总产值却下降了I7,91%。重庆的材料产业具有传统优势,截至2005年底,全市共有材料生产加工企业近3000家,从业人员近30万人。产品门类较为齐全,在金属材料、化工材料、功能材料及光电子材科、建筑材料及陶瓷材料、矿产资源及原材料等方面产业基础和发展趋势较好,并形成了以金属材料、建筑材料、化工材料、功能材料、电子材料、复合材料、高分予材料等为主的材料产业体系。
重庆市新材料生产企业共558家,其中内资企业479家,私营企业87家,港、澳、台商投资企业32家,外商投资企业47家。按规模大小分组,其中大型企业18家,中型企业151家,小型企业264家,重庆市新材料企业大多是中小型企业,大型支柱企业较少。
重庆市新材料产业特点为传统材料企业的新材料开发和新材料企业并存。在铝、镁、铌等有色金属、天然气化工、仪器仪表功能材料及光电子材料、建筑材科、矿产资源等材料及其加工方面具有明显的优势和特色。
（1）新材料企业的经济运行状况
新材料产业整体运作良好。2005年,重庆工业企业五十强中,材料企业有11家,占22%；高新技术产品销售收入超亿元的32个企业中,材料企业有6家。占19%；高新技术产品实现利税上千万元的48（家）个企业中,材料企业有8家,占17%全市工业企业按主营业务收入,排序前100名中材料企业有20家,其主营业务收入总和占100家企业主营业务收入总和的20%；按利税总额排序,前100名中材料企业有21家,其利税总额占100家企业利税总额的19%；按资产总计排序前100名中,材料企业有24家。
（2）重点企业运行状况
西南铝业（集团)公司是中国生产规模最大、技木装备最先进、品种规格最齐全的综合性特大型铝加工企业,中国高精铝材研究开发及生产基地。为中国军民用飞机、“长征”系列火箭、人造卫星、“神舟”号飞船、北京正负电子对撞机等国防军工项目及高新技术工程提供了上千种高品质铝材,重庆钢铁研究所为,“神舟”飞船研制生产的伺服阀的核心技术桥型磁钢。
重庆镁业科技股份有限公司集镁合金冶炼、成型加工、镁回收研究和开发于一体，主要产品有镁合金摩托车曲轴箱、曲轴箱组件、镁合金通用发动机部件等,并且重庆有十家科技部确立的国家“十五”科技攻关镁合金应用及产业化基地。
重庆仪表材抖研究所在测温材料及其应用技术、金属复合带材、汽车、摩托车用传感材料等方面具有明显优势。并研制生产了国内第一支铠装热电偶、第一支贵金属细丝热电偶、第一支钨铼偶丝,首家拥有核级资质的核场测温装置生产许可证,其研制的超低矫顽合金、电度表用磁温度补偿合金,汽车仪表用可加工永磁合金在全国均处于领先地位,且出口到国外。
重庆四联仪器仪表集团有限公司建成了我国第一条表面连续复合的超簿贵/廉金属复合材料生产线,其复合材料产品的生产取得了较好的经济效益,同时还拥有国内最先进的磁场热处理炉,在磁钢的质量、品种、技术方面居国内领先地位,产品出口日木、新加坡、台湾、香港等国家和地区,是全国新材料行业的骨干企业, 重庆渝港钛白粉股份有限公司是我国最大的钛白粉生产基地之
金属力学性能 篇6
摘要： 针对核电用低合金钢焊条CHE608HR2，采用改变焊接热输入的方法，借助金相显微镜，研究了焊接热输入对其熔敷金属力学性能及组织的影响。结果表明，熔敷金属力学性能随着焊接热输入量增大而降低，焊接热输入大于32 kJ/cm时，熔敷金属力学性能下降明显；焊接热输入小于等于25 kJ/cm时，熔敷金属力学性能最优。
关键词： 熔敷金属； 焊接热输入； 力学性能
中图分类号： TG422
Abstract：The influence of welding heat input on the mechanical properties and microstructure of the alloy was studied by means of metallographic microscope， the CHE608HR2 of low alloy steel for nuclear power and the method of changing the heat input. The results show that the mechanical properties of the weld metal are decreased with the increase of the welding heat input， and the mechanical properties of the welded metal are decreased obviously， while the welding heat input is less than or equal to 25 kJ/cm， and the mechanical properties of the weld metal is the best.
Key words：weld metal； heat input； mechanical properties
0 前言
近几年国内核电行业迅速发展，随着国内三代核电机组的陆续开工，对三代核电机组用焊接材料的需求也与日俱增，低合金钢焊条作为三代核电机组用焊接材料的重要组成部分[1-4]，为了更好的应用于核电工程，文章的试验焊条为国家能源局“核级焊接材料国产化开发及应用研究”项目中的低合金钢焊条，牌号为CHE608HR2（型号为E9018-G），文章通过对焊条CHE608HR2改变焊接热输入的方式，研究对其熔敷金属的力学性能的影响，对工程应用具有一定的指导意义。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料 试验焊条CHE608HR2熔敷金属的化学成分见表1。
“核级焊接材料国产化开发及应用研究”项目技术条件对试验焊条CHE608HR2熔敷金属常温力学性能的要求见表2。
1.2 试验设备
直读光谱仪：德国斯派克 SPECTROLAB M10；
微机控制电子拉力材料试验机：深圳瑞格尔 RGM4100；
摆锤式冲击试验机：美特斯 ZBC 3302C；
箱式电阻炉：天津泰斯特 SX410；
红外测温仪：上海世禄仪器 66/68；
焊机：时代逆变 ZX7400。
1.3 试验方法
采用Q345板厚20 mm，试板尺寸为300 mm×300 mm。焊接前采用CHE608HR2堆边，堆边厚度大于3 mm。试验焊条牌号CHE608HR2，规格：4.0 mm。试验焊条进行380 ℃烘焙1 h，立向焊接。试板组对要求如图1所示， 试验方案见表3。
2 试验结果分析与讨论
2.1 不同热输入量对焊缝熔敷金属力学性能的影响
焊条熔敷金属力学性能分别按GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》， GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》， GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》试验，其结果见表4和如图2所示。
重点对熔敷金属的抗拉强度和冲击吸收能量进行了分析，得到了如下的结果如图2所示。
从表4可以看出，随着焊接速度从15 cm/min减小到6.4 cm/min，热输入从15 kJ/cm增加到35 kJ/cm，在所选用的试验方案范围内，熔敷金属拉伸强度和-30 ℃冲击韧性随着热输入量的增加呈下降趋势；当焊接热输入为35 kJ/cm时，熔敷金属拉伸强度和-30 ℃低温冲击韧性值下降幅度较大。当焊接热输入小于等于30 kJ/cm时，熔敷金属可以获得良好的拉伸强度和-30 ℃冲击韧性值。在焊接热输入为35 kJ/cm时，仍可满足“核级焊接材料国产化开发及应用研究”项目技术条件的要求。
2.2 不同热输入量对金相组织的影响
焊接条件和表2相同，分别从对应的试板上取一个金相试样进行金相分析。在放大倍数分别为100×和500×的条件下得到以下试验结果如图3所示。
从图3中可以看出，100倍显微镜下的柱状晶组织，随着焊接热输入的逐渐增大，熔敷金属组织中先共析铁素体数量增多，当热输入量超过30 kJ/cm时，先共析铁素体明显增多，并呈带状分布在组织中。500倍显微镜下组织可以看出，热输入为15 kJ/cm时，熔敷金属组织为针状铁素体加粒状贝氏体，晶粒最为细小，分布较均匀；热输入大于20 kJ/cm时，出现极少量块状先共析铁素体，随着焊接热输入的增加，先共析铁素体量呈递增趋势。先共析铁素体含量对熔敷金属韧性影响明显，需合理控制焊接热输入，降低熔敷金属中先共析铁素体含量，得到较好的综合熔敷金属力学性能。
2.3 核电工程中焊接热输入的控制讨论
焊接是核电工程最关键的施工工艺之一，核电工程焊接质量涉及核电工程运行的安全性，核电工程事故甚至会造成灾难性后果，给国家和人民的生命财产造成重大损失。核电工程建造施工焊接工作量大，人工成本高。一方面建造单位控制成本，缩短工程周期，需要提高焊接效率；另一方面焊工实行计件工资，焊接普遍采用大热输入焊接，以提高单位时间的熔敷金属量。但热输入过大，容易造成接头和热影响区组织过热，产生过热组织，而使其脆化，降低焊缝和热影响区的硬度和韧性。所以，核电工程中焊接热输入的控制成为核电制造单位的关键质量控制之一。
3 结论
（1）核电用低合金钢焊条CHE608HR2在焊接热输入小于等于30 kJ/cm时，熔敷金属可以获得良好的拉伸强度和-30 ℃冲击韧性值。在焊接热输入为35 kJ/cm时，仍可满足“核级焊接材料国产化开发及应用研究”项目技术条件的要求。
（2）金相检测结果表明：核电用低合金钢焊条CHE608HR2熔敷金属组织表现为具有针状铁素体加粒状贝氏体加少量块状先共析铁素体，随着焊接热输入的增加，先共析铁素体量呈递增趋势。
（3）四川大西洋焊接材料股份有限公司研制的核电用低合金钢焊条CHE608HR2适用于较大线能焊接，在焊接热输入小于等于30 kJ/cm时， 熔敷金属力学性能较稳定，在应用于相应的核电工程时，具有较强的适应性。
参考文献
[1] 杜则裕.材料焊接科学基础[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2] 陈玉喜，刘亮，张华军，等. 焊接热输入对低合金高强钢焊缝组织和韧性的影响[J]， 上海交通大学学报， 2015， 49（3）：306-309.
[3] 任颂赞. 钢铁金相图谱[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，2003.
金属管材高温性能测试方法 篇7
为解决目前没有专用的金属管材高温性能测试方法的问题, 该发明提供了一种金属管材高温性能测试方法。其步骤如下:
(1) 制作金属管材试样;选取长度为L的金属管材, 以金属管材的中轴线0为界, 将金属管材的上半部分两端对称各切掉一部分, 使剩余部分的金属管材的最短的母线长度L1为金属管材长度L的0.6~0.8倍, 剩余部分形成的斜面正投影与中垂线之间的夹角α为5~10°从而得到金属管材试样;
(2) 印制网格:在金属管材试样的上半部分的外表面涂敷一层光致抗蚀剂, 透过掩模对金属管材试样的上半部分外表面的光致抗蚀剂层进行选择性曝光, 即把要印制的网格轮廓部分进行曝光, 所述要印制的网格轮廓为矩阵排布的圆形网格轮廓或以矩阵排布的正方形网格轮廓, 用金属腐蚀液对已曝光部分的矩阵排布的圆形网格轮廓内部或矩阵排布的正方形网格轮廓内部进行腐蚀, 矩阵排布的圆形网格或矩阵排布的正方形网格即可印制到金属管材试样的上表面上, 测量矩阵排布的圆形网格的直径φ或测量矩阵排布的正方形网格的边长d;
(3) 装夹金属管材试样:将与金属管材试样内径相同长短相等的两个横截面呈半圆形的金属棒一起穿过金属管材试样, 将横截面呈半圆形的金属棒的两端通过连接件固装在材料拉伸试验机的上下夹具上, 使金属管材试样的网格部分位于加热炉内;
(4) 加热金属管材试样:将金属管材试样的网格部分加热到300℃~800℃;
(5) 拉伸金属管材试样:启动材料拉伸试验机, 通过上夹具和下夹具将带有印制网格的金属管材试样沿径向拉伸, 直到拉伸断裂, 拉伸断裂后, 矩阵排布的圆形网格变成椭圆形网格, 矩阵排布的正方形网格变成长方形网格;
(6) 测量金属管材试样上变形后的网格:冷却后, 将金属管材试样从上下夹具上卸下, 测量金属管材试样上的变形后的椭圆长轴长度d1或测量金属管材试样上的恋爱后的长方形的长边长度d2;
(7) 根据测得的矩阵排布的圆形网格变形前后的数据计算金属管材试样不同的位置应变ε=Ln[d1-φ/d]或根据测得的矩阵排布的正方形网格变形前后的数据计算金属管材试样不同的位置应变ε=Ln[d2-d/d], 再根据拉伸力F及金属管材试样不同位置的宽度、厚度, 通过应力计算获得应力, 即可获得金属管材试样的高温应力应变曲线。
该发明的金属管材高温性能测试方法在金属管材试样的上表面印制网格, 通过对金属管材拉伸前后印制网格的变形量即可获得应力-应变、硬化指数、厚向异性指数等多个与高温材料性能相关的参数, 减少试验次数, 降低了试验成本, 不需要引伸计即可准确地测试金属管材的高温性能。
联系人:徐永超
金属力学性能 篇8
高孔隙率多孔金属材料作为一种集物理功能与结构一体化的新型工程材料,由于其独特的微结构特征,压缩应力- 应变曲线中包含一个较长的应力平台,可承受较大的塑性变形,常作为吸能构件广泛地应用于可能遭受爆炸或高速冲击的防护工程中,以避免内含物受到危险应力的作用[1,2]. 如宇宙飞船阿波罗Ⅱ号的着陆垫、美国新型复合装甲指挥车和德国四引擎Havilland--Albatross飞机机身等. 多孔金属材料具有千变万化的胞元拓扑构型和多尺度变化的孔径尺寸 (在保持高孔隙率的前提下,孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级),因此,具有良好的可设计性,可以根据不同的应用需求在制备前对其微细观结构进行创新构型优化设计及多功能、 多学科协同设计[3,4,5,6].
