金属材料的分类和应用影响

战佳升++孙志辉

摘要：材料品种繁多，数以十万计。为了便于认识和应用，本文从不同角度对其进行分类。按化学成分、生产过程、结构及性能特点可分为三大类，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料，三大材料相互交叉、相互融合，由三大材料中任意两种或两种以上复合而成的材料称为复合材料，如果把复合材料作为一类便可称为四大类材料。在以上一级分类的同时，每个一级分类里还有很多二级、三级分类，每种材料都有不同的特性和功能，在应用上也不尽相同，所以如何在如此繁多的材料分类中快速定位，找到所需要的材料，人工操作相当繁琐，浪费了大量的人力和物力，如果借助于计算机来进行管理，效率将会快速提高，而且会大大的提高其安全性。

关键词：材料；新能源材料；系统开发；优化检索

泡沫金属等多胞材料，其细观结构（特别是几何形状）常常是不规则的，目前的大部分研究对此仅简单采用某种随机性或者平均效果进行描述，如平均孔径等。显然这样的描述是不足以刻画材料的性质，特别是材料的屈服极限和破坏强度（应变）等。为了能更好地从细观角度描述这类材料的性质，本文首先对泡沫金属细观结构引入多边形（二维）和多面体（三维）假设，并且提出了细观结构的尺寸不规则度和形状不规则度的定义，发展了相应的建模技术和开展了材料性能研究。具体研究内容包括：①在保持初始相对密度（O.3）、胞体数目（100）相同的基础上，建立起几种典型的胞体形状规则的二维泡沫铝模型，如胞体形状为正四边形、正六边形（蜂窝）及圆孔，并进行准静态压缩模拟。通过分析它们的压缩特性，确定了正六边形（蜂窝）的胞体作为规则参考单元，即将正六边形胞体组成的泡沫金属性能作为不规则度为零的泡沫金属的性能，用于和其他有不规则度分布的泡沫金属进行性能对比。②对于二维随机Voronoi泡沫金属模型，同样在初始相对密度、胞体数目相同的基础上，研究了不同不规则度分布，对泡沫金属的压缩性能影响。为了验证模型是否具有尺寸效应，本文在初始相对密度和形状不规则度分布相同的情况下，建立了胞体数目为200的二维Voronoi模型，并对其进行准静态压缩模拟。③利用三维Voronoi建模方法，建立了三维泡沫金属模型，定义了三维下的形状不规则度。

多孔金属材料具有轻质、高强韧、吸能性能优异、高效散热、隔热等特性，是一种兼具功能和结构双重作用的新型工程材料，已经广一泛应用于航空航天、汽车、海洋采油等领域。多孔金属材料的力学性能与其细观结构密切相关，研究多孔金属材料细观结构与其宏观力学性能之间的关系，深入分析材料变形的细观力学机制并在此基础上进行材料细观结构的优化设计，对促进多孔金属材料的设计开发和工程应用具有重大意义，也是本文工作的主要目的。本文研究了含有细观结构缺陷的二维蜂窝结构动态力学行为，对渗流法制备的开孔泡沫金属进行了细观结构优化设计，并进一步探讨了多孔金属材料多目标优化设计的方法。

本文首先对胞壁随机移除的二维蜂窝结构动态力学行为进行有限元模拟，研究了不同胞壁移除比的蜂窝结构在动态冲击下的变形模式，发现蜂窝结构变形模式是由两种机制，即惯性效应引起的变形局部化和缺陷引起的多个变形带随机分布（变形分散化），共同作用所决定的。本文还研究了随机移除胞壁对蜂窝结构模式转换临界速度的影响，给出了临界速度的近似公式。对蜂窝结构平台应力速度效应的研究发现，当变形模式为过渡模式和动态模式时，平台应力与冲击速度的平方成正比。相同密度下，低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构，较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降。本文还研究了含随机固体填充孔蜂窝结构的动态力学行为。通过对不同孔洞填充比的蜂窝结构动态变形过程进行有限元模拟，发现含固体填充孔蜂窝结构与相同密度的规则蜂窝结构具有相同的变形模式和临界速度。准静态模式下，随孔洞填充比的增加，蜂窝结构压缩应力显著下降。蜂窝结构变形为过渡模式或动态模式时，固体填充孔将导致蜂窝结构冲击面应力出现尖峰，在应力尖峰以外的区域，蜂窝结构压缩应力可通过具有相同壁厚的规则蜂窝结构平台应力估算。

蜂窝结构的平台应力表现出明显的速度效应，与冲击速度的平方成线性关系。低速冲击下，含固体填充孔的蜂窝结构平台应力随孔洞填充比的增大而显著降低，随着冲击速度的提高，一方面固体填充孔导致蜂窝结构应力应变曲线中出现应力尖峰，提高了蜂窝结构的吸能能力，另一方面含固体填充孔蜂窝结构中的崩塌变形耗散能高于规则蜂窝结构中的逐层剪切变形耗散能，含固体填充孔蜂窝结构平台应力在较高的冲击速度下可以比规则蜂窝结构平台应力提高10%以上。对渗流法制备开孔泡沫金属时盐粒的几何堆积方式进行了讨论，提出了引入二级孔洞，通过细观结构的设计来优化泡沫金属宏观力学性能的设想，并设计了优化的三维开孔泡沫金属绌观几何构型。

对泡沫金属压缩变形机理的分析表明，单一孔径泡沫金属变形主要为斜杆的弯曲变形，引入二级孔洞后，更多的实体材料参与变形，泡沫金属中同时存在胞杆的轴向压缩与弯曲变形，提高了泡沫金属的强度，并使材料表现出与单一孔径泡沫金属不同的塑性流动特性。对双重孔径泡沫金属的实验研究验证了细观结构设计对材料性能的优化作用，材料弹性模量和屈服强度分别比单一孔径泡沫金属提高48%及19%，最优的孔径比和孔洞体积比分别为0.4和0.07-0.1。本文对单一孔径和双重孔径泡沫金属的稳态热传导过程进行了有限元模拟，得到不同相对密度和孔径比的开孔泡沫金属等效热传导系数。通过最小二乘法获得了双重孔径泡沫金属的屈服应力和隔热参数的拟合函数式，建立了包含强度、隔热和轻质三个目标函数的多目标优化设计数学模型，在构件质量一定的情况下，采用约束法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解，得到满足强度要求，同时使隔热性能最优的泡沫金属细观参数。最后，求得了相同质量的泡沫金属板构件隔热参数一屈服应力关系图，对单一孔径泡沫金属板和双重孔径泡沫金属板性能进行了比较，发现双重孔径泡沫金属板综合性能要显著优于单一孔径泡沫金属板。