规则多孔铜压缩性能的各向异性

黄 峰, 杨天武, 李再久, 黎振华, 金青林, 周 荣

(昆明理工大学 材料科学与工程学院，昆明 650093)

规则多孔铜压缩性能的各向异性

黄 峰, 杨天武, 李再久, 黎振华, 金青林, 周 荣

(昆明理工大学 材料科学与工程学院，昆明 650093)

在氢气或氢气和氩气的混合高压气氛中，采用定向凝固技术制备规则多孔铜材料；在室温下测试不同气孔率规则多孔铜在不同方向的压缩性能；研究气孔率和压缩方向对规则多孔铜力学性能的影响规律。结果表明：当气孔率和压缩方向不同时，规则多孔铜的压缩应力—应变曲线表现出不同的特征；当压缩方向相同时，规则多孔铜的压缩屈服强度随气孔率的增加而降低；规则多孔铜的力学性能呈现明显的各向异性，其屈服强度和能量吸收能力随着压缩方向与气孔方向夹角的增大而减小；当压缩方向与气孔方向的夹角为0°时，其屈服强度和能量吸收能力最大。

规则多孔铜; 定向凝固; 屈服强度; 压缩变形

多孔金属材料由于其密度低、刚度大、比表面大、减震性能好及消声效果好等优异性能，正逐渐成为一种常用的工程材料，在一些高技术领域获得了广泛的应用[1−3]。

传统方法制备的多孔材料，如烧结型和发泡型，由于孔洞形状不规则、分布无规律性及孔洞内表面不光滑，容易引起应力集中效应，从而降低基体的力学性能，如较低的抗拉强度和延展性[4−5]。1993年，SHAPOVALOV[6]提出了一种利用金属−气体共晶定向凝固制备规则多孔金属的新方法。该方法制备的多孔材料其气孔呈圆柱形且排列方向一致，通常称为规则多孔材料。规则多孔材料与传统多孔材料相比，具有优异的性能，如较小的应力集中、较优的力学性能和较强的导热能力等[7−9]。作为一种性能优异的工程材料，规则多孔金属材料的力学性能受到研究者们的广泛关注，并取得了许多成就。SIMONE和GIBSON[10]研究了规则多孔金属的单向压缩性能，发现其压缩性能与气孔率密切相关。随后，HYUN和NAKAJIMA[11]及TANE和IKEDA[12]

的研究进一步表明：多孔金属的压缩性能不但依赖于气孔率，还与气孔方向密切相关。 最近，刘新华等[13−14]

对规则多孔铜的压缩性能进行了研究，并建立了沿垂直于气孔和平行于气孔方向的压缩变形本构关系。但是，已有压缩特性的研究多局限于平行或垂直于气孔的方向，并不能完整地描述规则多孔材料的各向异性。因此，本文作者通过不同方向的单向压缩实验，进一步研究规则多孔金属材料不同气孔方向的压缩特性，找出压缩方向对规则多孔金属材料压缩性能的影响规律，为其实际应用提供依据。

图1 规则多孔铜的定向凝固装置示意图Fig.1 Schematic illustration of solidification apparatus for ordered porous copper: (a) Melting; (b) Solidification

图2 规则多孔铜的横截面和纵截面照片(气孔率为0.48)Fig.2 Photographs of ordered porous copper with porosity of 0.48: (a) Transverse section; (b) Longitudinal section

1 实验

1.1 规则多孔铜的制备

规则多孔铜在自行研制的真空感应熔炼高压定向凝固装置中制备，如图1所示。在高压氢气或氢气和氩气的混合气体下，通过电磁感应加热，在坩埚中熔炼高纯度铜(99.99%)。在熔炼温度为1 143 ℃，保温 30 min，使氢气充分溶入熔体中。之后，提起控制杆使坩埚旋转 90°，熔体顺着漏斗流入带有水循环冷却装置且侧面保温的铸型中进行自下而上的定向凝固。由于氢气在铜的固相与液相中存在溶解度差异，在定向凝固过程中，溶解在铜溶液中的氢气在固−液相线逸出，形成平行于凝固方向的圆柱状气孔。通过控制氢气和氩气的气压及凝固速度，得到不同气孔率(p)的铸锭。