在高技术、高能耗领域的实际应用中,多孔金属常作为芯层材料构成夹芯结构. 这种结构在充分发挥多孔金属材料自身特点的同时解决了强度低的问题,具有更优越的结构性能[7,8]. 如将夹芯层优化设计成热学、力学性能和功能沿某一方向成梯度变化的复合结构,可避免传统夹层结构面板与芯层材料之间的刚度不匹配,减少界面剪切应力造成的损伤破坏,从而提高其承载能力. 随着材料科学水平与日益增长的工程需要和国防战略需求之间的推动发展,轻质多孔金属及其夹芯结构的多功能特性及其在爆炸或高速冲击等特殊场合的冲击抵抗性能和能量吸收能力引起了国内外工程界和学术界的极大关注,得到了广泛的研究. 在动态冲击载荷作用下,结构的动态响应表现为时间尺度上的高度非定常和空间尺度上的高度局域化. 多孔金属夹芯结构的力学行为受强度较弱的芯层材料支配,而芯层材料的冲击损伤耦合了加载率、材料和几何非线性等效应, 研究具有较大的挑战性. 目前,强动载荷下多孔金属夹芯结构的典型变形/失效模式、能量吸收以及动态响应研究已取得阶段性的进展.
1 多孔金属概述
近十几年来随着材料制备和成形加工技术的迅速发展,人们能够根据实际需要设计和生产各种多孔金属材料. 常见的多孔金属材料主要包括泡沫金属材料、蜂窝材料和轻质点阵材料3类,如图1所示.
1.1 泡沫金属
泡沫金属材料是一种以金属和合金为基体,内部随机分布有三维多面形状孔穴的固体材料. 根据其内部孔隙构造的不同,泡沫金属有闭孔 (胞孔之间是互不相通) 和开孔 (胞孔单元之间相互连通) 两种典型的结构,如图1(a) 所示. 泡沫金属材料的制备工艺起源于泡沫塑料,常用的制备方法有熔体发泡法、粉末冶金法和渗流法等[8,9,10]. 熔体发泡法可通过直接注入气体 (如Norsk--Hydro技术和Cymat技术) 或加入易分解的发泡剂 (如Alporas泡沫铝) 来实现,该方法经济易行,但不易控制产品的胞孔均匀性及大小;粉末冶金法可得到不同密度的泡沫金属,但成本较高,难以制备大体积的构件;渗流法常用来获得开孔结构的泡沫金属,其孔径可准确控制,但相对密度较高且变化范围较小 (一般相对密度为0.3∼0.45),如美国的ERG公司的 “Doucel ” 泡沫铝.
泡沫金属材料独特的孔拓扑构型使其具有一些基体金属所不具备的特殊性质和功能,如低密度、高比刚度、低热导率和磁导率、良好的能量吸收性能和机械阻尼等. 一般来说,影响泡沫金属材料性能的主要特征和参数有以下几个方面:(1) 相对密度 (即多孔材料的表观密度 ρ*与基体材料的密度 ρs之比); (2) 胞孔拓扑和尺寸;(3) 孔构架和缺陷. 泡沫金属的性能除直接依赖于基体材料的性能及其相对密度, 还受到微观胞元结构的影响,可通过力学、热学、声学和电磁学等方面来综合表征.
图2给出了泡沫金属典型的单轴压缩应力 - 应变曲线. 其变形过程的3阶段特征:线弹性阶段、 平台应力阶段和密实化阶段, 分别对应着泡沫金属材料3个重要的力学性能参数:弹性模量、平台应力和密实化应变. 泡沫金属的密实化应变是指平台应力阶段与密实化阶段交接处的应变,但大多数泡沫金属材料压缩应力 - 应变曲线这两个阶段之间无明显的转变,很难准确定义其密实化应变. 目前用来确定密实化应变的方法主要有以下几种[11,12,13,14,15]: (1) 根据经验公式 εD= A - B (ρ*/ρs) 得到,式中A = 0.8 ～ 1.0, B = 1.4 ～ 2.0;(2) 平台应力阶段与密实化阶段曲线的切线交点所对应的应变;(3) 能量吸收效率 - 应变曲线的极值点对应的应变.
1.2 蜂窝材料
蜂窝材料最早起源于仿生学,因其孔穴截面类似于蜜蜂的蜂窝孔穴而得名,是指由棱柱形孔穴堆叠在一起并在孔穴横截面的平面里有序或无序排列的多孔材料,如图1(b) 所示. 蜂窝材料的孔穴截面通常为六边形,也可为三角形、正方形或菱形等.
同泡沫金属材料一样,蜂窝材料的性能直接依赖于孔穴的形状、尺寸和拓扑结构,而这些微结构特征宏观上主要表现为材料的相对密度. 蜂窝材料是各向异性的,其力学性能通常从面内 (in-plane) 性能和面外 (out-of-plane) 性能两个方面来描述. 蜂窝材料在共面压缩时孔壁出现弯曲,产生线弹性形变, 当变形超过临界应变后,孔穴出现由弹性弯曲、塑性屈服、蠕变或脆性断裂引起的坍塌破坏,随后相对的孔壁开始接触,孔穴完全坍塌,材料逐渐致密,刚度迅速增大. 而进行异面压缩时,蜂窝材料孔壁受到压缩或剪切,包括了轴向变形和弯曲变形,其模量和坍塌应力比共面加载时大得多.
1.3 点阵材料
点阵材料 (lattice material) 一般是指由杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架结构,如图1(c) 所示. 由于其相对密度一般小于30%, 且微结构的壁厚一般比长度小很多,所以力学分析中常将其简化为梁模型. 根据母体材质的不同,点阵材料分为点阵金属材料和点阵复合材料;根据承受载荷的类型,点阵材料分为拉伸主导型点阵材料 (单胞主要通过内部各胞壁的拉压来抵抗外载和整体变形) 和弯曲主导型点阵材料 (主要通过内部各胞壁的弯曲来抵抗外载) 两类;根据点阵材料胞元结构形式和空间构型的不同,点阵材料又可分为全三角点阵材料、八面体点阵材料、四面体点阵材料和Kagome点阵材料.
常见轻质点阵材料的制备工艺有 “冲压成形法”[16,17,18]、“熔模铸造法”[7,19]和 “电沉积法”[20,21]. 冲压成形方法制备的点阵材料孔穴尺寸和芯层厚度易于控制,常用来制作相对密度较低的点阵材料. 熔模铸造法这种制备工艺得到的点阵材料胞元尺寸可以小到几个毫米,单元直径可以达到1∼2 mm. 但由于存在铸造缺陷敏感性,难以制造相对密度较低的点阵材料. 电沉积法得到的点阵材料胞元尺寸可达50 µm,适用于制造微机电系统. 此外,点阵材料还可以通过 “金属丝编织法” 和 “金属丝搭接组装”[22]等工艺获得.
2 多孔金属夹芯结构概述
多孔金属材料由于其强度不高,应用范围受到极大的限制,因而常作为芯层材料构成夹芯结构. 典型的夹芯结构是由两层较薄的面板和中间较厚的轻质多孔芯层构成,如图3所示. 芯体对外壳的分隔有效地增大了夹芯结构的惯性矩,得到了一个抗弯曲和屈曲载荷的轻型化结构. 夹芯结构的面板可以是铝板、钢板、木板、纤维混凝土塑料板或混凝土板等,主要承受面内载荷和弯矩作用;芯层材料可以是泡沫金属、泡沫塑料、蜂窝材料以及格栅材料等,主要承受横向剪切载荷. 这种结构在自然界中普遍存在,如人的头盖骨和鸟的翅膀截面均明显地呈现出低密度的芯体将固体表层隔开的结构.
2.1 制备工艺
根据不同的应用需求,多孔金属夹芯结构的芯体和面板可选用不同的材料组合,因而需要应用不同的连接技术. 常见的制备工艺有粘结剂胶接、焊接连接、表面热喷涂法、模具预压成型法、粉末复合轧制法等[23].
粘结剂胶接工艺是指用环氧树脂等粘结剂将多孔金属芯体与面板粘结在一起构成夹芯结构的方法. 该方法属于物理连接,要求粘结强度高于泡沫材料本身,具有工艺简单、产品精度高的特点. 但是面板/芯层粘结后仅在泡沫材料胞孔的骨架处实现了结合,夹芯结构的结合强度低、热稳定性低、膨胀率不匹配、耐高温和耐腐蚀性差,在服役过程中易出现分层破坏. 对于金属材料间的连接可采用焊接技术实现,包括钎焊连接、超声扭转焊接和激光束焊接等. 该方法对泡沫铝表面氧化层比较敏感,容易导致夹芯结构表面腐蚀的发生,也会导致结构强度的降低. 表面热喷涂法是通过气体喷射熔化的粉末或线材到需要涂覆的表面上以制备形状复杂的构件. 但此方法制备工艺较复杂, 不适于工业化生产. 模具预压成型法的主要制备工艺是将面板与混合过的粉末一起置于模具中,在液压机上冷压并保持450◦C恒温1 h左右后,进行热压得到圆片状可发泡预制体,再置于封闭发泡模具中加热,使其膨胀发泡,冷却凝固后即得到泡沫金属夹芯结构. 这种方法限制了泡沫铝夹芯板成品的大小,只能制备出大小不超过模具尺寸的产品. 粉末复合轧制法是将面板与粉末进行复合轧制得到可发泡的夹芯复合预制体,随后将预制体放入电阻炉中加热至适当的温度,使复合板的芯体呈熔融状态,发泡剂发生分解使芯层获得良好的泡沫结构. 这种工艺方法简单,易于连续性生产,克服了传统胶粘方法不耐高温、面板易脱落等缺点,界面实现了冶金结合.
2.2 多功能特性及应用
轻质多孔金属夹芯结构拥有极强的可设计性, 具有良好的多功能特性,因而越来越多地应用于航空航天、汽车工业、铁路交通、舰船、建筑、消声吸能和电磁屏蔽等领域. 当然,其应用范围主要取决于多孔金属的形态特征 (如胞孔类型、孔隙率、胞孔尺寸和内表面积等),冶金工艺 (要求的金属、合金或微结构状态),加工技术 (如泡沫或多孔固体成形以及多孔金属与面板组合的可能性) 和经济因素 (如成本、是否能产业化生产). 图4阐示了不同孔型拓扑的多孔金属对应的不同应用领域.
