多孔状和蜂窝状金属材料力学性能动态高速压缩试验方法分析

李智 李欢欢 李力 曾蕾 任红凯

（1.中国检验认证集团湖北有限公司 湖北武汉 430050；2.湖北中检检测有限公司；3.康稳移动供电设备（武汉）有限公司）

1 前言

多孔状和蜂窝状金属材料是一种内部结构含有许多孔隙的新型功能材料[1]，有的多孔状和蜂窝状金属呈骨架结构，有的呈蜂窝状结构，其在金属基体中含有一定尺寸孔径、一定孔隙率、一定气泡形状、一定比面积、一定数量的金属材料，它具有多孔材料的结构特点，还具有金属材料优良的力学性能和热、电等物理性能， 是近些年来得到迅速发展的一种集多种优良性能于一身的新型环保型结构功能工程材料。随着工业和科技的发展以及社会的进步，人们越来越关注多孔状和蜂窝状金属材料。 多孔状和蜂窝状金属材料是指在金属或合金材料中宏观的或微观的孔洞体积分数（即孔隙率）＞15%后，材料就会因孔洞的存在而产生一些功能性能， 从而形成的一类新型的结构与功能一体化的工程材料。

多孔状和蜂窝状金属材料在作为结构用途时，具有轻质、冲击能量吸收、吸音降噪、耐热阻火、抗延展性等优点，因此在电子与通讯、机械、汽车、船舶、地铁列车制造、环保、航空航天、医学、建筑等诸多领域得到广泛应用。尤其在交通运输行业中应用可使汽车、火车、电车碰撞变形得到控制，在机械设备及电子设备的减震垫、轻质结构件等方面，其抗压性能为工业设计的前提条件，当多孔状和蜂窝状金属材料应用于汽车零部件时，因其独特的胞状孔结构特征和优异的多功能复合特性， 可使汽车在行驶中发生碰撞时所产生冲击能量得到吸收减缓。 多孔状和蜂窝状金属材料变形行为不同于传统致密性金属， 故现有致密性金属材料的压缩试验方法不适用于多孔状和蜂窝状金属材料。 为了检测多孔状和蜂窝状金属的力学特性，本文采用动态高速压缩实验进行验证。

2 材料与方法

2.1 实验材料

实验所用样品是“开孔”多孔状和蜂窝状金属铝合金材料，采用熔体发泡剂法制备而成（图1）。

图1 多孔状和蜂窝状金属铝合金材料

多孔状和蜂窝状金属的结构特征主要有：孔径、孔隙率、气泡形状、比表面积等（图2）[2-3]。

图2 “开孔” 多孔状和蜂窝状金属铝合金

（1）孔径：这是多孔状和蜂窝状金属铝合金材料的基本参数，孔径分为体孔径和面孔径，体孔径是指泡的等效直径，但不便直接测量，实际使用中常用面孔径，系指截面上泡的截面多边形的等效直径，用扫描仪将图形输入计算机，可较好地测出孔径及孔径分布，泡沫铝的孔径一般为0.5～5.5 mm 或更大[2]；

（2）孔隙率：是为孔隙所占体积与总体积之比，由于并非所有空隙都相互连通，把连通的空隙与总体积之比称为有效空隙率，当所有空隙都连通时两者相等，多孔状和蜂窝状金属铝合金材料孔隙率一般为 40%～90%[2-3]；

（3）气泡形状：由于制备方法不同，多孔状和蜂窝状金属铝合金材料的气泡可分为球状、 胞状和球胞混合状三种形态[2-3]；

（4）比表面积：多孔材料的比表面积即一定体积的多孔材料的表面积与其体积之比，多孔状和蜂窝状金属铝合金材料比表面积大约为10～40 cm2/cm3，而比重只为同体积金属的1/2～1/10[2-3]。

2.2 试样形状与尺寸[4]

试样形状与尺寸的设计应保证： 在试验过程中标距内为均匀单向压缩； 引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等； 端部不应在试验结束之前损坏。 试验方法在抗压试验中推荐（图3）所示的矩形试样和圆柱形试样。

图3 矩形试样和圆柱形试样示例

矩形试样宽度 （W0） 尺寸和圆柱形试样直径（D0）尺寸应当至少为 10 倍的平均孔隙度直径（da）；其中宽度（W0）和直径（D0）都不少于 10mm[4]。

圆柱形试样的高度与直径比（H0/D0）或矩形试样的高度与宽度比（H0/W0）应在 1～2 之间，多多孔状和蜂窝状金属的平均空隙大小 （对于球形其孔隙度称为直径、 对于非球形的孔隙度称为轴向和横向尺寸）在切削加工试样之前应测量其大小，同时在试验报告中记录试样的形状与尺寸、孔隙的类型（如开孔或闭孔）[4]。