图2所示为试样的纵截面和横截面照片。所获圆柱形铸锭的直径为60 mm，最大高度随所用炉料的质量及气孔率而变化。材料整体的气孔率根据Archimedes原理用排水法测得。

1.2 压缩实验

按 GB/T7314—2005设计圆柱体的压缩试样，试样直径为10 mm、高为18 mm，其照片如图3所示。用电火花线切割机从铸锭中切取气孔方向与压缩方向呈 0°、30°、45°、60°和 90°角的试样(分别简称为 0°、30°、45°、60°和 90°方向)，用来研究规则多孔材料在不同气孔方向的力学性能。

图3 气孔方向与压缩方向呈不同角度规则多孔铜的压缩试样照片(气孔率为0.48)Fig.3 Photographs of order porous copper with porosity of 0.48 for compressive test at different angles between pore axis and compressive direction: (a), (a′) 0°; (b), (b′) 30°; (c), (c′) 45°; (d), (d′) 60°; (e), (e′) 90°

图4 不同气孔率规则多孔铜在90°方向的应力—应变曲线Fig.4 Compressive stress—strain curves of ordered porous copper with different porosities in 90° compressive direction

室温下，压缩实验在量程为 100 kN 的 CSS−44100电子万能试验机上进行，压缩速率为1 mm/min。利用计算机记录载荷和压头位移值，通过载荷和位移值得到应力—应变曲线。在应力—应变曲线上以0.2%残留应变时的应力作为屈服强度。

2 结果与讨论

2.1 多孔铜的压缩特征

不同气孔率规则多孔铜的应力—应变曲线如图 4所示。由图4可知：应力—应变曲线的斜率随着气孔率的增加而减小，即应变相同时气孔率大的试样的应力小。这表明，随着气孔率的增加，试样越容易被压缩。

在不同压缩方向上规则多孔铜的应力—应变曲线如图5所示。当试样气孔率相同时，其应力—应变曲线的斜率与压缩方向相关，表现出明显的各向异性。在低应变阶段，曲线的斜率随着压缩方向与气孔方向夹角的增大而减小，即0°方向斜率最大，30°、45°、60°和90°方向的斜率依次减小。然而，在高应变阶段，曲线斜率的变化正好相反，90°方向斜率增至最大，60°、45°、30°和 0°方向的斜率依次减小。

规则多孔铜材料的应力—应变曲线因压缩方向不同而显示出不同的特征，这可能由以下两方面的原因造成。

首先，变形方式不同。规则多孔铜压缩变形方式取决于压缩方向与气孔方向。以气孔率为0.48的规则多孔铜材料为例，其压缩试样不同变形量(应变分别为0.1、0.3、0.5和0.8)的纵截面如图6所示。由图6可以看出：0°方向试样单向压缩时向两侧产生膨胀而呈对称的鼓形，变形以孔壁塑性屈曲为主。孔壁受到压缩载荷作用先产生轴向压缩镦粗变形，然后产生塑性弯曲，继而塌陷和折叠变形而逐渐密实化。孔壁的弯曲和折叠变形是主要的变形形式。90°方向试样单向压缩时没有产生膨胀而呈鼓形，变形以气孔的塑性屈曲为主。低应变时，发生气孔塑性压扁和塌陷而改变气孔结构为主的塑性变形。当压缩进一步进行时，气孔发生严重的塑性塌陷，继而逐渐密实化。30°、45°和60°方向因载荷和结构的不对称产生与压缩方向呈一定角度倾斜变形；30°方向变形类似 0°方向变形，两侧产生少量膨胀但不是很明显，孔壁发生弯曲和折叠变形；60°方向变形类似90°方向，以气孔塑性屈曲为主。当应变为0.5时，45°、60°和90°方向试样基本压实，而 0°和 30°方向还有一定量的气孔。显然，规则多孔铜的压缩变形主要以气孔孔壁塑性变形为主，应力—应变曲线的形状变化与气孔结构的变形特征有关。

图5 在不同压缩方向上规则多孔铜的应力—应变曲线(气孔率为0.34)Fig.5 Stress—strain curves of ordered porous copper with porosity of 0.34 in different compressive directions