多孔金属夹芯结构克服了单一多孔金属材料强度低的同时兼具多孔材料独特的优异特性. 因其低密度的芯层材料,质量大大低于传统的致密材料[11,24], 具有高比强度、高比刚度等独特的力学性能[25]. 多孔金属夹芯结构在遭受爆炸/冲击载荷时,大量的能量被转变成塑性能以热量形式耗散,从而具有优良的抗冲击和能量吸收特性. 此外,由于多孔金属夹芯结构 (特别是蜂窝和点阵材料) 具有高孔隙率的特性,可通过其他填充材料 (如陶瓷棒) 来提高其抗弹道冲击的能力[26,27]. 多孔金属是一种轻质高阻尼材料,阻尼值可达到铸铁材料的5∼10倍[28], 因此多孔金属夹芯结构具有很高的阻尼特性. 当其作为阻尼层发生振动时还会被迫伸缩,层内产生较大的剪切应力和应变,耗散更多的能量. 特别是泡沫铝和金属壳间的接触性对结构阻尼有极大的影响, 如果接触表面间在压力作用下可以相对滑动,则会产生附加的界面阻尼作用,阻尼效应由界面的干摩擦产生,这就使得过量的振动可得到有效的衰减. 此外,由于压力、表面粗糙度、孔隙中的介质等因素造成夹芯结构面板与芯层材料之间的接触不完全而产生摩擦阻尼时,材料阻尼和摩擦阻尼共同作用使其阻尼增量大大提高. 因此可适当增加摩擦阻尼来提高多孔金属夹芯结构的抗振性[28].
图5给出了多孔金属夹芯结构的轻质、能量吸收和阻尼隔离特性在汽车工业中的多功能应用. 多孔金属夹芯结构还是一种先进的吸声材料,且当芯层材料孔径在0.1∼0.5 mm之间时其吸声效果达到最优. 同时很好地解决了阻抗匹配以及水温水压方面的影响,同时避免了化学纤维的易污染性,从而在结构吸声方面具有广泛的应用前景. 多孔金属夹芯结构在强迫对流环境下是优良的传热介质,可以作为承受高密度热流的结构,通过合理设计可以实现传热和承载双重功能. 此外在高孔隙率多孔结构中填充Saffil氧化铝纤维等隔热材料可起到隔热的作用. 另外,还可以利用多孔夹芯结构芯层材料的可渗流性流通冷却剂增强散热功能[29],而面板辅以良好的耐热或耐烧蚀材料,则可作为航空和航天飞行器中非常重要的高效轻质隔热和散热结构. 将胞元微结构优化设计的多孔材料与表皮吸波材料相结合可以更好地在飞机和舰船上实现隐身和降噪. 由于电磁波在多孔金属夹芯结构的孔隙界面上会发生反射和散射,因此多孔金属夹芯结构具有较好的电磁屏蔽隐身的能力. 可以通过设计多孔金属的胞孔拓扑和填充吸波材料来提高多孔金属夹芯结构的电磁屏蔽隐身性能. 多孔金属夹芯结构的另一特点在于其拥有大量的内部空间,可以在其中填充吸能、 隔热、吸声、吸波等材料以实现多功能集成[30,31], 可以根据实际需要来进行多功能一体化设计,从而满足航天、航空、航海结构多方面的需求.
3 多孔金属力学性能的研究现状
多孔金属材料的研究兴趣始于20世纪40年代,Sosnick[32]首次利用金属中低熔点物质汽化得到泡沫金属. 泡沫金属的首次成功获得及其所具有的优良性能激起了人们对其研究的热情. 随着制备工艺及技术不断发展和改进,泡沫金属已经形成了工业化生产,一些生产商已经建立起了许多 “泡沫金属” 生产线,如Shinko--Wire, Cymat, Alulight, Schunk, Karman, Neuman--Alufoam等. 同时促进和推动了许多研究机构之间的合作,如美国的多学科研究机构的超轻结构研究项目以及德国的国家研究基金的重点研究项目等[33].
3.1 多孔金属的准静态力学性能
目前,许多研究者对多孔金属材料的准静态力学特性进行了广泛的研究,并在多孔材料的变形模态、裂纹扩展、微观力学机制、多轴屈服行为和本构模型以及初始缺陷、单胞结构对其力学性能的影响等方面取得了一系列研究成果. Gibson等[11]实验研究了铝蜂窝和铝泡沫材料在准静态面内压缩条件下的变形过程. 铝蜂窝孔壁首先出现弯曲,随后出现渐进压缩变形;铝泡沫呈现出 “剪切带” 的变形模式,局部变形首先出现在相对较弱的区域,随即在下一个较弱的区域产生变形. 研究中采用规则的正立方体胞元模型来描述泡沫材料,假定开孔泡沫的弹性变形模式主要是棱杆的弯曲,而闭孔泡沫还需计及膜应力和胞孔内气体压缩的影响,得到泡沫材料弹性模量和相对密度的关系
其中C1,C2,C3,C4和C5是与胞孔相关的常数, φ 为基体材料的体积分数,Es为基体材料的弹性模量,υ*为泡沫材料的泊松比.
平台应力可表示为
Andrews等[34]和Gibson[35]研究发现孔壁和棱杆的弯曲是多孔金属材料的主导变形模式,且材料孔膜和孔棱的皱褶,胞壁的不平直,胞孔结构拓扑及尺寸不均匀都会诱发胞壁的弯曲变形,降低材料的性能.
多孔金属的孔洞和凹槽等宏观几何非线性导致的应力集中常常引起材料的局部失效,因此,需要对多孔金属材料的断裂行为及裂纹扩展规律进行研究. Sugimura等[36]研究了泡沫铝的裂纹扩展情况,并对基体材料到多孔材料的断裂韧性行为进行了简单分析. Mc Cullough等[37]得到了Alulight泡沫铝的裂纹初始韧性和R– 曲线. Olurin等[13]实验测试了泡沫铝Alporas和Alcan的变形、断裂韧性,并应用内聚力作用区模型来描述断裂韧性. 范天佑[38]讨论了泡沫材料中的裂纹及其扩展问题.
多孔金属微观结构复杂且极不规则,常用研究复合材料或高密度材料的方法 (如平均场和Hashin-Shtrikman方法) 都无法正确描述其力学性能. 基于多孔材料抽象几何模型的离散元法,Gibson等[11]建立了多孔材料的单胞模型,讨论了胞孔形状、尺寸和棱杆的截面形状对其力学特性的影响. 为了进行泡沫材料力学特性的均匀化研究,一些学者相继提出了多孔材料的二维[39,40,41,42,43,44]多胞模型和三维立方体、四面体和十四面体模型[45,46,47,48]. 利用多胞模型研究多孔材料力学特性时发现,预测的力学参数,包括体积模量和静水屈服强度都比真实值大. 考虑到这一现象可能是计算模型没有真实反应材料的不规则性和非周期性以及胞孔排列的无序性等引起的, Warren等[49],Grenestedt[50],Simone等[51]以及Chen等[43]在模型中引入各种形态学上的缺陷. 但这种模型理论上仅适用于规则的胞孔周期性排列的多孔材料. 大多数真实的多孔材料特别是泡沫材料,其微结构不具有规则性和周期性,因此有必要采用具有大量不规则胞孔的随机模型模拟多孔材料的微结构来描述其力学性能. Silva等[52,53]采用二维Voronoi随机模型与有限元数值计算相结合的分析技术研究了多孔材料的力学性能. Chen等[43]和Lu等[54]采用随机Voronoi模型描述了泡沫材料的热力学特性和多轴载荷下的弹塑性屈服行为. Li等[55]采用Voronoi随机模型和有限单元法相结合的方法,研究了非规则胞孔形状和非均匀棱杆横截面组合不完整性对开孔泡沫材料弹性特性的影响. 但是,上述研究大多局限于弹性范围内.
由于其体积的可压缩特性,多孔金属在多轴载荷下的变形机理非常复杂,从细观角度研究多孔金属材料的本构和屈服行为十分复杂. 目前对多孔金属材料本构行为的研究大多数均建立在宏观唯象层次上. Gibson等[56]基于泡沫材料在多轴加载下屈服行为的实验结果,提出了第一个理论模型. Deshpande等[57]考虑到静水压力在塑性本构关系中的重要作用,提出了一种自相似模型. 该模型引入塑性泊松比作为新的材料参量取代相对密度,能够很好地描述开孔Duocle和闭孔Alporas泡沫铝在多轴加载下的塑性行为. Miller[58]基于土的Drucker-Prager屈服准则,提出了一个泡沫金属的唯象弹塑性本构模型. Mohr等[59]和Doyoyo等[60,61]改进了Arcan等[62]用于研究纤维增强复合材料双轴加载的实验装置,采用 “蝴蝶” 形试件消除尺寸效应, 实现了多孔金属材料的准静态双向力学行为的实验研究. Hong等[63]实验研究了压应力为主导载荷下5052-H38铝蜂窝试件的动态双向压缩行为. 研究结果发现试件的名义压缩强度随着冲击速度的增加而增大,而剪切强度几乎保持不变.
材料的初始缺陷和单胞微结构对多孔金属的准静态力学性能也有很大的影响. 而这些因素如何影响多孔金属的力学特性以及如何据此改进多孔金属性能等方面,一直是学术界和工程界研究的焦点. Chen等[64]对含有不同几何缺陷的二维蜂窝材料的面内屈服行为进行了系统研究,发现胞壁的不平直是影响多孔材料性能的主要因素,而胞体错位和胞壁初始裂纹这两种缺陷可使静水压屈服强度降低至接近单轴压缩强度. Simone等[51]讨论了孔壁弯曲和皱褶对规则蜂窝材料及规则十四面体胞孔单元的刚度及强度的影响,结果表明杨氏模量比坍塌应力更容易受到这些缺陷的影响. 借助于计算机和有限元软件,一些研究者采用十四面体有限元模型分析了边界、孔壁弯曲及褶皱[53,65]、胞孔形状和孔壁厚度随机变化[66]等结构因素对开孔泡沫[45,67]和闭孔泡沫[68]性能的影响.
3.2 多孔金属的动态力学性能
多孔金属材料在包装工程、防护装置及缓冲结构中经常受到各种爆炸/冲击载荷作用,而多孔金属材料在这些强动载荷下优良的动力学特性倍受工程界和学术界的青睐. 早期对多孔材料动力学性能的研究可追溯到1983年Reid等[69]对冲击载荷下一维金属环惯性效应的实验研究. 从现有的文献分析来看,对多孔金属材料动态力学性能的研究主要集中在应变率效应、能量吸收、本构关系和应力波传播以及力/应力增强等方面.
3.2.1 应变率效应
应变率效应是指材料的瞬时应力和屈服极限随着应变率的提高而增大,也称为率敏感性. 多孔金属材料的三维拓扑结构十分复杂,目前在一维动态加载下有无应变率效应这一问题上还没有一致的结论. 表1和表2分别给出了具有代表性的开孔和闭孔泡沫金属材料应变率效应研究的实验结果.
一般来说,影响多孔金属材料应变率效应的因素可以归于以下几个方面:材料的内禀长度、基体材料性质、胞孔内气体压缩与流动、微惯性效应、 变形机制以及微结构拓扑等. 但是由于大多数实验数据由霍普金森压杆 (split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验技术获得,多孔金属试件的轴向惯性效应也影响材料的强度,实验结果反映的不仅是材料的应变率效应,而且包括轴向惯性效应导致的应力增加[84,85]. 假设泡沫金属的内禀长度约1 mm, 金属中弹性波速约1 000 m/s量级,金属中的塑性波速约为100 m/s量级,多孔金属固体相中的波速也应在相同的量级,因此,泡沫金属的特征应变率为1 × 105s-1,即:只有实验应变率超过1 × 105s-1时,泡沫金属的内禀长度才会对其应变率效应有影响. 众所周知,纯铝是应变率敏感性材料,而绝大多数铝合金是率不敏感的,因此,纯铝泡沫可能会出现应变率敏感性. 但是,基体材料和多孔材料之间的率敏感性却没有定性的关系,如表1和表2. 基于Gibson等[11]理论高应变率下多孔材料胞孔气体黏性流动也可能引起其应变率效应. 且在等温压缩[11]或绝热压缩[71]下闭孔泡沫胞孔内气体流动引起的应力增加为
式中,p0为初始大气压,ν 和 ρ*/ρs分别为多孔材料的泊松比和相对密度,γ 为胞孔内气体的比热容比,将胞体内气体视为理想气体时 γ = 1.4.
