不同温度下闭孔泡沫铝压缩性能研究

2021-01-25甄映红王展光

轻金属 2021年1期

甄映红,王展光

(凯里学院建筑工程学院,贵州凯里 556011)

多孔泡沫金属材料质量轻,相对密度较小;其在外荷载作用下,强度较低,变形大,具有较好能量吸收能力,同时多孔泡沫金属材料还具有阻尼减震、降噪、隔热、电磁屏蔽等功能,在航天科技等方面具有较好的应用前景[1-5]。

多孔泡沫金属按基体材料现在已经发展出铝、铝合金、镁、钛等多种泡沫金属[6-8],泡沫铝是其中发展最为成熟的一种泡沫金属材料,其工艺参数控制已经基本成熟,从实验室控制发展到工业化调控,为其在工业领域的大规模应用奠定了基础。四川元泰达新材料股份有限公司采用缓释铸造发泡技术,一次能生产出2600 mm×1000 mm×600 mm的闭孔泡沫铝锭,其质量能满足工业要求。

常温下闭孔泡沫铝相关性能研究较为充分,闰畅以工业泡沫铝材料为对象,通过对两种不同基体的泡沫铝材料进行准静态压缩力学试验,并分析其变形机理[9];朱烨飞采用X射线计算机断层扫描技术,重构了闭孔泡沫铝细观结构的三维有限元模型[10];李忠献采用改进的INSTRON高速动力加载系统,研究了不同应变率下闭孔泡沫铝动态压缩性能,发现闭孔泡沫铝的吸能能力随应变率的增加而明显提升[11];王展光通过对不同孔隙度闭孔胞状泡沫铝进行准静态压缩试验分析,讨论了泡沫铝力学性能影响因素,并采用屈服强度公式对试验数据进行拟合[12]。

目前,关于闭孔泡沫铝在不同温度下性能变化研究还相对较少。 Hakamada通过对闭孔泡沫铝及其基体材料在温度范围573～773 K内进行准静态压缩试验研究发现,闭孔泡沫铝在高温下的变形机制与其基体材料的变形机制本质上是相同的[13]。Aly 通过对闭孔泡沫铝进行了常温和高温下的压缩实验来研究泡沫铝密度和实验温度的影响[14]。Cady对泡沫铝在不同应变率低温条件(77～295 K)下的力学性能进行了研究[15]。王鹏飞利用Hopkinson杆与MTS实验装置分别研究泡沫铝在不同温度下的动态与静态力学性能,发现泡沫铝有很强的温度软化效应;并基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数和温度项修正[16-17]。习会峰研究了-50 ℃到300 ℃范围内不同温度作用下的泡沫铝压缩性能,提出将其简化为五参数模型[18]。

闭孔泡沫铝在航空航天、建筑等领域都有广泛的应用,在这些领域里应用,闭孔泡沫铝会经受各种温度影响,因此有必要对闭孔泡沫铝在不同温度下的力学性能进行研究。本文在前期对常温情况下闭孔泡沫铝力学性能进行分析的基础上,对闭孔泡沫铝进行不同温度的低温和高温处理,将处理后闭孔泡沫铝进行静态压缩试验,得到闭孔泡沫铝力学性能和吸能能力,分析孔隙率、温度等相关参数对闭孔泡沫铝力学性能和吸能能力的影响。

1 试验研究

1.1 试件设计

泡沫铝由四川元泰达新材料股份有限公司通过熔体发泡法制备,制备好的泡沫铝加工成需要的尺寸。压缩试件尺寸:构件长为57 mm,截面为方形,边长33 mm。选取的泡沫铝孔隙率分别为Pr=70%,80%、90%。加工好的试件见图1。

图1 泡沫铝试件

1.2 试件加热和压缩试验

本次试验考虑了低温和高温两种情况,其中低温是指处理温度小于400 ℃;高温为处理温度大于400 ℃。

图2 泡沫铝在不同温度下的升温曲线

泡沫铝作为填充材料和装饰材料在建筑领域进行了应用,为了研究闭孔泡沫在火灾情况下性能变化,高温加热使用的是上海意丰电炉公司生产的加热电炉,将制作好泡沫铝试件放入加热电炉中进行加热,加热采用模拟标准升温曲线,但最高温度小于标准升温曲线的最高温度,考虑不同最高温度对泡沫铝性能的影响,具体升温曲线见图2,加热结束后,自然冷却至室温,将试件取出进行压缩实验。为了比较温度变化对泡沫铝性能的影响,本次试验采用了三种温度,分别是800 ℃、600 ℃和400 ℃。