图6 多孔规则铜试样在不同压缩方向及不同应变下的纵截面图(气孔率为0.48)Fig.6 Photographs of vertical cross-sections of ordered porous copper with porosity of 0.48 in different compression directions after compression test at different strains

另外，不同压缩方向上气孔周围的应力集中程度不同。应力集中对多孔材料的力学性能有很大的影响，其强度随着应力集中的增加而减小[11]。一般用应力集中系数表示应力集中程度，其表达式为

式中：K为应力集中系数；σn为名义应力；σmax为最大局部应力。根据文献[15]中应力集中系数表计算得出：当气孔率和孔径相同时，0°方向的应力集中系数最小；30°、45°、60°和 90°方向的应力集中系数依次增大。应力集中系数越大，σmax越大，即气孔周围的最大应力越大，当σmax达到屈服应力时，气孔发生变形。因此，压缩方向与气孔方向夹角越大的试样越易发生变形，即低应变时应力—应变曲线斜率越小。

由此，应力—应变曲线因压缩方向不同而显示不同特性，这可能由变形方式和应力集中效应不同引起。

图7 不同压缩方向上规则多孔铜屈服强度与气孔率的关系Fig.7 Relationship between compressive yield strength and porosity of ordered porous copper in different compressive directions

图8 0°、30°、45°、60°和 90°方向试样承载面积示意图Fig.8 Schematic diagrams of load-bearing areas in different directions: (a) 0°; (b) 30°; (c) 45°; (d) 60°; (e) 90°

2.2 多孔铜的压缩屈服强度

试样在不同压缩方向上的屈服强度与气孔率的关系如图7所示。由图7可知，各个压缩方向上试样的屈服强度都随气孔率的增加而减少。

当气孔率相同时，规则多孔铜的屈服强度随压缩方向与气孔方向夹角的增大而减小，即0°方向的屈服强度最大，30°、45°、60°和 90°方向的屈服强度依次减小。这主要由以下3方面的原因引起。

1) 气孔方向与压缩方向的变化导致有效承载面积变化。一般来说，有效承载面积越大，能承载的载荷越大。0°、30°、45°、60°和 90°方向试样的承载面积如图8所示。图8中：R为气孔半径，白色区域为有效承载面。当气孔率相同时，0°方向的有效承载面积最大，30°、45°、60°和90°方向的有效承载面积依次减小，所以，屈服强度随压缩方向与气孔方向夹角的增大而减小。

2) 材料由定向凝固而成的柱状晶组成，其晶粒具有一定的择优取向，不同压缩方向上的晶向不同。对于面心立方(FCC)材料，其弹性和屈服行为与晶向有很大关系[10]。沿原子密度最大的晶向的屈服强度，显示出明显的优越性[16]。图9所示为规则多孔铜的XRD谱。从图9可知，与致密纯铜的XRD谱相比，规则多孔铜的择优取向晶面为(220)，即规则多孔铜晶粒的生长方向为〈110〉晶向，因此，气孔的轴向也与晶粒生长方向〈110〉晶向相同。铜是面心立方(FCC)晶体结构，其原子密排方向是〈110〉晶向，所以，沿着该晶向的力学性能具有明显的优势。当压缩方向不同时，压缩载荷与柱状晶的生长方向不同，屈服强度表现出差异。0°方向试样压缩方向与晶粒生长方向平行，即为原子密排方向，所以，其屈服强度最大。

3) 不同压缩方向上气孔周围引起应力集中程度不同，其对材料的力学性能有较大的影响[10−11]。材料的强度随应力集中的增加而减小[11]。当气孔率和孔径相同时，应力集中系数随压缩方向与气孔方向夹角的增大而减小，所以，0°方向的屈服强度最大，30°、45°、60°和90°方向的力学性能依次变差。

综上所述，规则多孔铜屈服强度的各向异性可能是由试样的气孔结构、晶粒取向和应力集中效应不同引起。综合考虑以上3个因素可以定性地分析出0°方向试样的屈服强度最大，30°、45°和60°方向的屈服强度依次降低，90°方向的屈服强度最差。