许多研究者将泡沫铝动态响应实验中的坍塌应力增加归因于微惯性效应. 动态加载下多孔材料单胞的微惯性效应倾向于抑制多孔结构的柔性屈曲而增大材料的坍塌应力. Calladine等[86]采用如图6所示的吸能结构模型分析了应变率效应. 图中类型 Ⅰ结构的准静态应力- 应变曲线中无 “过冲” 现象, 动态载荷下的破坏模式类似于静态加载时的弯曲变形,微惯性效应的影响可以忽略不计;而类型Ⅱ结构在准静态加载时呈现出较强的软化弯曲模式,高速冲击时横向惯性力引起支撑杆的初始轴向压缩,在弯曲变形机制出现之前多孔材料的坍塌应力已增强. 此外,多孔材料的变形机制也能引起应变率效应. 多孔材料在冲击载荷下靠近加载端面的部分被迅速压实,该处的应变率大于表观应变率. Lehmhus等[87]研究发现热处理后的泡沫铝材料的微结构发生很大变化,其微结构的变形机制可能从类型Ⅰ变为类型Ⅱ.
3.2.2 能量吸收性能
多孔金属因其良好的能量吸收特性常作为缓冲器广泛应用于汽车保险杠、宇宙飞船的起落架、升降机安全垫和仪表包装等方面. 缓冲器的关键特性是吸收大量的冲击能量,使传递给受保护物的应力小于其破坏应力. 因此,如何准确地评估多孔金属的吸能特性及如何选择合适密度的多孔金属做缓冲器, 近年来逐渐成为研究者倍受关注的问题[88,89,90,91,92,93,94,95].
Parkash等[88]认为泡沫金属材料吸能特性不仅与胞体结构的弹塑性有关,还与破碎胞壁之间的摩擦等其他的一些耗散过程有关. Gradinger等[89]研究了胞体结构的细观非均匀性对泡沫铝材料抗冲击性能的影响,结果表明能量吸收能力与多孔金属的胞体尺寸、胞壁厚度和其拓扑构型密切相关. Beals等[91]研究了密度不均匀的Alcan泡沫材料, 指出密度梯度是削减能量吸收能力和效率的重要原因. 韩福生等[92]研究了两种不同基体材料泡沫铝的变形和能量吸收机理,发现泡沫金属的能量吸收能力随着相对密度和屈服强度的增加而增加.
目前,用来评估泡沫材料能量吸收特性的方法主要有缓冲曲线[96,97,98]、吸能曲线[99]和能量吸收图[11]3种. 缓冲曲线评估泡沫材料吸能特性时随着材料属性、冲击能量以及泡沫材料厚度的变化而变化,缺乏一般性在使用中常受到限制;吸能曲线源于泡沫材料的应力- 应变曲线,能够较好地描述泡沫材料的能量吸收特性,但是只能描述一种密度的泡沫材料在某一应变率下的吸能特性;而能量吸收图考虑了密度和应变率效应,是一种与物理模型相结合的有效经验方法.
3.2.3 动态本构模型
目前对高应变率下多孔材料 “3阶段” 变形动力特性的本构模型研究较少. 基于实验结果, Rusch[100]提出了一个描述泡沫材料的唯象非线性应力 - 应变模型,即
式中,E为泡沫材料的初始弹性模量,f(ε) 为非线性应变方程. 此模型虽然能够很好地刻画刚性泡沫的承载特征,但是没有考虑应变率效应和温度的影响. Meinecke等[101]在上述方程中引入压缩模量的率相关系数,得到如下本构模型
Nagy等[102]通过采用如下的应变和应变率的耦合方程替代方程 (8) 中的压缩模量表达式修正了上述模型
式中,b1和b2为经验常数,˙ε0为参考应变率. 上述本构模型已被验证能够用来描述一定密度的泡沫材料的力学特性,但是不能表征其密度的影响. Sherwood等[103]同时考虑了温度、密度、应变和应变率的影响,得到
其中,H(T) 和G(ρ) 分别为温度和初始密度的函数关系式,f(ε) 为形状函数,所有的函数表达式均通过实验数据近似获得. Chou等[104]耦合了温度和应变率效应提出如下模型
并通过对给定密度的聚氨酯泡沫材料在一定温度和应变率范围内的动力学性能的研究结果验证了该模型的有效性. 对于可压缩泡沫,Faruque等[105]提出了温度和应变率相关的本构模型,并将它写入了有限元动态显式算法. 该模型的主要特点在于既包含了应变率对杨氏模量和屈服强度的影响,又包含了应变率对压缩和拉伸截断过程中杨氏模量硬化行为的影响. 此模型以弹性模量函数关系式的形式给出
其中,E0为初始的准静态弹性模量,a为应变率系数,b为密实化系数,˙εeff, ˙ε0, ˙εv和 ˙ε0v分别为有效应变率、参考应变率、体积应变和极限体积应变 (超过此极限值时弹性模量与体积应变无关). 为了研究高应变率冲击载荷下低密度聚合物泡沫材料的动力学特性,Zhang等[106]提出了如下温度和应变率相关的本构方程,并写入了有限元程序
显然,上述模型均为唯象本构模型且对高应变率下多孔金属材料动力学特性的理论研究还处于起步阶段. 基于上述研究,Wang等[107]提出了冲击载荷下泡沫铝合金材料的多参数非线性弹塑性唯象本构模型,该模型不仅能很好地刻画泡沫铝合金应力 - 应变响应的 “3阶段” 特征,还考虑了相对密度的影响.
式中,A反映了泡沫金属材料压缩过程中随着相对密度的增加屈服应力的增值,B表征了拉伸屈服强度,为简化常取为1,α 和 β 刻画了材料的非弹性响应,C和n直接表征了密实化区域的初值和强度, D描述了材料的应变率相关性.
3.2.4 应力波传播
与多孔金属在冲击载荷下的变形、断裂和失效等动态响应研究相比,国内外对涉及应力波的扰动和传播问题的研究成果较少. 这主要是由于多孔介质中波的传播问题本身比较复杂,除线性弹性波外,非线性的弹性波和塑性波也会有相当重要的作用. 其次,多孔介质中应力波的传播问题还需考虑其宏观等效关系的复杂性.
对多孔金属冲击波特性的实验研究最早可以追溯到1968年Boade[108,109]采用石英压力传感器测量了孔隙率为17.1% ∼ 32.2% 的泡沫铜和泡沫钨的冲击波特性. 1997∼1998年,Bonnan等[110]和Hereil等[111]用PVDF压电计记录应力时程,用VISAR速度干涉仪记录粒子速度时程,研究了孔隙率分别为9% 和17% 的粉末冶金泡沫铝的冲击波压缩特性,得到了它们的冲击绝热线. Deshpande等[71]采用一维冲击波模型应力波在泡沫金属中传播时对提高材料破坏应力方面的影响. Tsai等[112]指出爆炸载荷作用下冲击波压力的衰减和粒子速度主要取决于材料的孔径尺寸和不同层材料之间的破阻抗比值. 孔径越小,界面对应力波传播作用次数越多,波的弥散和衰减越严重. 王海福等[113]采用间接测压法研究了爆炸载荷作用下聚氨酯泡沫的冲击波压力特性,结果发现泡沫材料中的初始冲击波压力随孔隙率增大而显著下降,冲击波传播衰减效应受孔隙率影响同样显著,但不呈单一加快或减慢趋势. 王永刚等[114]采用理论和数值方法分析了应力波在泡沫金属中的冲击衰减特性及材料的缓冲吸能性能,但是研究中采用的泡沫铝的最大应变为0.7,最大应力为160MPa,不能很好地表征泡沫金属材料在强动载荷下的变形特点. 应力波在多孔金属中的传播、衰减等动态特性研究是决定超轻多孔材料在航天航空领域中实际应用的必要条件,这一方面的研究已逐渐成为当前学术界的热点领域,但是这一领域的研究还处于起步阶段,多数工作尚处于实验阶段,理论研究模型比较简单.
3.2.5 力/应力增强现象
到目前为止,绝大多数的研究集中于高孔隙率泡沫金属材料的能量吸收特性,以期望将其作为理想的抗爆炸/冲击防护材料. 然而,这些研究工作大多忽略了冲击波在固体相中传播过程可能出现的力/应力增强现象.
最早的关于应力增强概念是Reid等[115]解释木材动态单轴压缩性能实验中提出来的. Cooper等[116]在爆炸载荷下动物的胸内脏器损伤问题的研究中发现,由于使用泡沫层作为防护材料,从空气中传到水中的超压被明显增强,动物肺部损伤程度变得更加严重. 随后,力/应力增强现象在可压缩多孔材料的冲击试验中也被发现[117,118,119]. 这些实验结果都与我们期望的泡沫金属用作防护层以减少人体或结构的损伤相反. 许多研究者力图对多孔材料力/应力增强的形成机理进行解释,但到目前为止还没有给出一个公认的合理解释.
现有主要研究集中于利用简化的一维力学模型来研究均匀泡沫材料中应力波传播特征. Shim等[117]和Li等[120]采用一维质量- 弹簧模型分析了密度均匀泡沫材料的动态单向变形和压缩冲击波的衰减及增强效应,但他们采用的模型不能描述局部密度不均匀性对其应力波传播特性的影响. Daxner等[121]提出一种准二维的多孔金属分析模型研究了表观密度不均匀在受撞击过程中对最大应力及能量吸收的影响,但是由于泡沫材料的不均匀性,在强动载荷下会产生随机分布的局部变形带,载荷作用与不均匀变形相互耦合使其分析过程十分复杂. 王志华等[122]采用二维非线性弹塑性 “质量 - 弹簧 - 连杆” 分析模型研究了冲击波在泡沫金属材料中的传播特性以及可能出现的力/应力增强现象.
4 多孔金属夹芯梁力学行为的研究现状
多孔金属夹芯结构兼具多孔材料和传统致密材料的优良特性,在充分发挥泡沫材料良好吸能缓冲性能的同时克服了其强度低的缺点,逐渐成为学术界和工程界青睐的研究焦点.
4.1 多孔金属夹芯梁的准静态力学行为
Gibson等[11]最早完善和总结了准静态载荷下夹芯梁的刚度、强度和失效机制图方面的工作,由简单梁得到了夹芯梁挠度 δ 和压头压力P的关系为
其中,L为支撑点之间的跨距,s为载荷之间的距离,(EI)eq为等效弯曲刚度,(AG)eq为等效剪切刚度.
Steeves等[123]理论研究了聚合物泡沫夹芯梁3点弯曲时的坍塌强度,面板为Hexcel Fibredux 7781914G编织玻璃纤维,芯层为闭孔Divinycell PVC (polyvinyl chloride) 泡沫材料,相对密度分为6.6% 和13.3% 两种. 典型的失效模式可分为面板的微屈曲、芯层的塑性剪切以及加载区域面板的压痕失效3种. 通过构建失效机制图揭示了夹芯梁坍塌模式和几何构型之间的关系,并以质量为目标函数给出了夹芯梁的最优化设计方案. 基于分析模型,Steeves等[124]开展了实验研究和数值模拟,结果发现夹芯梁的峰值载荷同理论预测吻合较好,简支梁理论和理论分析模型不适用于长高比较小且面板与芯层厚度比值较大的夹芯梁. Deshpande等[125]研究了点阵夹芯梁在3点弯曲时的坍塌行为,得到了4个典型的竞争坍塌模式:面板屈服、面板褶皱、芯层压缩和芯层剪切. 破坏模态与夹芯梁的几何构型和材料的屈服应变密切相关. 基于夹芯梁面板和芯层的有效性质,给出了坍塌载荷的上限定理表达式,且与测量结果吻合较好. 研究还给出了不同结构配置夹芯梁的破坏机制图. 随着研究的深入,Tae等[126]对准静态弯曲载荷下泡沫芯层复合夹芯梁的力学行为进行了研究,发现夹芯梁出现以下几个变形/失效模态:表皮断裂、表皮褶皱、芯层剪切、芯层压缩以及面板和芯层之间的界面失效. Yu等[127,128]研究了闭孔铝泡沫夹芯梁在准静态和低速冲击时的三点弯曲性能,得到了类似的实验模态. 上述研究夹芯梁均为简支条件下. 为此,Jing等[129]系统地研究了固支开孔泡沫铝夹芯梁在准静态加载下的变形和失效模态,得到了较为完备的失效模式:上面板褶皱、 加载区域的芯层剪切、固支端的芯层剪切、面板和芯层的界面失效以及下面板断裂等.