低温采用-30 ℃、20 ℃、100 ℃、300 ℃四种温度进行比较。-30 ℃和100 ℃采用DFY40低温反应浴槽来进行实现,将泡沫铝放在其中保持5个小时后取出;300 ℃放在加热电炉进行实现,升温曲线见图2。

压缩实验采用济南恒思盛大仪器有限公司电子压缩试验机(WDW-50)进行,加载速度为1 mm/min,荷载-位移曲线由IMP数据采集系统进行采集。

2 结果与讨论

2.1 实验现象及分析

泡沫铝试件在加热后,其形态见图3。从图中可以看出,其加热温度低于600 ℃,泡沫铝试件形状和外表面都没有明显变化;当其加热温度达到800 ℃时,试件外表面呈蓝色,说明出现碳化;且部分试件出现严重变形,这是由于铝的熔点660.4 ℃,泡沫铝出现部分熔化现象,但随着温度降低泡沫铝重新凝固,从而导致了形状变化和孔结构的部分塌陷。

图3 泡沫铝试件不同温度处理后的形态

2.2 低温下泡沫铝压缩曲线

为对泡沫铝材料在不同温度(低于400 ℃)条件下,材料性能的变化情况进行比对测试。选择孔隙率80%的泡沫铝分别进行-30 ℃、20 ℃、100 ℃、300 ℃的加温过程,然后进行静态压缩试验,相关结果见图4。从压缩应力-应变曲线结果可知,在低温情况下,泡沫铝屈服强度及屈服平台基本一致,其屈服强度和吸能性能不随温度变化而变化。

图4 低温下泡沫铝的压缩应力应变曲线

2.3 高温下泡沫铝压缩曲线

高温采用三种加温曲线进行加温,分别为800 ℃、600 ℃和400 ℃,并与常温20 ℃情况下的力学性能进行比较。不同孔隙率泡沫铝经过高温处理后的压缩应力应变曲线见图5。从图中可以看出,在不同温度下,闭孔泡沫铝的压缩应力应变曲线与常温情况下相似,具有三个阶段,分别为线弹性阶段、屈服平台阶段和致密化阶段;当温度小于600 ℃,泡沫铝的性能变化较小;而温度达到800 ℃时,泡沫铝的屈服强度和弹性模量明显降低。

图5 高温下泡沫铝的压缩应力应变曲线

2.3.1 线弹性阶段与弹性模量

加热前后泡沫铝在弹性阶段都较短,其末端应变为0.02～0.06左右,在这阶段应力与应变呈固定的比例关系。图6为孔隙率70%泡沫铝在800℃高温处理后的形态,从图中可以看出,泡沫铝试件出现了较为严重的变形,且其中在加温中向上的侧面表面形成了一层铝膜,出现这种的现象的原因是,由于铝的熔点660.4 ℃,当其加热温度达到800 ℃时,泡沫铝试样表面出现熔化现象,当温度降低重新凝固,泡沫试样出现明显变形和重构。

图6 孔隙率70%泡沫铝在800 ℃高温处理后的形态

泡沫铝的弹性模量和比例极限见表1。从表中可以看出,泡沫铝的弹性模量和比例极限随着孔隙率增大而减小,在20 ℃时,孔隙率70%的比例极限强度为12.72 MPa,弹性模量为520.58 MPa,而孔隙率90%的比例极限强度为3.75 MPa,弹性模量为99.78 MPa,分别为孔隙率70%的1/3.4和1/5.2。当温度小于等于600 ℃时,泡沫铝比例极限fp和弹性模量的变化较小。当温度达到800 ℃其弹性模量和比例极限fp明显的降低, 孔隙率70%的比例极限强度为5.48 MPa,弹性模量为100.10 MPa,分别为20 ℃的43%和19.2%,孔隙率90%的比例极限强度为1.43 MPa,弹性模量为41.65 MPa,分别为20 ℃的38.3%和41.7%。