图9 规则多孔铜XRD谱Fig.9 XRD pattern of ordered porous copper

2.3 多孔铜的能量吸收能力

规则多孔铜的压缩应力—应变曲线如图10所示。由图10可知，曲线分为3个阶段：第1阶段为弹性变形阶段，主要以线弹性方式发生变形；第2阶段为屈服阶段，此阶段孔壁产生屈曲的同时气孔被压塌，出现一个应力平台；第3阶段为密实阶段，这时气孔完全坍塌，曲线的斜率增大即应力急剧增加。

图10 规则多孔铜的压缩应力—应变曲线 [11]Fig.10 Compressive stress—strain curve of ordered porous metal

由应力—应变曲线可知，其存在一个长的应力平台，多孔金属材料的抗压性能和能量吸收能力与这一区域密切相关[17]。多孔材料气孔压塌在几乎恒定的应力下进行，当达到密实阶段时，应力急剧增加，表明材料结构完全发生变化。因此，可以用密实化开始点的应变εD(见图10)来表征多孔材料结构是否被完全破坏。压缩多孔铜材料时所做的功由孔壁的弹性屈曲和塑性屈曲来吸收。当达到密实化开始点应变εD时，单位体积吸收的能量可以通过应力—应变曲线所围成的面积计算[18]：

式中：W为单位体积吸收的能量；σε为应变。

规则多孔铜沿不同方向压缩到密实化开始点时单位体积吸收的能量和气孔率的关系如图11所示。由图11可知，其吸收的能量随着气孔率的增加而减少。这表明，随着气孔率的增加，规则多孔铜的能量吸收能力降低。当试样的气孔率相同时，其单位体积吸收的能量随压缩方向与气孔方向夹角的增大逐渐减少，这主要是因为随着夹角的增大，规则多孔材料的强度降低、延展性变差。0°方向的能量吸收能力最大，30°、45°、60°和90°方向的能量吸收能力依次降低。

图11 不同气孔率规则多孔铜在不同压缩方向单位体积吸收的能量Fig.11 Absorbed energy per volume of ordered porous copper with different porosities in different compressive directions

3 结论

1) 多孔铜的压缩变形行为取决于材料的气孔率和压缩方向。应力—应变曲线表现出明显的各向异性，其原因主要由压缩变形方式和应力集中效应不同引起。

2) 由于各个方向上有效承载面积、晶粒取向和应力集中效应的不同，规则多孔铜材料各方向上的屈服强度不同。0°方向的屈服强度最大，30°、45°、60°和90°方向的屈服强度依次降低，且均随气孔率的增加而降低。

3) 规则多孔铜材料能量吸收能力与气孔方向有关， 0°方向的能量吸收能力最大，30°、45°和 60°方向的能量吸收能力逐渐降低， 90°方向的能力能量吸收能力最差。

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Anisotropic compressive properties of ordered porous copper

HUANG Feng, YANG Tian-wu, LI Zai-jiu, LI Zhen-hua, JIN Qing-lin, ZHOU Rong
(School of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093, China)

Porous copper with long cylindrical pores aligned in one direction was fabricated by directional solidification under high-pressure atmosphere of hydrogen or gas mixture of hydrogen and argon. Compressive tests of the ordered porous copper with different porosities in different directions were carried out. The relationship between strength and porosity or compressive direction was investigated. The results show that the compressive stress−strain curves vary with porosity and compressive direction. Under the same compressive direction, as the porosity increases, the compressive yield strength of the ordered porous copper decreases. The mechanical properties of the ordered porous copper show obvious anisotropy, and the yield strength and energy absorption capacity of the ordered porous copper decrease with the increase of the angle between pore axis and compressive direction. The yield strength and energy absorption capacity of porous copper are the largest when the angle between pore axis and compressive direction is equal to 0°.

ordered porous copper; unidirectional solidification; yield strength; compressive deformation

TG146; TG115

A

1004-0609(2011)03-0604-07

国家自然科学基金云南联合基金资助项目(u0837603)

2010-01-19；

2010-11-20

周 荣，教授；电话：0871-5176355；E-mail: huangfeng2005@sohu.com

(编辑 陈卫萍)