许多学者还对多孔金属夹芯梁准静态下力学行为开展了理论预测和数值模拟研究,并基于理论、实验和数值模拟结果,得到了夹芯梁的失效机制图和优化设计方案. Mc Cormack等[130]假定夹芯梁面板和芯层之间粘结完好分别给出了不同失效模式下的极限载荷的函数表达式. 早期的夹芯结构理论中, 认为芯层承受了梁的所有横向剪力Q,而在泡沫金属夹芯梁芯层剪切失效模态的实验中已经观察到面板形成塑性铰承受了部分剪切载荷,如图7所示.
为了准确地刻画这种失效模式,Mc Cormack等[130]和Gibson等[11]基于能量平衡模型得到了考虑面板塑性铰贡献的剪切失效模式的极限承载表达式
式中,b为夹芯梁的宽度,t和c分别为面板和芯层的厚度,σfy和 τcy分别为面板屈服强度和芯层的剪切强度.
Tagarielli等[131]研究了简支和固支玻璃乙烯树脂面板和PVC泡沫芯层夹芯梁在三点弯曲测试的坍塌模式,得到了夹芯梁的坍塌极限载荷和固支夹芯梁在有限挠度下的分析表达式. 研究结果还发现,简支夹芯梁呈现出软化的后屈服响应 (softening post--yield) 阶段而固支夹芯梁由于面板的膜力拉伸作用呈现出硬化行为 (hardening behavior). Steeves等[123]对复合面板和聚合物芯层夹芯梁的三点弯曲坍塌强度进行了理论分析,构建了夹芯梁不同几何构型和坍塌模式之间的失效机制图,并基于最小重量设计获得了近似结构承载指标的函数表达式. 在前人的研究基础上,Tagarielli等[132]理论和实验验证了固支金属面板和铝泡沫芯层夹芯梁的塑形坍塌模式,构建坍塌机制图探讨了夹芯梁3个典型的破坏模态. 结果表明固支边界条件是主导夹芯梁面板塑形拉伸变形的主要因素. Chen等[133]拓展了Gibson等[11]的宏观理论,得到了四点弯曲下泡沫铝夹芯梁的失效模式图,并引入泡沫金属的本构模型数值模拟了夹芯梁的变形失效. Bart--Smith等[134]分析了泡沫金属夹芯梁在三点弯曲过程中的失效过程,并基于失效机制图探讨了压头尺寸对失效模式图的影响. Wick等[135]考虑夹芯结构的4种典型破坏模式 (面板失稳、屈服,芯层单元失稳、屈服),比较了各种夹芯结构对重量的优化设计,发现在弯曲和剪切联合作用条件下,蜂窝夹芯结构是有效质量最轻的夹芯结构形式,在以抗压塌强度为限制条件时,点阵夹芯结构的重量要远远低于蜂窝夹芯结构. Rubino等[136,137]先后研究了Y型夹芯梁在均布载荷和集中载荷下的坍塌响应以及Y型和波纹板芯层夹芯梁的三点弯曲性能. 随着多孔金属宏观本构的发展以及在商业有限元分析程序中的应用,多孔金属夹芯结构数值模拟方面的研究工作也在不断地深入开展. Koissin等[138]应用ABAQUS程序研究了集中载荷下泡沫芯层夹芯梁的非弹性准静态响应, 假定芯层压缩为理想的弹塑性行为运用Kirchhoff-Love静态理论导出了夹芯结构面板的控制方程,并基于极值原理得到了其解析解. Styles等[139]利用LS--Dyna软件隐式算法模拟了复合面板夹芯梁的弯曲行为,研究了芯层厚度对夹芯梁弯曲性能的影响. 为了真实地描述准静态测试中的载荷历程,模拟中采用如下的速度场
式中,T为总加载时间,dmax为压头的最大位移.
由于夹芯梁受到尺寸、结构配置以及边界条件的影响,最终的变形和坍塌模式是几种失效模式竞争时所需载荷最小的一种,当两种或多种失效模式所需载荷相同时,则可能发生模式的转化. 因而以几何构型和主导失效模式构建的失效模式图直观有效地反映了夹芯结构的力学特性,特别是在夹芯结构的优化设计方面得到了广泛的应用. 但是,Gibson等[11]的失效模式分析是基于实验结果和能量平衡以及假定变形机构得到的,无法揭示夹芯梁失效破坏的细观机理. 此外,上述的失效机制图均未涉及到材料弹性参数对坍塌模式的影响,因此,Ashby和Gibson理论对于面板材料的强弱程度是敏感的,且只在面板强度相对较弱的情况下才能较为准确地反映夹芯梁的失效模式[123],也就是说,材料的弹性参数很大程度上影响失效模式. 相关的研究仍然有待进一步系统深入地开展.
4.2 多孔金属夹芯梁的冲击力学行为
多孔金属夹芯结构的冲击力学性能研究主要是建立在层合结构的研究基础上展开的,但夹芯结构和层合结构的力学性能存在较大的差异,其接触力学行为主要受相对较弱的芯层材料支配,而且夹芯结构耦合了材料非线性和几何非线性,冲击损伤变形过程非常复杂.
目前对多孔金属夹芯梁冲击力学行为的研究主要集中在破坏模式、抗爆炸/冲击性能以及吸能机理等方面. Kesler等[140]基于泡沫材料的尺寸效应研究了泡沫铝夹芯梁三点弯曲测试中梁尺寸对其极限承载能力的影响. 研究中保持夹芯梁芯层厚度与跨距的比值为常数,改变芯层厚度的绝对值讨论了其极限载荷并给出了理论预测,结果表明考虑剪切尺寸效应时理论预测与实验结果吻合较好. Hazizan等[141]利用落锤加载装置研究了泡沫基体材料夹芯梁的低速冲击响应,得到了几种不同的变形模式: 剪切断裂、屈曲失效和界面失效,并通过能量平衡模型预测了夹芯梁的弹性响应. Meo[142]和Besant等[143]采用有限元方法模拟了铝蜂窝夹芯结构的低速冲击响应,已达到研究鸟撞、工具坠落和跑道碎片等低速冲击对航空航天飞行器引擎机舱或外壳等造成的潜在危害,解决长期困扰航空工业界的焦点问题的目的. Yu等[128]实验研究了开孔泡沫铝夹芯梁的变形和失效机理,发现动态加载下夹芯梁由于出现了较大的局部压入和破坏失效,其能量吸收能力低于准静态加载,由于其结构尺寸变化较少,未能得到完整的夹芯结构动态失效模式图.
但上述研究均局限于多孔金属梁的低速冲击力学行为,关于多孔金属夹芯结构在高速冲击、特别在爆炸载荷下的动态失效行为的研究还非常匮乏. 这是由于实验研究夹芯结构在强动载荷作用下的动力学行为及其失效机理主要采用爆炸加载方式获得强冲击载荷. 实验中使用炸药这一高能物质有许多困难:安全性差、需要专用场地、技术复杂, 重复性差,即很难精确得到预先设定的冲量.为了能在常规实验室条件下频繁、精确地验证理论模型和对设计原型进行实验研究, 急需发展一个简单、经济和安全的动态实验加载技术,使其能够给出在空气和水中爆炸下的压力加载历史. 为此, Radford等[144]提出了一种新的应用金属泡沫子弹撞击产生强压力脉冲模拟炸药爆炸产生冲击载荷的实验方法,所给出的冲量可以通过改变子弹长度、 密度及冲击速度来控制. 利用该加载技术,Radford等[145]采用高速摄影技术研究了撞击载荷下3种不同芯层 (角锥桁架、波纹型和铝合金泡沫) 夹芯梁和实体梁的动力响应. 研究发现,3种夹芯梁中角锥桁架夹芯梁的抗冲击性能最差,但所有的夹芯梁都比等质量实体梁具有更高的抗冲击破坏的能力. Rubino等[146]在Radford等[145]的基础上开展了类似的研究,得到了夹芯梁的极限破坏模式. 夹芯梁面板用AISI 304不锈钢材料,芯层有Y型桁架和波纹型两种. 研究发现铜钎焊Y型夹芯梁的破坏出现在加载冲量I 4.5 k N·s·m-2,前面板和芯层在靠近固支端出现撕裂破坏,后面板与芯层的撕裂出现在临近跨中区域;而激光焊夹芯梁和实体梁的失效冲量为I 6.4 k N·s·m-2,且所有的失效都涉及梁横截面的拉伸撕裂.
在强动载下,纤维增强复合材料夹芯结构抗冲击性能的研究已得到广泛关注[147,148,149,150],主要利用结构压溃过程中脆性材料的宏微观损伤的发展来耗散冲击能量,结构的变形一般在弹性范围内,限制了其应用范围. 而金属夹芯结构利用结构的屈服行为或屈曲失稳过程中的韧性材料较大的塑性变形能力来吸收冲击能量. 近年来,多孔金属夹芯结构以其优异的抗冲击性能及能量吸收能力备受研究者的关注. Fleck等[151]和Qiu等[152]考虑到爆炸载荷作用时间、芯层的压缩响应时间和夹芯结构的整体动力响应时间有量级上的差异,将夹芯梁的动力响应过程分为3个阶段 (阶段I —— 流固耦合作用、阶段II —— 芯层压缩和阶段III —— 梁拉- 弯共同作用),建立了夹芯结构的理想刚塑性分析模型,发现材料的弹性变形和应变强化对结构的性能影响可以忽略不计,在考察的芯层强度范围内,芯层的压缩强度对结构的整体动力响应影响很小. Xue等[26]采用有限元计算结果验证了该分析模型的可靠性. Qin等[153,154,155]引入考虑芯层强度和塑性拉伸- 弯曲影响的屈服准则,对泡沫金属夹芯梁在压头加载、局部脉冲载荷和均布脉冲加载时进行了大挠度分析. Fleck等[151]的分析模型解耦夹芯结构的3阶段响应, 提供了一个承受强动载荷作用的夹芯结构理论分析框架,但是分析模型中一些假设条件的问题还没有得到很好的验证. 如冲击波在可压缩芯层里的传播以及在不同界面 (面板和芯层之间的) 的反射特性等还没有很好地分析[156,157,158];一部分多孔材料在阶段II可归类为速度敏感结构[159],在高速冲击下,速度效应使得动态屈服强度要比其静态强度大很多;在阶段II,模型假设芯层在达到密实化应变以前承受均匀压缩的假设的合理性验证等. 为此,一些科研工作者对解耦动力响应为3阶段的合理性进行了研究. 依据芯层的厚度、芯层的强度以及脉冲的幅值,将其典型动态响应分为强度较低芯层和强度较高芯层以及介于二者之间的3种不同响应,如图8所示.Liang等[160]和Mc Shane等[161]开展有限元模拟解耦分析了夹芯梁3个响应阶段,研究表明,对于芯层强度较高的夹芯梁,阶段I和阶段II的耦合效应可能低估20%∼40% 的冲量作用;强度较低的芯层可以通过阶段I的流固相互作用减少传递的冲量,但同时增加了阶段II芯层压缩与阶段III夹芯板整体的弯曲和拉伸的耦合作用.