多孔状和蜂窝状金属材料进行切削加工试样时，孔隙的大小和分布情况都要详细的进行检查和记录。

2.3 试样制备

多孔状和蜂窝状金属在切取样坯和机加工制样时试样必须反应其物质结构， 具备有车铣床、 切割机、磨床、电火花等加工设备。在任何情况下，多孔状和蜂窝状金属都需防止因冷加工或热加工等影响而改变材料的性能。

试验过程中试样与压板接触的面应平行， 其他切削表面必须垂直于接触表面。 所有试样加工后其切削表面及棱边应当无毛刺、无倒角[4]。

对于任何多孔状和蜂窝状金属，在一般情况下，试样受压表面部分要切削除去。 表面上不应有划痕等损伤[4]；试样厚度为机加工厚度时，表面粗糙度应不劣于原表面的粗糙度。 厚度（或直径）在标距内的允许偏差为1%或0.05 mm，取其小值。

2.4 仪器及设备

伺服式高速压缩试验机由压板、力传感器、位移传感器、安全销以及挡板组成[5]。 液压伺服式高速压缩试验机的基本结构（图4）。

压板位于试样的顶部和底部， 用于给试样施加压缩力。压板的结构不会因为压缩力而变形，能够准确地传递轴向压缩力， 防止在试样上产生除压缩力之外的其他力的效应，比如弯曲应力等。压板的表面积应足够大， 确保在试样的整个端面均匀地施加压缩力，直到彻底完成压缩形变。压板的施压面应做抛光处理，压板的上下表面应平行，上下压板平面的中心线应与试验机的加载线重合。

力传感器可以测量作用于试样上的压缩力，应依据GB/T 16825.1 对力传感器进行校准。力传感器的谐振频率和硬度应足够高， 压力的测量准确度级别应不低于1 级。

位移传感器用于测量试验过程中锤头的移动距离，为了避免惯性影响，位移传感器应是非接触式的。位移传感器的响应速度应高于试验速度，推荐使用激光位移传感器及光学位移传感器等高精度位移传感器。

安全销是一个试验力传递部件，用于防止超大压缩力对力传感器和压板造成损坏。安全销的材质和尺寸应足以承受所需的试验力，并且可以在力传感器和压板承载范围内破裂，而不发生大的塑性变形。

挡板位于2 个压板质检， 当试样发生变形到指定高度时，挡板应使压板停止运动。

图4 液压伺服式高速压缩试验机结构图

2.5 试验原理

本试验以0.1～100 m/s 的速度向多孔状和蜂窝状金属材料施加冲击力，测量压缩力和位移，以此来评估样品的高速压缩形变特性， 比如平台应力以及能量吸收等。 向多孔状和蜂窝状金属施加高速压缩力的试验方法是伺服式高速压缩试验。

伺服式高速压缩试验通过液压式或电动式高速伺服设备施加压缩力， 通过伺服控制来改变试验速度。 驱动装置必须能够跟踪试验速度。

2.6 试验尺寸测量

矩形试样高度和宽度，须在试样原始标距中点处测量；圆柱形试样须在原始标距中点处2 个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值（测量精确到0.1 mm）；根据其算术平均值计算试样的原始横截面积。

3 结论

综上所述， 本试验方法在室温条件下对多孔状和蜂窝状金属进行动态高速压缩试验， 对多孔状和蜂窝状金属材料的力学性能进行了量化分析， 以该方法为依据可研判多孔状和蜂窝状金属的力学性能与孔隙度大小、相对密度、孔隙度形状、孔隙率之间的关系，对这方面的研究进行规范化，有效的为国内相关从业人员开发多孔状和蜂窝状金属的应用提供了试验方法和试验依据， 不同的多孔状和蜂窝状金属材料试验后对其结果进行定量分析。 多孔状和蜂窝状金属在很多实际应用场合承受的都是动态载荷作用。在动态高速压缩试验中，不管多孔状和蜂窝状金属的密度为多少， 其应力应变响应曲线与准静态压缩条件下的响应曲线是一样的，均经过三个阶段：弹性段，屈服段和致密段[9]。

鉴于其优良的综合性能， 多孔状和蜂窝状金属在我国民用领域的使用范围不断扩大， 作为一种缓冲减震材料如多孔状和蜂窝状金属铝合金材料，具有很好的应用前景。