表1 泡沫铝的弹性模量和比例极限

2.3.2 屈服平台阶段和屈服强度

闭孔泡沫铝压缩应力应变曲线第二阶段为屈服平台阶段,见图5。从图中可以看出,孔隙率为70%的闭孔泡沫铝其屈服平台阶段十分平滑,而孔隙率80%和90%的闭孔泡沫铝其屈服平台阶段上下波动明显。这是由于孔隙率低的泡沫铝孔径小,孔壁厚,材料缺陷少,孔壁能较好承受增加的应力;而孔隙率高的泡沫铝孔结构随着孔隙率的增大,孔径越大、孔壁越薄,在荷载的作用下,当试件中应力超过基材铝屈服点时,孔壁薄弱处或有缺陷的区域发生破坏,在应力应变曲线表现为锯齿状,泡沫铝的孔结构见图7。

图7 不同孔隙率泡沫铝的孔结构图

泡沫铝的屈服强度随着孔隙率的增大而减小,在20 ℃时,孔隙率70%泡沫铝的屈服强度为16.27 MPa,而孔隙率90%泡沫铝的屈服强度为3.59 MPa,为孔隙率70%的1/4.5。在温度小于600 ℃时,其对屈服强度影响较小,孔隙率70%泡沫铝的屈服强度为16.27～14.42 MPa,而孔隙率90%泡沫铝的屈服强度为3.59～3.10 MPa;当大于800 ℃,屈服应力下降明显,孔隙率70%泡沫铝的屈服强度为7.26 MPa,为20 ℃的44.6%,而孔隙率90%泡沫铝的屈服强度为1.46 MPa,为20 ℃的40.7%。

表2 泡沫铝的屈服强度

王展光通过对闭孔泡沫铝的单向压缩力学性能进行了分析,得到其压缩屈服应力的公式为[12]:

(1)

式中:ρ、ρs——分别为多孔铝和基体的密度,

kg/m3;

σs——基体的屈服强度,MPa,铝基取70 MPa。

Sherwood在泡沫铝本构中引入温度参数-温度软化项H(T),用来表征温度对其影响。参考其做法,泡沫铝在高温度情况下压缩屈服应力为下面的式子:

σc(T)=H(T)σc

(2)

H(T)采用Johnson-Cook本构模型中的温度软化项:

H(T)=1-T*m

(3)

式中:T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom),℃,其中Troom为室温,取值20 ℃;m为指数,具体见公式4。

Tmelt——铝的熔点,℃,取值为660.4 ℃.

根据试验结果进行拟合,可以得到:

(4)

图8 泡沫铝的屈服应力理论值和实验值

泡沫铝的屈服应力与公式2的相关结果见图8,从中可以看出公式2的计算结果与试验数据吻合较好。

2.3.3 屈服强化阶段及破坏形态

闭孔泡沫铝压缩应力应变曲线第三阶段为屈服强化阶段,随着压力的进一步加大,泡沫铝孔洞都被压垮,应力更多的由孔基体材料铝所承受,表现为压缩应力随应变的增大而急剧升高,见图5。

致密化应变εD用来描述泡沫金属应力应变曲线加速的起始点,即压缩应力应变曲线中的斜率(dσ/dε)明显增大,对于致密化应变采用εD=1-1.4ρ/ρs来进行计算。闭孔泡沫铝的dσ/dε曲线见图9,从图中可以看出,致密化应变εD随着孔隙率的增大而明显增大,相关结果见表3。

图9 泡沫铝的dσ/dε曲线

从表3可以看出,试验曲线的致密化应变总体上与公式计算结果比较吻合,致密化应变随温度变化相对较小,总体上,随着加热温度升高,其致密化应变会略有增加。

虽然在加热温度为400 ℃、600 ℃时,其压缩应力应变曲线相差很小,但其破坏形态却相差很大,见图10。在常温情况下,其在应变达到近0.8时,依然较为完好,说明其塑形变形能力强,而试件经过400 ℃、600 ℃和800 ℃后,在压缩情况下,其发生脆性破坏,说明经过高温后冷却,泡沫铝塑形能力降低,材料脆性增强。