上述研究很少涉及到爆炸与冲击等强动载荷下夹芯梁抗冲击性能系统的实验研究,夹芯梁的特性主要依赖于其几何形状、尺寸、面板和芯层的力学性能等. 其抗冲击性能和能量吸收机理主要取决于夹芯梁面板和泡沫芯层的相互作用、加载方式以及加载率等. Tagarielli等[162]研究了泡沫金属子弹撞击加载时玻璃纤维复合面板夹芯梁 (芯层分为PVC泡沫和balsa软木两种) 的动态响应. 并将夹芯梁跨中的最大瞬态横向挠度作为量化其抗冲击能力的指标. 研究结果表明,加载冲量较低时balsa软木夹芯梁的抗冲击性能优越于PVC泡沫夹芯梁,而加载冲量较高时,软木夹芯梁由于出现纵纹方向的劈裂破坏过早地出现纵向剪切失效. Rathbun等[163]利用泡沫铝子弹高速撞击模拟高压瞬时脉冲载荷的方式研究了不锈钢四边形蜂窝芯层夹芯梁抵抗冲击载荷的能力,验证了夹芯结构抗冲击性能的优越性以及有限元分析软件模拟结构响应的可靠性. 国内对高速冲击下多孔金属夹芯梁动态响应的实验研究较少. Jing等[164,165,166,167]系统地研究了泡沫子弹撞击载荷下开孔、闭孔泡沫铝以及铝蜂窝夹芯梁的冲击力学行为,分析了不同结构几何构型和加载冲量对夹芯梁失效机制及其转变和抗冲击性能的影响. 由于理论预测的复杂性和实验验证的局限性以及计算机有限元程序的迅速发展,数值模拟逐渐成为一种研究夹芯梁高应变率响应的重要手段. Qiu等[168]采用有限元方法施加压力时程脉冲分析了固支夹芯梁的冲击响应,指出面板材料的弹性、应变强化以及芯层材料的屈服强度对结构性能的影响很小. Tilbrook等[169]利用理论预测和数值模拟相结合的方法研究了夹芯梁的水下爆炸响应. 刘华等[170], 刘敬礼等[171]和康建功等[172]用有限元分析软件验证了简支和悬臂点阵夹芯梁动力响应理论预测的有效性. 康建功等[172]运用有限元软件LS-DYNA分析了固支泡沫铝夹芯梁在冲击载荷下的动力响应,着重考察了面板材料及芯层厚度对夹芯梁跨中位移的影响,并与实验结果和理论预测结果吻合较好.
5 多孔金属夹芯板力学行为的研究现状
5.1 多孔金属夹芯板的准静态力学行为
随着多孔金属材料制备工艺及其工程应用的发展,多孔金属夹芯板的力学行为已得到广泛研究. 就现有的文献来看,目前对多孔金属夹芯板的研究主要集中在准静态载荷、低速冲击和高速冲击与爆炸载荷下的力学行为以及其抗侵彻性能的研究.
Koissin等[138]系统研究了泡沫芯层夹芯板的准静态非弹性响应,研究中假定夹芯板无整体弯曲变形和芯层为理想的弹塑性材料,利用Kirchhoff-Love静态理论得到了面板的控制方程以及面板挠度、芯层压缩和接触力的解析解,并开展相应的实验研究和有限元分析,结果发现三者吻合较好. Foo等[173]开展实验和数值模拟研究了铝蜂窝夹芯方板的准静态压入失效行为,预测了夹芯板的初始破坏及其演化过程并估计了其静态失效能量. Belouettar等[174]分别研究了复合纤维和铝蜂窝芯层夹芯板在四点弯曲测试中的静态疲劳性能,讨论了其损伤和失效模式以及芯层密度和胞孔尺寸对夹芯板极限承载能力和损伤过程的影响,并引入整体和局部参数评估了夹芯板的疲劳寿命. Ruan等[175]实验研究了准静态压入载荷下泡沫铝夹芯圆板的力学响应和能量吸收能力. 研究结果发现夹芯板的变形模式有整体弯曲、伴随局部压痕的整体弯曲变形和局部压痕3种,并讨论了面板厚度、芯层厚度、边界条件以及粘附层对其变形模式和能量吸收的影响. 基于上述研究,Fan等[176,177]实验研究了单层和多层编织物夹芯板准静态压缩时的失效机理和能量吸收能力, 研究结果发现多层夹芯板的变形为单层夹芯板变形的复合模式,其能量吸收能力也得到极大的增强, 显著优越于等质量的单层夹芯板. 可以看出,目前关于多孔金属夹芯复合板的准静态响应研究已趋于系统和完善.
5.2 多孔金属夹芯板的低速冲击力学行为
夹芯板在航空航天、汽车工业及其结构工程中往往遭受低速冲击的情况. 如航空航天飞行器在起飞和着陆可能会受到跑道旁碎石等以不同速度的冲击以及鸟体的撞击等;建筑结构在装饰和维修过程中也可能遭受工具或碎片跌落等冲击载荷.
Shin等[178]针对韩国低层巴士的常用结构材料组成的4种不同类型的夹芯板开展了低速撞击响应的实验研究,利用光学显微镜得到了试件截面的失效模式. 冲击试验结果发现编织玻璃纤维面板的夹芯板比铝合金面板的夹芯板具有较好的抗冲击破坏性能. 结果还发现夹芯板的冲击参数诸如能量吸收、峰值载荷挠度、最大接触力和接触时间均随冲击能量的增大而增大. Fatt等[179,180]运用单自由度和多自由度系统预测了刚性子弹撞击下复合夹芯板的低速冲击破坏. 采用的夹芯板由各向异性层合面板和恒定压缩性能的芯层组成. 预测了冲击载荷下夹芯板的瞬态变形响应,得到了夹芯板初始破坏时冲击力和冲击速度的解析解. 研究表明尽管惯性效应、面板和芯层的该应变率材料属性影响夹芯板的冲击破坏载荷,但其初始冲击破坏模式类似于准静态加载,即:前面板拉伸和剪切断裂、芯层剪切和后面板的拉伸失效. Foo等[173,181]开展实验和数值模拟研究了低速冲击下铝蜂窝夹芯板的失效响应, 讨论了铝蜂窝夹芯板的初始破坏模式及其演化过程. 不少学者针对低速冲击下多孔金属夹芯板的几何拓扑构型[182]、功能梯度芯层[183]对其力学行为的影响及其冲击后残余压缩强度[184]和低速侵彻行为[185]开展了大量的研究.
从上述研究可以看出,目前对低速冲击下夹芯板力学行为的研究主要集中在实验研究和数值模拟方面,由于夹芯板变形和失效过程中面板和芯层耦合作用的复杂性,相关的理论研究还比较少. 复合结构的冲击动力学行为的理论分析常采用弹簧 - 质量模型和能量平衡模型这两种数学模型进行描述. 在弹簧 - 质量模型中,需考虑弯矩、剪力和膜力的共同作用,接触弹簧表征了结构的横向载荷 - 变形行为,通过求解系统的运动方程便可以得到完整的力- 时间关系. 现有的分析模型大多局限在弹性变形范围内,未考虑损伤演化过程,忽略了芯层的可压缩性以及面板的大变形. 为此,Olsson等[186]基于板的大挠度理论和芯层屈服条件预测了夹芯板的冲击响应. Fatt等[179]通过在弹簧 - 质量模型中引入一个遭受恒力的阻尼器刻画芯层的动态压缩阻抗,并在准静态载荷 - 变形响应的基础上利用最小势能原理得到了阻尼器和弹簧阻抗的近似解. Anderson[187]引入Maxwell阻尼器来解释低速冲击下夹芯结构材料损伤的机制,完善了夹芯结构动力响应的单自由度模型. 而在能量平衡模型中,假定结构一旦达到准静态行为下的最大挠度,子弹就停止加载,所有的初始动能均转化为结构的变形能,子弹的动能等于由于接触、弯曲、剪切和膜力变形的能量之和. 利用这种方法,Hassan等[188]研究了铝蜂窝夹芯结构的冲击响应,研究结果发现,低速冲击下的准静态假定是可行的,且能量平衡模型能较好地刻画夹芯结构的冲击响应. 但是能量平衡模型局限于弹性响应范围,并未考虑能量耗散. 此模型不适用于冲击速度较高时芯层发生破坏 (如孔壁屈曲、芯层压缩等) 的夹芯结构响应分析. 此外,该模型仅能预测出最大冲击力,不能给出其载荷 - 时间关系. Kassno[189]基于能量和动量守恒定律理论研究了碳纤维复合层合结构的冲击侵彻行为,得到了其弹道极限以及侵彻后子弹的残余速度. 但是该研究也未考虑冲击行为的载荷 - 时程关系.
5.3 多孔金属夹芯板的高速冲击力学行为
多孔金属夹芯板结构的高速冲击力学行为的实验研究一般有以下几种常用的加载方式:(1) 爆炸冲击波加载;(2) 片状炸药的接触爆炸加载;(3) 子弹/鸟体撞击加载;(4) 平面脉冲波加载等. 夹芯板的特性主要依赖于其几何形状、尺寸、面板和芯层的力学性能等,其特殊的失效模式主要依赖夹芯板表皮和泡沫芯层的相互作用, 加载方式,以及加载率等.
Karagiozova等[190]报道了聚乙烯和蜂窝夹芯圆板在爆炸载荷下的动力响应的试验研究. 但为了研究芯层可能发生的应力增强现象,面板和芯层没有粘贴到一起. Dharmasena等[191]实验研究了方形蜂窝夹芯结构在爆炸载荷下的动力响应. 在施加的载荷范围内,在爆炸源附近可明显地观察到上面板的弯曲变形和芯层胞壁的渐进屈曲. 在没有进行优化的情况下,夹芯板比等质量的实心板中心挠度要小得多. 但该实验没有测得爆炸载荷的作用冲量和压力. Nurick等[192]实验研究了爆炸加载下铝蜂窝芯层夹芯板的动态响应,讨论了其失效模式和结构构件的相互作用. Zhu等[193]研究了爆炸载荷下蜂窝铝夹层板的变形和失效模式,考察了面板厚度、孔径尺寸、孔壁厚度及炸药量对结构响应的影响. Mc Kown等[194]报道了在静态和接触爆炸载荷下两种八面体点阵材料的力学性能及其失效模式, 发现两种点阵材料在准静态下主要呈现水平和45◦角的屈曲失效模式和沿45◦角的渐进破坏模式,爆炸载荷下的失效模式与静态压缩相类似,但屈服应力比静态载荷下增加20% 左右,有较明显的应变率效应. Tilbrook等[195]利用Kolsky杆测量动态压缩夹芯结构前、后面板的应力的方法研究了不同冲击速度下不锈钢波纹板和Y型板的平面外动态压缩响应. 研究结果发现,当冲击速度低于30 m/s时,两种拓扑结构的微惯性稳定性都阻止其发生弹性屈曲变形;当冲击速度较高时,芯层材料中的塑性波导致前面板的应力随着冲击速度的增大而增大,而后面板的应力近似保持为一常数. Mc Shane等[196]利用泡沫金属子弹撞击加载研究了固支夹芯圆板和等质量实体板的动态响应,如图9(a) 所示. 夹芯板面板为AISI 304不锈钢,芯层有AL-6XN不锈钢角锥桁架和AISI 304不锈钢四边形蜂窝两种. 研究结果发现夹芯板比等质量的实体板具有较好的抗冲击性能, 且四边形蜂窝夹芯板的抗冲击性能优越于角锥桁架夹芯板. 与此同时,Radford等[197]应用相同的方法研究了泡沫金属夹芯板的动态响应,得到了类似的实验结果,如图9(b) 所示. 赵桂平等[198]对两种厚度的泡沫金属、格栅夹芯板在冲击载荷下的动态响应和变形机制进行了分析. 重点从夹芯板面层和芯体在冲击前后能量转化的角度来比较结构变化对夹芯板动态响应性能的影响. 讨论了不同的结构形式抗冲击性能的差异,分析了它们破坏的机理. 基于泡沫金属子弹撞击加载模拟爆炸载荷的实验技术, 国内一些研究者[199,200]对多孔金属夹芯板的动态响应开展了系统深入的研究,得到了较为完整的变形和失效模态以及关键结构配置参数的影响.
实验研究强冲击载荷作用下夹芯结构的动力学特性和失效机理具有一些局限性,如成本高,实验结果离散性大以及技术复杂等. 国内外学者对多孔金属夹芯板的抗冲击性能开展了大量的理论研究工作,并取得了一定的研究成果. Alwar等[201]研究了脉冲载荷激励下四边简支的各向同性芯层矩形夹芯板的非线性动态响应,分析了试件长宽比和芯层模量对其响应的影响. Mei等[202]应用经典夹层板理论分别研究了四边固支和简支规则角铺设矩形板的大挠度响应过程. Reddy[203,204]采用9节点剪切变形等参元及其修正理论研究了复合材料层合板的动态响应问题.
