十九、闭孔泡沫铝及其夹芯结构的高温力学行为研究   

基体材料及实验介绍-2

   由于多孔金属的非均匀性，胞孔直径的离散性以及随机缺陷的存在，在研究多孔金属材料的力学性能时，材料的密度分散性对实验结果造成很大的影响，使得实验结果离散性较大，很难对实验结果进行有效分析。由于应力应变曲线的振荡很大，曲线的走向不合理，Deshpande等和Dannemann等对同一种泡沫铝的实验结果截然不同，因此其结果的有效性也令人怀疑。Deshpande和Fleck指出，泡沫金属是高度非均质的，具有随机缺陷的材料，材料强度的离散性可达到20%。因此，只有均匀性非常好的原材料才能消除轴向尺寸的影响，从而得到重复性较好的结果。为减小泡沫铝材料离散性的影响，本章实验中所用的单轴压缩试件取自同一泡沫铝材料块体中胞元结构较为均匀，胞元尺寸基本恒定的区域。通过线切割机将试件从订购的泡沫铝材料块体中切割之后，再利用数字卡尺和数字天平分别测量泡沫铝单轴压缩试件的尺寸和质量。为减小误差，试件的直径和高度分别为在五个不同位置的测量结果的平均值。最终获得的φ32mmx15mm轴向压缩试件平均密0.323±0.00457g/cm³,变异系数为1.41%，试件密度的离散性较小。
   由于多孔金属材料特殊的孔隙结构，胞元尺寸以及试件尺寸都会影响到材料性能的实验测量结果，“尺寸效应”不可忽略。Andrews等通过实验指出，随着试件尺寸和胞元尺寸比值的增大，闭孔泡沫铝(Alporas)和开孔泡沫铝(Duocel)的弹性模量和塑性屈服强度都会增大到一个恒值。当试件尺寸和胞元尺寸的比值等于或大于5时，也就是说当试件尺寸包含至少5个胞元直径时闭孔泡沫铝的压缩强度基本趋于恒定。对于本章实验中所用到的闭孔泡沫铝材料，王鹏飞等通过实验研究了直径为φ32mm的试件，不同厚度(12,15,20和32mm)的影响。直径方向包含10个左右胞元，而厚度方向不同。结果发现只有尺寸为φ32mmx15mm的试件，才能既可以较好地满足动态加载下的应力均匀性假定，同时又可忽略尺寸效应的影响。
   不同温度下闭孔泡沫铝的准静态轴压试验在中国科学技术大学工程与材料科学实验中心的MTS810材料试验系统上进行，名义应变率为0.001/s，试件环境温度通过环境箱控制。通过液氮制冷的方式来进行低温实验，利用电阻丝加热的方法来进行高温实验。当系统传感器温度达到目标温度以后保温120分钟，以保证试件实际温度达到目标温度且试件内部温度达到均匀。单轴压缩实验分别在-100,-50,25,200,275,350,425和500°C下进行，试验温度的偏差在+5°C以内。不同温度下闭孔泡沫铝的动态力学性能实验在中国科学技术大学近代力学系冲击动力学实验室的SHPB实验装置上进行，采用自行设计的高精度制冷/加热两用智能控制盒实现环境温度的调节控制。