但上述理论仅局限于芯层为不可压缩材料,不适用于可压缩多孔金属芯层夹芯板的大挠度分析. 为此,Qiu等[205]建立了空中和水下爆炸载荷作用下固支夹芯圆板变形响应的理论模型,考虑到爆炸载荷作用时间、芯层的压缩响应时间和夹芯结构的整体动力响应时间有量级上的差异,将夹芯板结构的变形分为3个连续的阶段:流固耦合阶段;芯层压缩阶段和夹芯板塑性弯曲和拉伸的联合作用阶段. 夹芯板3阶段的变形机理如图10所示. 并应用有限元方法验证了理论模型的可靠性. 结果表明,芯层压缩强度和面板的应变强化行为对结构响应的影响不大. Deshpande等[206]对脉冲载荷下可压缩泡沫芯层夹芯板的一维冲击响应问题开展了理论研究, 确定了芯层材料应变强化行为对其动态响应的影响. Zhu等[207,208]基于上述分析模型,建立了爆炸载荷下多孔金属夹芯板的理论分析模型,通过实验结果验证了其分析模型的可靠性. 并应用解析模型, 考虑了边长比、芯层相对密度及芯层厚度等参数, 对结构进行了优化设计.
此外,Aktay等[209]理论预测了Nomex纸蜂窝和聚醚酰亚胺泡沫芯层复合夹芯板的冲击损伤行为. Main等[210]研究了空中爆炸载荷下夹芯板的单轴压缩性能,讨论了质量分布对多孔夹芯板压缩性能的影响. 为了确定多孔金属夹芯板是否芯层强度越高,其抗爆炸/冲击性能就越优越于等质量的实体结构,Xue等[211]采用弹塑性实体结构的动态有限元算法评估了均布爆炸脉冲载荷下夹芯板的抗冲击性能. 研究结果表明芯层材料的强度和能量吸收能力对其优异的抗爆性能是极其重要的. Andrews等[212]建立了考虑夹芯板动态效应的单自由度质量 - 弹簧系统,构建了空中爆炸载荷下复合夹芯板的失效模式图,直观地给出了结构的失效模态与关键参数之间的对应关系. 总得来说,强冲击载荷下多孔金属夹芯板动力学行为的理论研究很大程度上取决于屈服面的选择,图11总结了常用来分析夹芯板和实体结构大挠度响应的屈服准则[213].
如上所述,多孔金属夹芯板具有良好的抗冲击性能和能量吸收能力,其静态、动态力学性能已得到广泛的研究. 然而,在其服役过程中往往还易遭受各种弹丸的撞击作用 (如飞鸟撞击和弹道载荷等), 因此,不少学者对多孔金属夹芯板的抗侵彻性能也展开了系统的研究. 张明华等[214]实验研究了不同子弹冲击速度下纯铝板和泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能,并讨论了其破坏模态.结果表明应力波在纯铝板中的传播与在泡沫铝夹芯板中的传播有很大差异, 由于泡沫铝的黏性效应使应力波在传播过程中有明显的波幅衰减现象. Fatt等[215]得到了蜂窝夹芯板遭受平头弹和球头弹正向撞击下弹道极限的解析解. 该理论解将夹芯板完整的侵彻过程解耦为前面板的侵彻、芯层侵彻和后面板侵彻3个阶段. Dean等[216]对轻质金属纤维芯层夹芯薄板侵彻行为的能量吸收开展了大量的实验研究和数值模拟,结果发现,子弹的冲击速度超过弹道极限速度时,夹芯板的能量吸收能力随着冲击速度的增加单调递减至最小值后呈现出单调递增趋势. Goldsmith等[217]研究了不同子弹形状 (球形弹、锥形弹和平头弹) 对蜂窝夹芯板侵彻性能的影响,得到其弹道极限值和侵彻后剩余速度与初始速度之间的对应关系. Hou等[218]系统研究了钢质子弹侵彻泡沫铝夹芯板的力学特性,探讨了面板厚度、芯层厚度、芯层相对密度和子弹形状对弹道极限速度和能量吸收能力的影响. 由于泡沫材料的不均匀性、 测试方法的局限性以及实验精度等耦合效应 (如实验中夹芯板弹道极限值的确定常采用介于穿透和未穿透之间的实验值),有必要对多孔金属夹芯板的侵彻力学行为开展大量的数值模拟研究. Hanssen等[219]基于实验研究结果,应用有限元程序LS-DYNA对鸟撞泡沫铝夹芯板进行了分析. 模拟中泡沫铝的本构模型选用了 *Mat Deshpande Fleck Foam,铝板选用 *Mat Damage 1本构模型. 结果表明选用的本构模型能够很好地预测夹芯板的局部应变、局部失效及整体变形行为. Buitrago等[220]采用Abaqus/Explicit有限元算法模拟了蜂窝夹芯板的高速侵彻过程,对比实验结果讨论了剩余速度、接触时间和弹道极限速度与侵彻速度的关系. 国内倪长也等[221]对3种不同的点阵金属芯体三明治板遭受钢质子弹侵彻作用下的抗侵彻性能进行了有限元模拟研究. 模拟中夹芯结构采用Johnson--Cook本构模型,并采用一个与应变、应变率、温度和压力相关的常数值来描述不同参数相对影响的破坏准则.
6 多孔金属夹芯壳结构力学行为的研究现状
上述研究表明,多孔金属夹芯结构以其优异的抗冲击性能及能量吸收能力备受研究者的关注,但大多集中于研究夹芯梁和平板结构方面. 在实际工程应用中,大量具有不同曲率的夹芯结构被采用. 这一方面是由于结构功能性要求,如在航空航天领域中的各种飞行器,为了满足高速飞行时的空气动力学要求,必须具有各种特殊的外形设计. 简单的梁和平板是无法满足的. 鉴于壳结构具有曲率面复杂的几何形体,而多孔金属芯层复杂的三维拓扑结构更加增加了其在动载荷下力学性能分析的难度.
到目前为止,关于多孔金属芯层夹芯壳结构在爆炸载荷作用下的动力学问题的研究很少. Hause等[222]发展了一种双曲率夹层板在爆炸载荷作用下的分析模型,重点研究了板的曲率、面板的各向异性和叠层顺序、芯层的横观正交各向异性、结构的阻尼等对动态载荷响应的影响. 提供了设计动态服役环境下夹层壳结构的新思路. 鉴于夹层板的混合结构特征,可能出现局部的不稳定性 (起皱),会导致结构的突然失效. Vonach等在文献 [223] 中采用不同的有限元模型 (常规的和单细胞模型), 评估了理论模型的精确性和有效描述起皱的能力. Hohe等[224]给出一个具有横向可压缩芯层的双曲率夹层板结构的改进的几何非线性壳理论. 这一模型中面板是建立在Kirchhoff理论的基础上的,而芯层位移则采用了二阶/三阶幂级数展开的形式. 这一理论考虑了动态效应和初始的几何不完整性. 在横向变形采用大位移理论,而在切向位移梯度被假设是小变形. 运动方程采用Hamilton原理导出,所给出的公式适用于所有的弹性和弹- 塑性材料模型. 由于假设了芯层横向屈曲模态,整体和局部的 (面板折皱) 不稳定性模态可被给出. Li等[225]研究了具有可压缩芯层的夹层扁壳在爆炸载荷作用下的非线性动力响应. 给出一个新的非线性可压缩芯层模型,即取壳芯层的横向位移为该方向变量的四阶多项式函数. 控制方程采用和Reissner--Hellinger变分原理相结合的Hamilton原理给出. 简支夹层扁壳的解析解是采用Galerkin法和Laplace变换相结合的方法给出. 结果显示,改进的夹层壳模型可以获得结构的瞬态响应,如夹层扁壳在爆炸载荷作用下冲击波响应及面板和芯层瞬时特性. 而在稳态阶段,所有的面板和芯层的位移趋向相同. 并且进行了芯层的能量吸收能力和不同的材料和几何参数对经受爆炸载荷作用的夹层结构的影响研究.
上述研究对象尽管是夹芯壳的动态问题,但由于芯层材料不是体积可压缩多孔材料,而仅仅是有别于经典板壳理论中的假设:法线上各点在结构中面法线方向上的位移被忽略,即w(x, y, z, t) ≈ w(x, y, 0, t). 采用芯层的法向位移包含有不同阶数的横向变量的方法描述其可压缩性. 分析多局限在弹性范围,就现有的文献,关于具有多孔金属夹芯壳结构的研究结果极其有限. Hutchinson等[226]研究了具有泡沫金属芯层圆柱夹芯壳在轴向载荷下的屈曲问题. 在给定承载能力下,以最小壳质量为其优化目标参数,对面板厚度、芯层厚度和密度进行了优化. 考虑了所有由面板折皱、屈服及芯层屈服等给出的约束条件. 发现夹芯壳比具有较 “强” 刚度的壳有较大竞争优势. 从优化设计的角度评估了壳体对缺陷的敏感性. Dawson等[227]采用线弹性屈曲理论和塑性理论相结合,给出了一个对各向同性、具有可依从变形芯层的圆柱壳的综合性能分析. 在给定半径、材料和轴向压缩承载能力的情况下,进行了薄壁夹芯圆柱壳的优化设计. 分析还确定了芯层模量和壳模量的优化比.
但是这些具有可压缩多孔金属芯层夹芯壳结构的研究都限于圆柱壳受轴向压缩载荷的问题,具有轴对称的特性. 而具有可压缩多孔材料芯层夹芯扁壳结构关于爆炸载荷作用下动力响应的研究,夹芯圆柱壳在内部和外部局部爆炸载荷作用下的动态力响应和失效模式的研究还鲜有报道. Shen等[228]在这一方面开展了探索性的实验研究,讨论了TNT炸药爆炸载荷作用下两种曲率、不同面板厚度、不同泡沫铝芯层厚度的夹芯壳结构的动态响应. 但是得到的变形和失效模式较少,有关强动载荷下泡沫金属夹芯壳结构动力响应理论分析模型的研究还未曾涉及. Liu等[229]采用有限元模拟研究功能梯度泡沫铝芯层夹芯圆柱壳的动力响应和爆炸抵抗性能. 研究发现在遭受相同爆炸载荷时,功能梯度夹芯圆柱壳的径向挠度明显低于非梯度夹芯圆柱壳,从而验证了其良好的抗爆性能. Fatt等[230]提出了复合夹芯圆柱壳遭受外部爆炸载荷时早期响应的理论分析模型. 该模型将可压缩泡沫芯层认为是弹塑性的能量吸收媒介,在早期响应阶段能够削弱爆炸冲击波和吸收部分的爆炸能量. 基于上述分析,Jing等[231,232,233,234,235,236,237]系统开展了爆炸加载和泡沫金属子弹撞击等强动载荷下闭孔泡沫铝夹芯圆柱壳结构的动力学行为及其失效机理的研究. 得到了较为完备的动力失效模式,并提出了脉冲载荷下泡沫铝夹芯壳动力响应的理论分析模型. 考虑空气的非线性压缩和有限冲击条件,通过对泡沫金属夹芯壳结构施加压力脉冲,对其最佳承载范围和最优拓扑构型作了一些初步探讨. 从上述研究可以看出,多孔金属夹芯梁和平板已经得到了系统的研究,其抗冲击性能, 能量吸收和失效机理已得到实验、理论和数值模拟的验证. 然而,对于不同曲率的夹芯结构 (单曲率夹芯板,夹芯圆柱壳和夹芯球壳等) 的动力学研究还处于起步阶段.
7 结束语
金属幕墙用氟碳涂层的性能测定 篇9
氟树脂涂料主要应用于建筑金属幕墙,JG/T 133-2000《建筑用铝板、铝型材氟碳涂层》、GB/T 17748-1999《铝塑复合板》等一系列标准中规定,外墙板涂层应采用70%(涂层树脂中PVDF含量)或其他性能相当的氟碳树脂。随着氟树脂涂料行业的发展,交联型氟树脂涂料(FEVE)也开始在预辊涂铝卷材中使用,且通过了标准中有关涂层性能的各项技术指标。至今,只有氟碳树脂涂料才能经得起严酷气候条件的考验,又不失其本色,还能抗大气污染、不沾油尘,具有优异的抗退色性、抗起霜性、抗侵蚀(如酸雨等)性、抗紫外光能力、抗裂性,是常规涂料所不能达到的。在日常检验工作中,发现金属幕墙装饰氟碳涂层经常会出现一些有别于其他涂层(如聚酯、丙烯酸)的特殊问题,对此进行了探讨。
1 涂层树脂体系的定性
目前,市场上对于涂装产品涂层体系的定性检测颇为迫切,通过傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪(Thermo Nicolet Nexus 670,美国)可以对获得的PVDF体系、FEVE体系、聚酯体系和聚丙烯酸酯体系的涂料进行定性测试和鉴定,获标准红外谱,以此与样品的红外谱图比较,即可定性判定涂层树脂体系[1]。
2 涂层树脂中的PVDF含量
在建筑领域,PVDF在涂料树脂中的含量必须等于或高于70%,才能确保氟碳涂层的质量及建筑物的长久美观。HG/T 3793-2005《氟树脂涂料》提供了PVDF树脂含量的检测方法,利用PVDF树脂、丙烯酸树脂和颜料的溶解性不同,选用合适的溶剂体可将它们彼此分离。其中色料完全不溶于有机溶剂,PVDF树脂仅溶于N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等溶剂。聚丙烯酸脂除溶于聚偏氟乙烯的溶剂外,还溶于其他普通有机溶剂。通过不同的溶剂进行离心分离、干燥称重的方式可进行测定。但使用不溶性热固型丙烯酸脂和有机色料会造成误差,尤其是对于涂装的产品,涂层往往只能获得少许,一般不超过50 mg,按传统方法操作的误差较大。苏威苏莱克斯(hylar5000)作为世界上主要的PVDF原料供应商,对此进行了深入研究,从理论上提出了PVDF含量微量测定法[2],原理是利用相容性结晶聚合物含量与熔点下降的关系的角度进行测试。
一般来说,结晶物的熔点因可溶物含量而下降,PVDF与丙烯酸树脂就是一相容体系。利用体系熔点相对纯的PVDF熔点下降程度与PVDF含量的关系,便可对不同浓度的涂层进行DSC测试,确定其熔点,最后以PVDF含量为横坐标,以熔点下降度数为纵坐标,绘制工作曲线。最后,通过测定样品的熔点便可得出PVDF含量。
利用DSC(TAQ100,美国)对此方法的可靠性进行了大量的验证试验,在保证测试数据重复性与复现性的前提下,绘制出了PVDF含量-熔点下降度数的工作曲线,见图1。
3 涂层随角异色现象
涂层在光线照射下,随观察角度的变化或光源照射角度变化,颜色和光泽随之变化。
具有金属质感的金属闪光漆在金属幕墙中使用广泛。当涂料中铝粉片或金红石氧化钛、珠光粉平行于底材时,在入射光的法线方向颜色发暗;在反射角方向颜色明亮。这是由于平行排列的铝粉片或其他反射性填料像一个个小镜子将光线反射出去而造成的[3]。这种随角异色的现象需控制在一定范围内,即a*、b*值在色度坐标系中的一个象限内均匀变化,就可以产生较好的金属质感的效果。如果色浆或施工工艺的问题造成随角异色现象太大,即a*、b*值在色度坐标系中的出现跨越象限的突变,则往往会造成色差问题。
采用X-Rite MA86 Ⅱ五角度分光光度计(光源D65P10°) 测定涂层在15°,25°,45°,75°,110°等5 个不同角度的CIE L*、a*、b*,值,结果见表1。
从测定结果可以看出,两者的L*值都随着角度的增加而逐渐减小,但色板的a*、b*值随着角度的增加而逐渐增加,产品的a*值出现了明显的不规则变化。图2为两者的a*、b*值在色度坐标系中的变化。
从图2中可以明显看出,色板的a*、b*值在色度坐标系中的一个象限内均匀变化,而产品的a*b*值在色度坐标系中的出现跨越象限的突变,即在-a(绿)-a(红)的变化中有明显变绿的数据特征。
4 结 语
(1)利用FT-IR可以对金属幕墙氟碳涂层的树脂体系进行准确快速的定性判定。
(2)对于热熔型氟碳涂层中PVDF含量的测定,传统的溶解分离称重法不适用于已涂装的涂层,利用DSC热分析法可以实现微量快速鉴定。
(3)可以利用多角度分光光度计对影响装饰效果的涂层随角异色现象进行仪器鉴定,为此类纠纷提供参考依据。
参考文献
[1]刘翼,蒋荃.建筑装饰用氟碳涂层定性分析方法[J].涂料工业,2008(2):66～68.
[2]林秀清.聚偏氟乙烯涂层的快速微量鉴定法[A].第五届氟树脂及氟涂料技术研讨会论文集[C].青岛:涂料工业出版社,2004.
金属材料组织对性能的影响 篇10
金属及其合金之所以能够获得如此广泛的应用, 归功于它们具有优良的使用性能和工艺性能。在使用性能中, 金属材料的机械性能 (即力学性能) 占有突出的地位。我们知道:汽车是用钢铁而不是用木头来制造, 是因为钢铁具有较高的强度;我们用硬质合金来做车刀, 是因为它具有很高的硬度。显而易见, 是“使用”对金属材料的机械性能提出了要求, 是“使用”决定了对金属材料的选择。机构性能指标很多, 有强度、硬度、塑性、弹性、韧性、抗疲性、抗蠕变等。这些性能指标是机械设计、材料选择的主要依据。其中强度、硬度、韧性、塑性具有代表性, 在材料的规格中均会标明。因此, 必须充分理解各种机械性能指标的含义, 在工作中正确、合理地选择使用金属材料。
2 组织结构对金属材料的性能的影响表现
2.1 金属材料组织对其力学性能的影响
1) 晶粒大小对金属力学性能的影响在一定体积的晶体内, 晶粒的数目越多, 晶界就越多, 晶粒就越细, 并且不同位向的晶粒也越多, 因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高, 而且塑性和韧性也较好, 故生产中总是尽可能地细化晶粒。
2) 铁的同素异构转变特性对钢铁材料的组织及力学性能的影响是现代工业中应用最为广泛的合金, 它们均是以铁和碳为基本组元的合金。由于钢铁材料的成分 (含碳量) 不同, 因此其组织、性能和应用场合也不同。铁碳合金的基本组织有五种, 其中属于固溶体的有铁素体和奥氏体。铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体, 由于α-Fe是体心立方晶格, 晶格间隙小, 所以碳在α-Fe中的溶解度很小, 其室温性能接近于纯铁, 即具有良好的塑性、韧性, 较低的强度和硬度。而奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体, 由于γ-Fe是在高温状态下存在的面心立方晶格结构, 晶格间隙较大, 故奥氏体的溶碳能力较强, 它的强度、硬度比铁素体高, 且具有良好的塑性, 尤其是具有良好的锻压性能。热处理之所以能使钢铁材料的性能发生变化, 其根本原因是由于铁具有同素异构转变的特性。如对于球墨铸铁, 可通过热处理改变其基体组织来提高和改善其力学性能:通过退火, 得到铁素体, 从而提高塑性、韧性, 消除应力, 改善切削性能;通过正火, 得到珠光体基体, 提高强度和耐磨性;通过调质, 得到回火索氏体的基体组织, 以及良好的综合力学性能;通过等温淬火, 使外形复杂且综合力学性能要求高的零件获得下贝氏体的基体组织, 以及高强度、高硬度、高韧性等综合力学性能, 避免热处理时产生开裂。
2.2 金属材料组织对其工艺性能的影响
1) 金属材料的工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力, 它包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。金属凝固后, 内部化学成分组织不均匀的现象称为偏析, 偏析严重时, 可使铸件各部分的力学性能产生很大的差异, 降低铸件质量, 尤其是对大型铸件危害更大。因此, 冷却后的金属材料组织是否均匀对铸件的铸造性能影响很大。
2) 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻压性能。常用塑性和变形抗力两个指标来综合衡量。塑性越好, 变形抗力越小, 则金属的锻压性能越好, 纯金属锻压性能优于一般合金。铁碳合金中, 含碳量越低, 锻压性能越好;合金钢中, 合金元素的种类和含量越多, 锻压性能越差。合金的组织主要分为单相固溶体和多相混合物两类, 其塑性变形也各有自身的特点。
2.3 焊接对金属组织的影响
首先, 焊接造成的表面缺陷如焊瘤、咬边、未焊透等, 均使熔敷金属与母材间形成缝隙。喷溅也使母材和金属粒之间相接触的部位形成缝隙。在电解质溶液 (如Na CI水溶液) 中, 这些缝隙处往往会发生缝隙腐蚀。当然, 发生缝隙腐蚀的条件包括缝隙大小、介质的滞流状态和腐蚀特性等诸方面的因素。但焊接表面缺陷无疑给发生缝隙腐蚀提供了场所。其次, 焊接接头区组织的变化对应力腐蚀的发生影响重大。这种影响因不同的腐蚀环境而异。例如奥氏体不锈钢焊接接头的原熔融部位所含铁素体在盐酸溶液中, 会成为优先腐蚀的相, 极易形成网状裂纹。而热影响区中沿晶间析出的碳化铬在Na CI水溶液等类型腐蚀环境中, 使钢材晶间型应力腐蚀抗力明显变差。
总之, 焊接对金属材料腐蚀性能的影响是非常复杂的, 本文仅阐述了常见的几种情况。为了减小焊接对金属材料腐蚀性能的影响, 实践中除了尽量控制焊接缺陷和残余应力外, 更重要的是根据腐蚀环境合理选材和采用最佳的焊接工艺。
2.4 金属材料纤维方向对性能的影响
冲压工艺广泛应用于汽车、拖拉机、航空、电器、仪器仪表构件以及各种金属制品的成形加工。所用坯料大多是厚度为8~10mm的板料或带状条料, 这些材料经轧制一般具有纤维组织特征。在实际生产中, 常常由于忽视了纤维方向而造成冲压件质量问题:
1) 弯曲裂纹板料弯曲时, 弯曲部位的外表面受拉应力, 当零件弯曲方向与材料纤维方向不一致时紧固螺钉的流线分布, 材料在该方向上的延性较差, 容易产生弯曲裂纹。
2) 许多弹性零件都有韧性要求, 当零件弯曲方向与材料纤维方向不一致时, 往往导致零件因韧性不足而发生早期失效断裂。
总之, 在冲压件的排料及操作中, 要重视材料纤维方向的选择, 以保证零件质量, 减少废品损失。因此我们要注意的是金属材料纤维组织造成材料力学性能的各向异性, 在机械制造中, 很多质量问题和工艺技术间题均与此有关, 在生产实践中要正确利用材料的纤维特性, 以利于提高产品的使用性能和减少废品损失。
3 结语
综上所述, 组织结构作为一种重要的性能因素对金属内部的微观结构、晶格缺陷以及由这些缺陷参与的物理冶金过程具有重要的影响。目前对组织结构作用的研究还有很多未揭示的现象, 对性能作用的影响因素和组织结构的作用机理尚需做进一步的探索和研究。新技术直接应用于实际生产还有一段路要走, 但是随着人们对组织结构作用于材料的基础理论问题研究的不断深入, 这些技术必将得到更加广泛的应用, 从而促进现代材料科学研究的发展。
摘要：金属材料是机械工程中使用最为广泛的结构材料。它的性能主要由其内部组织所决定, 包括了化学成分、相组成、晶粒度, 金属纤维组织等, 这些对于金属材料的性能都有很大的影响。本文即是针对这些组织对性能产生的影响加以浅析。
关键词：金属材料,组织,性能
参考文献
[1]吴志伟, 张柯柯, 张占领, 孙敬.静电场对金属材料塑性变形及组织和性能的影响.材料热处理技术, 热加工工艺.2010.
[2]郭演星.焊接对金属材料腐蚀性能的影响.理化检验一物理分册.1999.
[3]商录朋.谈金属材料组织对性能的影响.科技信息.职校论坛, 2009.
[4]王贤涛.金属材料纤维组织对零件使用性能及加工工艺的影响.机械工程材料.1998.
